張作森，張玉玲

（1.重慶大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，重慶 400044；2.天津外國(guó)語(yǔ)大學(xué)國(guó)際商學(xué)院，天津 300270）

前言

目前，汽車(chē)氣動(dòng)性能已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外一個(gè)熱門(mén)的研究方向。起初的研究對(duì)象僅限于車(chē)體本身，現(xiàn)在發(fā)展到對(duì)車(chē)身附件的模擬，例如 Norwazan、Khalid、Zulkiffli等（2012）對(duì)車(chē)尾擾流器進(jìn)行研究模擬[1]；嚴(yán)擇圓，杜常清，胡藝?guó)P等（2019）對(duì)方程式賽車(chē)尾翼負(fù)升力特性的探究[2]；南瓊，應(yīng)保勝，伍俊杰等（2019）對(duì)FSAE賽車(chē)二維擴(kuò)散器的氣動(dòng)性能進(jìn)行研究[3]。關(guān)于車(chē)身空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法主要包括汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真兩類。風(fēng)洞試驗(yàn)是一種研究汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的傳統(tǒng)而又有效的方法，但汽車(chē)風(fēng)洞建設(shè)的投資大、成本高，并且試驗(yàn)的周期長(zhǎng)，此外還存在堵塞效應(yīng)、地面效應(yīng)與車(chē)輪旋轉(zhuǎn)效應(yīng)模擬等問(wèn)題[4]。與汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)相比，計(jì)算機(jī)仿真具有成本低、可視化高、可復(fù)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[5-6]。本文基于CFD理論對(duì)某跑車(chē)車(chē)身進(jìn)行外流場(chǎng)仿真，首先導(dǎo)入車(chē)身三維幾何模型，利用ANSA軟件對(duì)車(chē)身模型進(jìn)行幾何清理并劃分四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，利用FLUENT軟件進(jìn)行升力系數(shù)的求解計(jì)算，最后在CFD-POST軟件中提取計(jì)算結(jié)果，研究擾流器對(duì)汽車(chē)升力系數(shù)的影響。

1 模型的幾何清理及網(wǎng)格劃分

1.1 模型的幾何清理

原始跑車(chē)模型的尺寸為：長(zhǎng)L=3350 mm，寬W=1340 mm，高H=810 mm。將跑車(chē)模型導(dǎo)入到ANSA軟件中，由于原始模型的曲面細(xì)節(jié)過(guò)多，如后視鏡等，從而導(dǎo)致在 ANSA軟件中生成的網(wǎng)格質(zhì)量較差，最終會(huì)影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要對(duì)模型進(jìn)行幾何清理，刪掉對(duì)仿真結(jié)果影響較小的部分，將車(chē)身底部簡(jiǎn)化為平面，最終將汽車(chē)處理為一個(gè)封閉的殼體[1]。完成幾何清理后的跑車(chē)原始模型如圖 1所示。圖 2為加裝擾流器的跑車(chē)模型，本文一共有0 °、6 °、12 °三種不同角度的擾流器。

圖1 幾何清理后的原始跑車(chē)模型

圖2 加裝擾流器的跑車(chē)模型

設(shè)置跑車(chē)外流場(chǎng)計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體形，其尺寸設(shè)定為： 車(chē)前取L，車(chē)后取3 L，車(chē)兩側(cè)各取0.5 L，車(chē)上部取0.2 L，車(chē)底部取0.001L。外流場(chǎng)計(jì)算域模型，如圖3所示。

圖3 外流場(chǎng)計(jì)算域模型

1.2 模型的網(wǎng)格劃分

運(yùn)用ANSA軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于混合網(wǎng)格具有精度高、數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)，因此網(wǎng)格類型選擇混合網(wǎng)格[1]。由于車(chē)身附近的氣流變化大，速度、壓力等物理量變化劇烈，流場(chǎng)情況相對(duì)復(fù)雜，故在車(chē)身附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，以便于精確捕捉車(chē)身周?chē)臍饬髁鲃?dòng)情況；而在遠(yuǎn)離車(chē)身的計(jì)算域，物理量變化平緩，將網(wǎng)格劃分得適當(dāng)稀疏，以達(dá)到減少總體網(wǎng)格數(shù)量的目的。模型中間面的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 中間面網(wǎng)格

2 升力系數(shù)的仿真求解

2.1 控制方程

汽車(chē)外流場(chǎng)仿真是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，但其遵循基本的流動(dòng)控制方程，即連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程。由于本次汽車(chē)外流場(chǎng)仿真僅進(jìn)行流動(dòng)參數(shù)（如速度、壓力等）的仿真計(jì)算，不涉及溫度場(chǎng)的仿真計(jì)算，因此下面僅給出連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

（1）連續(xù)性方程

式中：ρ為流體密度，τ為時(shí)間；為流體速度矢量；div為散度。

（2）動(dòng)量方程

式中，p為壓強(qiáng)；Fi為體積力；Ui為沿坐標(biāo)軸方向速度分量；sij為粘性應(yīng)力分量。

2.2 湍流模型

目前，在工程中應(yīng)用最廣泛的湍流模型是k-ε模型[7-8]，比較流行的 k-ε模型包括標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型，本文選用 Realizable k-ε湍流模型。

2.3 邊界條件

外流場(chǎng)計(jì)算域設(shè)置入口（inlet）、出口（outlet）、地面（ground）、左右側(cè)面及上壁面（wall）以及車(chē)身表面（car）五個(gè)部分。將入口邊界條件設(shè)為速度入口，氣流速度u=50 m/s，方向?yàn)榇怪庇谌肟谶吔?；將出口邊界條件設(shè)為壓力出口；將地面設(shè)為移動(dòng)壁面邊界，速度、方向與入口相同；將計(jì)算域左右側(cè)面及上壁面設(shè)為滑移壁面邊界；將車(chē)身表面設(shè)為固定無(wú)滑移壁面。

3 升力系數(shù)結(jié)果及原因分析

3.1 升力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果

FLUENT是基于有限體積法的數(shù)值模擬軟件，其對(duì)流動(dòng)問(wèn)題的仿真具有良好的適用性。在 FLUENT 中對(duì)原始模型以及三種加裝擾流器模型進(jìn)行仿真計(jì)算， 得到相應(yīng)的升力系數(shù)，如表 1所示。

表1 升力系數(shù)匯總表

觀察表中數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論：

（1）原始模型的升力系數(shù)為正，加裝擾流器的跑車(chē)模型的升力系數(shù)為負(fù)，加裝擾流器的跑車(chē)升力系數(shù)小于原始模型的升力系數(shù)，表現(xiàn)為高速行駛時(shí)加裝擾流器的跑車(chē)的抓地性能優(yōu)于原始模型。

（2）在加裝擾流器的模型中，擾流器的角度越大，升力系數(shù)的絕對(duì)值越大，汽車(chē)高速高速行駛的穩(wěn)定性越高。

3.2 升力系數(shù)差異的原因分析

計(jì)算域中間對(duì)稱面（y=0）的速度矢量圖如圖 5 所示。由圖5（a）可以看到氣流流經(jīng)車(chē)頂和車(chē)底后在車(chē)身尾端以幾乎平行的角度流出，在車(chē)尾處形成漩渦，導(dǎo)致車(chē)尾處形成負(fù)壓區(qū)。圖 5（b）（c）（d）中，上側(cè)氣流流過(guò)車(chē)頂后由擾流器引導(dǎo)向上，下側(cè)氣流由引流板引導(dǎo)向上，擾流器的存在延遲了車(chē)身上方和車(chē)身下方兩股氣流在車(chē)尾處的平穩(wěn)匯合。同時(shí)還可以觀察到在車(chē)尾處擾流器下方存在一個(gè)較大的漩渦，導(dǎo)致車(chē)尾處擾流器下方形成負(fù)壓區(qū)，正是由于該負(fù)壓區(qū)的存在降低了汽車(chē)的升力系數(shù)，增大了汽車(chē)的抓地性能[8-11]，并且擾流器的角度越大，擾流器下方的漩渦越大，即升力系數(shù)越小。

圖5 中間對(duì)稱面的速度矢量圖

計(jì)算域中間對(duì)稱面的壓力云圖，如圖 6所示。圖6（a）中的原車(chē)模型，受到向上的升力，高速行駛時(shí)，汽車(chē)的行駛穩(wěn)定性差，圖6（d）的底部存在大面積的負(fù)壓區(qū)，而車(chē)身上部負(fù)壓區(qū)較小，擾流器處甚至存在正壓區(qū)，車(chē)身上部壓力大于車(chē)身下部壓力，因此在高速行駛時(shí)可以保證汽車(chē)具有較好的行駛穩(wěn)定性。

圖6 中間對(duì)稱面的壓力云圖

4 結(jié)論

對(duì)某型跑車(chē)原車(chē)及加裝三種不同角度擾流器后的模型進(jìn)行升力系數(shù)的仿真分析，得到以下結(jié)論：

（1）原始跑車(chē)模型的升力系數(shù)為正，高速行駛時(shí)跑車(chē)的穩(wěn)定性較差，加裝擾流器的跑車(chē)模型升力系數(shù)為負(fù)，高速行駛時(shí)，具有較好的抓地性能，保證汽車(chē)高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性。

（2）不同角度的擾流器對(duì)整車(chē)的升力系數(shù)會(huì)產(chǎn)生不同的影響，擾流器的存在延遲了兩股氣流在車(chē)尾處的平穩(wěn)匯合，導(dǎo)致車(chē)尾處擾流器下方形成負(fù)壓區(qū)，降低了車(chē)的升力系數(shù)。擾流器的角度越大，升力系數(shù)越小，抓地性能越好。