張永勤

（蘭州石化職業(yè)技術大學 汽車工程學院，甘肅 蘭州 730060）

汽車在行駛過程中，會與周圍空氣產生相對運動，形成對流。汽車行駛速度越快，該氣流對汽車造成的影響越大，汽車動力性及燃油經濟性問題凸顯。故汽車的設計過程必須考慮空氣對汽車的作用，研究其對汽車性能的影響，指導新產品的造型設計結構設計。

隨著高速公路的發(fā)展，汽車的動力特性在汽車行駛過程中占據(jù)主導地位，其對汽車的經濟性、動力性、操縱穩(wěn)定性、行駛噪聲以及關鍵部位的熱狀態(tài)均能造成影響。眾多國內外學者通過實地試驗、數(shù)值模擬以及理論計算對汽車動力特性進行研究，其中汽車外流場分析尤為重要。隨著計算流體力學（Computational Fluid Dynamics, CFD）的快速發(fā)展，流場分析在交通運輸有著廣闊的應用，其主要分析流體流過汽車外表面的流動規(guī)律，此分析會對汽車外形的優(yōu)化設計提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，且相較試驗法更能降低成本。訚耀保等利用Fluent軟件以及計算流體力學對某汽車減壓閥進行了流體分析。張峰等結合三維建模軟件UG和CFD得到了氣動轎車的壓力及尾部速度分布。

本文主要針對某一運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）車型以及房車模型，選擇Workbench建模并利用CFD分析，模擬對比了兩車在同種工況下的壓力、速度以及風場中的湍流動能，為后續(xù)兩車的汽車車型優(yōu)化設計提供參考和可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 SUV及房車的結構與參數(shù)

1.1 分析對象及其結構

本文選擇某一SUV車型及房車簡化三維模型，其結構如圖1所示。整車模型中部件車身為殼單元部件，車身部件采用薄板金屬材料。由于正面碰撞過程損傷破壞部位主要集中在前保險杠和擋風板，故基于建模的復雜性和提高計算效率，建模忽略了發(fā)動機、變速箱、轉向拉桿、擺臂等結構。

圖1 SUV及房車結構圖

1.2 產品工況參數(shù)

在汽車正面撞擊過程中，對整車的耐撞性起主要作用，并在碰撞中發(fā)生大變形的部件大多為薄板鋼材。這些鋼材的應力-應變關系應符合各向同性彈塑性的要求。所以材料的本構關系中應考慮到應變率效應。通常應用C-S應變率模型，該材料的本構關系體現(xiàn)了低碳鋼高塑性變形下的應變率特性，其表達式為

式中，為應變率；、為應變率參數(shù)；初始屈服應力；為有效塑性應變；為等效彈性模量。

本文分析的SUV及房車車況參數(shù)如表1、表2所示，表3、表4為模型材料參數(shù)，其中為密度；為彈性模量；為泊松比；為屈服強度。

表1 SUV車況參數(shù)

表2 房車車況參數(shù)

表3 SUV材料參數(shù)

表4 房車材料參數(shù)

2 三維CFD流場模擬計算理論

CFD理論建立在Navier-Stokes基本控制方程（連續(xù)性方程、動量方程、能量方程）的基礎之上，各方程如下：

連續(xù)性方程

3 流道模型建立及網(wǎng)格劃分

為使模擬更加接近真實值，建立長為30 000 mm、寬6 000 mm、高8 000 mm的風場模型，其三維模型圖如圖2所示。將三維模型導入ANSYS Workbench DM中反向建模生成三維內部流道模型，為了劃分四面體及六面體混合網(wǎng)格，需對流道模型預先進行切分如圖3所示。

圖2 風場模型

圖3 流道模型切分

模型中介質選用空氣，邊界條件施加為速度入口及壓力出口，入口施加介質流速為60 km/h，80 km/h，出口施加靜壓為大氣壓0.103 MPa。以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和標準k-ε雙方程為控制方程組。對流項和湍流方程的離散格式采用high resolution格式?；贑EL對風場進出口質量流量進行監(jiān)測。圖4為模型的網(wǎng)格劃分，SUV及房車附近流道模型復雜劃分四面體網(wǎng)格，局部加密處理以使計算結果更加精確，其余區(qū)域劃分六面體網(wǎng)格，以流量值為目標對網(wǎng)格進行無關性檢驗。

圖4 流道模型網(wǎng)格劃分及進出口示意圖

4 不同工況下穩(wěn)態(tài)流場計算結果分析

通過監(jiān)測壓力和速度等指標對汽車外流場進行可視化分析，將對兩種車型的不同時速下的壓力、速度以及湍流能進行對比研究。

4.1 壓力場分析

圖5為SUV及房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中風場內壓力分布。汽車在行駛過程中車身表面壓強的分布與汽車的外形相關聯(lián)，并對汽車的動力性有直接影響。

圖5 風場壓力分布圖

分析圖5(a)(b)可知，房車頂部和底部區(qū)域壓力分布均勻，大氣壓基本維持在0.1 MPa左右，房車的車頭和尾部壓強梯度較大，且尾部壓力及作用區(qū)域更大。SUV的擋風玻璃和車頭有較大的壓強梯度，且車頭的壓力及作用區(qū)域更大，壓力梯度越大造成的能量損失越大。SUV及房車四周壓力分布不均勻，車前區(qū)域壓力較高，車頂部流線型的設計易使其局部形成低壓區(qū)，以60 km/h行駛的局部最大壓力大于以80 km/h行駛的局部最大壓力。

圖6為SUV分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中SUV壁面壓力分布，分析圖6（a）（b）可知，SUV壁面各處壓力分布不均，車身表面處于表面繞流中，在車頭處，局部壓力最高，這是由于風速與此區(qū)域垂直接觸，所受阻力最大；又由于氣體的接觸，氣流的流動以及能量的交換，致使處于車體迎風面的擋風玻璃壓力較大，產生氣體阻力；同時，由于輪胎旋轉易產生復雜流場造成汽車輪胎處壓力較大。

圖6 SUV壁面上壓力場分布

圖7為房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中壁面壓力分布，分析圖7(a)(b)可知，房車壁面各處壓力分布不均，車頂壓力極小，由于車頭區(qū)域風速與其垂直，車尾處受周圍流場變化的影響，車頭和在車尾區(qū)域壓力均較高。對比SUV頂部的壓力大小，可見車頂流線型的設計有利于減低車頂壁面局部壓力。

圖7 房車壁面壓力場分布

4.2 速度場分析

圖8為SUV及房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中風場內速度場分布，分析圖8(a)(b)可知，在整個流動區(qū)域內速度場分布相對均勻，SUV及房車壁面四周區(qū)域，由于空氣流動遇到阻力使其四周區(qū)域流速較低，特別是SUV尾部空氣流速最低。在整個流域內以60 km/h行駛的局部最大介質流速為28.85 m/s，以80 km/h行駛的局部最大介質流速為38.47 m/s。

圖8 風場速度分布圖

4.3 湍流動能分析

流體的湍流動能是衡量湍流發(fā)展或衰退的指標，圖9為SUV及房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中的湍流動能分布。

圖9 風場中湍流動能分布

分析圖9(a)(b)可知，在整個風場中，SUV及房車局部附近區(qū)域湍流動能發(fā)展充分，特別是SUV尾部及底盤區(qū)域湍流動能發(fā)展最充分，兩車的行駛對整個模擬風場中的影響較小且湍流動能很小。以60 km/h行駛的局部最大湍流動能為4.137 m/s，以80 km/h行駛的局部最大湍流動能為6.677 m/s。

圖10為SUV分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中SUV壁面湍流動能分布。分析圖10(a)(b)可知，SUV尾部、頂部以及底部區(qū)域動能更大，且由于與氣流接觸更加充分，車輪與車頭處的湍流動能達到最大。以60 km/h行駛的局部最大湍流動能為6.182 m/s，以80 km/h行駛的局部最大湍流動能為9.943 m/s。

圖10 SUV壁面湍流動能分布

圖11為SUV分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中房車壁面湍流動能分布。分析圖11(a)(b)可知，由于車輪的運動以及周圍復雜氣流的變化，在房車前偏下一定區(qū)域及車胎區(qū)域附近湍流動能發(fā)展最充分，以60 km/h行駛的局部最大湍流動能為1.837 m/s，以80 km/h行駛的局部最大湍流動能為3.061 3 m/s。由于房車跟隨在SUV后，SUV阻擋了一定的空氣流速，因此，其局部區(qū)最大湍流動能相比SUV偏低。

圖11 房車壁面湍流動能分布

5 結論

通過ANSYS Workbench建模和CFD模擬軟件計算，分析SUV及房車的流場可得出，在SUV與房車前后及頂部一定區(qū)域內，壓力、速度、湍流動能分布均勻，SUV及房車壁面車頭及車尾處有壓力集中現(xiàn)象，其附近壓力、速度、湍流動能分布相差較大。兩種不同速度（60 km/h、80 km/h）行駛工況下流場內各參數(shù)值分布規(guī)律在整個流域的分布區(qū)域大致相同，SUV以60 km/h行駛時的最大湍流動能為6.182 m/s，80 km/h時最大湍流動能為9.943 m/s；房車以60 km/h行駛時的最大湍流動能為1.837 m/s，80 km/h時最大湍流動能為3.061 3 m/s。以60 km/h行駛流場內的壓力、速度、湍流動能整體小于以80 km/h行駛流場內的壓力、速度、湍流動能。