流線型轎車外流場的數(shù)值模擬

許建民， 易際明， 趙 軍， 丁 濤

(廈門理工學(xué)院機械工程系， 福建 廈門 361024)

0 前 言

汽車空氣阻力主要由壓差阻力、內(nèi)流阻力、誘導(dǎo)阻力和摩擦阻力等構(gòu)成.壓差阻力對空氣阻力影響最大，約占85%.要減小汽車的空氣阻力，必須對汽車的空氣動力學(xué)特性進行較為詳細的研究.汽車的空氣動力學(xué)性對汽車行駛的動力性、燃油經(jīng)濟性和操縱穩(wěn)定性有非常重要的影響.與風(fēng)洞試驗法相比，運用計算流體動力學(xué)(CFD)方法研究汽車行駛中的外流場周期短、費用低，因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用.CFD方法對于預(yù)測和改進汽車的氣動性能、指導(dǎo)汽車產(chǎn)品設(shè)計具有重要意義.用CFD技術(shù)研究汽車流場不僅費用低、周期短，而且對流體運動的認識在某種意義上比實驗更深刻、更細致，不僅可以了解運動的結(jié)果，而且可以了解整體的與局部的細致過程，因此越來越受到了人們的重視[1-4].

1 流動數(shù)學(xué)模型[5]

1.1 流動控制方程

任何流體運動的動力學(xué)都是由質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律所確定的，由它們可以分別導(dǎo)出連續(xù)性方程、動量方程和能量方程.即N-S方程組.對穩(wěn)定可壓多維流動，有以下雷諾平均的質(zhì)量、動量恒方程：

(1)

(2)

其中si為源項，這里表示催化器載體阻力；τij為應(yīng)力張量，對牛頓流有：

(3)

(4)

1.2 湍流模型

采用標準的κ-ε模型計算雷諾應(yīng)力來封閉上述流動控制方程，即有：

(5)

式中μt為湍流粘性系數(shù)，由下式給出：

(6)

κ、ε分別為湍動能和湍能耗散率，它們的輸運控制方程為：

(7)

(8)

式中，μeff=μ+μt；cμ、σk、σε、cε1、cε2和cε4各項經(jīng)驗系數(shù)按表1確定.

表1 經(jīng)驗系數(shù)

2 計算結(jié)果分析

2.1 計算模型的建立及網(wǎng)格劃分

汽車外流場數(shù)值模擬是一個非常復(fù)雜的過程，它包括很多方面的內(nèi)容，如幾何物理模型的準確性、網(wǎng)格系統(tǒng)的質(zhì)量、湍流模型的選取、差分格式的構(gòu)造、邊界條件的添加等.在不改變流體軌跡整體走向的情況下，將幾何模型進行了合理的簡化,如車燈、后視鏡、門把手凹陷處等部件,并以平整面替換車底的真實凸凹形狀.流線型汽車三維模型如圖1所示.

圖1 流線型汽車的三維模型圖

首先利用三維軟件UG建立流線型汽車模型，導(dǎo)入CFD軟件Fluent的前處理軟件Gambit，建立數(shù)值模擬計算域空間后進行網(wǎng)格化.網(wǎng)格力求簡單，便于求解，網(wǎng)格復(fù)雜時則可能導(dǎo)致求解不精確甚至不穩(wěn)定.計算網(wǎng)格的劃分是數(shù)值模擬過程中最為耗時的部分，同時網(wǎng)格的質(zhì)量在很大程度上決定了數(shù)值模擬結(jié)果的精確程度甚至數(shù)值模擬能否收斂.在本次數(shù)值模擬中，為了實現(xiàn)對網(wǎng)格的疏密控制，對每一條控制線單獨進行一維的網(wǎng)格劃分，再對各個面和體用手動劃分和自動劃分相結(jié)合進行網(wǎng)格劃分.轎車的外流場計算區(qū)域劃分單元總數(shù)最終為364 097.計算區(qū)域?qū)ΨQ面網(wǎng)格圖如圖2所示.根據(jù)經(jīng)驗，流場仿真計算所取的計算域到達一定的大小時，汽車的流場就不再受計算域大小的限制.假設(shè)汽車模型長為L，寬為W，高為H，則計算域的取法為汽車前部取3L，側(cè)面取4W，上部取4H，汽車后部取6L.風(fēng)洞模型網(wǎng)格圖如圖3所示.

2.2 邊界條件設(shè)定

在Fluent中選擇3D求解器.計算區(qū)域入口處的邊界條件為V=50 m/s((對應(yīng)雷諾數(shù)為8.6×105),出口處的邊界條件給定壓力邊界條件, 即出口相對于遠方流處的壓力為0.通道壁面、地面和車身表面均為無滑動墻面.流動能K取0.024, 流耗散率取0.01.

2.3 計算結(jié)果分析

通過計算模擬, 可以得出流線型汽車模型的外圍流場情況, 包括任意截面上的流速矢量圖和壓力分布圖.通過表面積分計算可得出氣動力的6個分量，并且可以得到汽車模型的阻力系數(shù)和升力系數(shù)等空氣動力特征參數(shù).圖4為汽車模型對稱面上的壓力分布云圖.圖5為車身表面壓力分布云圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)流線型汽車模型的前部表面壓力最大，為1 950 Pa，車身正向迎風(fēng)面基本處在范圍在600～1 950 Pa的正壓區(qū)，因為氣流在汽車前部受到了很大的阻礙.另外發(fā)動機罩與前風(fēng)擋玻璃的轉(zhuǎn)折處也出現(xiàn)了一個比較大的正壓區(qū)，壓力為589 Pa，因為氣流在此處形成了較強的渦流.車身頂部出現(xiàn)了非常明顯的負壓區(qū)，負壓最大值為-2 420 Pa，汽車底部的壓力處在-1 260～-1 337 Pa的范圍，汽車底部與汽車頂部的壓力差形成升力.流線型汽車模型尾部的壓力值在450 Pa左右，它和汽車前部表面壓力之差即為壓差阻力.這部分阻力占總阻力的主要部分，要想降低汽車的氣動阻力，必須設(shè)法使尾部的壓力升高，以此降低壓差阻力.

圖2 計算區(qū)域?qū)ΨQ面網(wǎng)格圖 圖3 風(fēng)洞模型網(wǎng)格圖

圖4 對稱面上的壓力分布云圖 圖5 車身表面的壓力分布云圖

圖6為流線型汽車模型對稱面上的氣流速度分布云圖.圖7為流線型汽車模型對稱面上的速度矢量圖.

圖6 對稱面上的氣流速度分布云圖 圖7 對稱面上的速度矢量圖

從圖6中可以看出汽車前部和汽車尾部氣流速度均接近于零.汽車頂部的氣流速度值最大，汽車底部氣流速度值也比較大，但是比頂部氣流速度要小.在擋風(fēng)玻璃和發(fā)動機罩的轉(zhuǎn)折處氣流速度較小，因為氣流受到了擋風(fēng)玻璃的阻擋.從圖7可以看出，遠方來流首先遇到汽車頭部頂點，在此處，氣流大量阻塞，來流速度變?yōu)榱?，形成了一個比較大的阻滯區(qū).然后氣流分成上下兩部分，一部分流向車頂，一部分流向車底部.上部氣流在車發(fā)動機蓋前緣開始提速，但很快受到擋風(fēng)玻璃的阻擋形成了一個小的阻滯區(qū)，然后又不斷加速，到前風(fēng)窗后緣與頂蓋前緣的交界處達到最大值，之后氣流速度下降，但是維持在一個比較大的數(shù)值上.頂蓋附近氣流經(jīng)過后風(fēng)窗上時，由于后風(fēng)窗傾斜度及表面曲率較大，導(dǎo)致逆壓梯度過大，因而使氣流很快發(fā)生了分離，同時在尾部形成了一個渦流區(qū).在車尾部有負的速率分布區(qū)，即回流區(qū).本車身流線清晰、穩(wěn)定、層次分明，這說明本車外流場層流多、湍流較少，此車的整體氣動造型較為成功.汽車前部與頂部的流場比較穩(wěn)定，但是在尾部還是發(fā)生了氣流分離，形成了一個湍流區(qū).經(jīng)過計算得出該模型的阻力系數(shù)為0.28，升力系數(shù)為-0.035.

3 結(jié) 論

(1)汽車前部的正壓和汽車尾部形成的負壓之差就是壓差阻力，氣流分離形成渦流是產(chǎn)生壓差阻力的主要原因,減小氣流分離是減小阻力的主要手段.

(2)汽車車身上表面和汽車底部的壓力之差形成了汽車升力.

(3)利用CFD方法研究汽車的空氣動力學(xué)特性可以為優(yōu)化汽車的氣動特性提供理論和直觀依據(jù).

參考文獻

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[2] 趙又群,張 群.高速轎車車身前部外流場數(shù)值模擬[J]. 中國機械工程,2007, 18(15):1 886-1 889.

[3] 嚴 鵬,吳光強,傅立敏,等.轎車外流場數(shù)值模擬[J].同濟大學(xué)學(xué)報,2003,31(9):1 082-1 086.

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