基于不同外形參數(shù)模型的汽車外流場仿真

杜子學，張 杰

(重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶400074)

近代汽車設計分析的建模過程通常是CAD和CAE相互獨立起來的，首先運用CAD技術建立幾何模型，然后將所建的模型導入有限元分析軟件中進行網格劃分、材料屬性定義、邊界定義與加載，最后求解和后處理分析。通過對仿真結果的分析研究，再對CAD模型進行設計優(yōu)化，改善其力學性能，提高其經濟效益。但對需優(yōu)化的模型，若改變其中一個尺寸就需重新建立新的模型，重復的工作帶來不少的麻煩。隨著計算機集成技術的發(fā)展，為了進一步的縮短設計周期，更靈活地針對影響分析性能的特征參數(shù)進行修改達到快速建模分析的目的?；趨?shù)化建模技術被提出并得到發(fā)展運用。參數(shù)化建模技術利用基于特征的CAD技術建立全參數(shù)化驅動的三維模型，并以此為基礎，對整體設計和部件進行有限元分析。

在此基礎上，筆者運用三維建模軟件建立某型汽車的幾何模型，并基于其知識工程模塊提取影響其空氣動力學特性的一組功能參數(shù)前風窗角(FWW)、后風窗角(BWW)、接近角(AFA)、離去角(DRA)，通過改變這些參數(shù)得到8種不同的汽車模型。將得到的參數(shù)化模型進行網格劃分然后導入計算流體力學軟件Star-ccm+對其進行空氣動力學模擬分析。模擬出不同參數(shù)模型下的阻力系數(shù)和升力系數(shù)，并分析不同參數(shù)模型下對汽車氣動性能影響。但由于汽車表面外形曲率多變化，結構的復雜性，為了保證其完整的幾何拓撲關系，對汽車外形做了許多的簡化工作。在參數(shù)設置時，每組參數(shù)的數(shù)值變動相對較小，在此謹做一次嘗試性試驗。

1 模型的建立

1.1 幾何模型設計分析

參照某型汽車的車身外形，對其進行幾何簡化后將汽車的尺寸參數(shù)進行分類，分為1級尺寸、2級尺寸和3級尺寸。1級尺寸是汽車必備的基本尺寸，大致列為總長、總寬、總高、軸距、輪距和輪胎直徑;2級尺寸是為目前已設計成熟的部件尺寸，也是本模型中不作單獨設計的影響汽車空氣動力學特性的尺寸，大致列為發(fā)動機罩長、發(fā)動機罩上端距地面高度、發(fā)動機罩寬、頂蓋上繞縱向跨度、側面?zhèn)葍A橫向跨度、側面外鼓距離等;3級尺寸為本模型單獨設計的影響汽車空氣動力學特性的尺寸。分別是前風窗角(FWW，即前風窗弦線與水平線的夾角)、后風窗角(BWW，即后風窗弦線與水平線的夾角)、接近角(AFA，即從汽車前部下端引向前輪胎胎面的切面與地面之間的最小夾角)、離去角(DRA，即從汽車后部下端引向后輪胎胎面的切面與地面之間的最小夾角)。提取這些參數(shù)，以期達到改變某一個參數(shù)或同時改變某幾個參數(shù)生成不同汽車模型的目的。具體參數(shù)設計草圖如圖1，從圖中可清晰看出3級尺寸參數(shù)的位置。

圖1 3級尺寸參數(shù)設計草圖Fig.1 Parametric sketch of three dimension

所建模型的部分參數(shù)。1級尺寸:總長La=4 600 mm，總寬Wa=1 400 mm，總高Ha=1 620 mm，前后輪胎軸距Lb=2 800 mm，輪胎直徑520 mm;2級尺寸:發(fā)動機罩的總長9 000 mm，C點坐標(1 200，1 000)、D 點坐標(1 200，3 800);3 級尺寸(即影響汽車空氣動力特性外形參數(shù)):前風窗夾角，后風窗夾角，接近角以及離去角，設計的8種模型的具體參數(shù)值如表1。

表1 8種模型參數(shù)Tab.1 Parameters of eight models

8種參數(shù)下的模型如圖2，通過改變一個參數(shù)或同時改變幾個參數(shù)CAD模型分別呈現(xiàn)出了不同的變化。由于在建模的過程中作了一些簡化處理，大致描繪出了汽車的基本外形輪廓。

圖2 8種參數(shù)下的汽車模型Fig.2 Car models of eight parameters

1.2 網格模型建立

因前方來流相對于車體縱向對稱面并無氣流偏角且兼顧節(jié)省內存耗用時間，故選取計算區(qū)域縱向對稱的一半為計算對象。通過對CAD模型進行網格劃分，網格重構，局部加密以及Trim體網格的生成，各組模型下的面網格數(shù)量在91×105左右，體網格數(shù)量在281×105左右。體網格模型如圖3。

圖3 汽車外流場Trim體網格Fig.3 Trim mesh of car external flow field

2 計算條件設定

本次在Star-ccm+中進行風洞仿真模擬有2大特點:①基于某一參數(shù)的改變，通過某一局部參數(shù)的改變，對汽車外流場的影響的顯著性是有限的，因此在檢測的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和行駛阻力時，保留了相對多的有效數(shù)字位數(shù)，以便于分析對比;②計算時所采取的湍流模型是SST κ-O模型，這一模型由湍動能κ和湍流脈動渦量的均方值O表征的二方程湍流模型。

2.1 計算理論基礎

氣流流動要受到物理守恒定律的支配，而基本的守恒定律有質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律?？刂品匠虅t是對這些守恒定律的數(shù)學描述，基本的控制方程包括:質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。模擬汽車外部流場的運動狀況除了這些基本方程外，湍流模型的選擇對于數(shù)值模擬汽車外流場的精度影響很大。針對湍流模型的選擇上，本次模擬在使用標準κ-ε模型基礎上，又添加κ-O模型，組成雙方程SST湍流模型。κ-O模型的控制方程如式(1)、式(2)。

湍動能κ方程表示為:

SST湍流模型是由κ-ε模型和κ-O模型組合推導得出的雙方程模型，組合后的雙方程會在近壁面區(qū)采用κ-O模型而在遠壁面區(qū)采用κ-ε模型，從而避免了來流微小擾動對模擬計算的影響。SST κ-O模型適用于低雷諾數(shù)下的近壁區(qū)處理，能適應壓力梯度變化的各種物理現(xiàn)象，可應用于黏性內層，通過壁函數(shù)的應用，精確地模擬邊界層的現(xiàn)象，無需使用較容易失真的黏性衰減函數(shù)，且能大范圍捕捉近壁區(qū)之外的分離流動，適用于分析汽車外部流場。

2.2 邊界條件設定

為了保證相對較高的計算精度和較好的對比性并考慮到現(xiàn)有硬件設備的局限性，本次模擬所采用的計算域分別設置為車前端為3倍車長，車后端為6倍車長，側面為3倍車寬，高為3倍車高。設置6層邊界層，邊界層厚度為0.6 mm。汽車外流場CFD模擬的邊界條件主要包括進口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件和對稱面邊界條件等。因為計算過程中未考慮側向風和溫度的影響，進口為速度進口，模擬百公里時的工況，出口為壓力出口，采用一個大氣壓。

3 結果分析與比較

3.1 風阻系數(shù)和升力系數(shù)

對每種參數(shù)模型下進行汽車外流場仿真模擬，并監(jiān)測其風阻系數(shù)Cd、升力系數(shù)Cl，如圖4。

對照原設計參數(shù)，分析更改參數(shù)之后的Cd、Cl值的變化情況。從圖4可以看出:

圖4 Cd、Cl曲線圖Fig.4 Curves of Cd ＆ Cl

1)參數(shù)2在原設計模型基礎上增大前風窗角，理論上風窗玻璃縱向曲率越大越好，但不宜過大，否則導致工藝難實現(xiàn)、視覺失真、影響刮雨器的刮掃效果。前風窗玻璃的橫向曲率均有利于減小氣動阻力。前風擋玻璃的傾斜角度(與垂直面的夾角)越大，氣動升力系數(shù)略有增加。這組數(shù)據(jù)的改變較之原設計參數(shù)Cd值減少、Cl值增加，符合這一理論。

2)參數(shù)3改變后風窗角的大小，后風窗斜度(后風窗弦線與水平線的夾角)增大，阻力系數(shù)較之原設計模型有所降低，升力系數(shù)有所提高。

3)參數(shù)4只是在原模型的基礎上減少了接近角的度數(shù)，接近角度數(shù)的減少直接造成車頭頭緣的最大離地間隙變小，則引起的氣動升力減小，甚至可以產生負升力。這里的升力值(0.067)較其他參數(shù)下的明顯減少，印證了這一理論。

4)參數(shù)5只增大汽車離去角，氣動升力減小。3組優(yōu)化參數(shù)的設定，也相應得出不同的阻力系數(shù)和升力系數(shù)值。

3.2 流場特性

阻力系數(shù)和升力系數(shù)的變化，反應出不同參數(shù)模型下對氣動性能的影響情況。在后處理中，還監(jiān)測了車身表面的速度矢量圖(圖5)，通過直觀的視圖效果分析流場特性。

從圖5中可以看出，通過對這些參數(shù)進行小幅度的改變，在汽車前風窗和尾部的流體在不同模型下發(fā)生了一些改變。從圖5(b)參數(shù)2模型上可以看出增大前風窗角，汽車頂部的氣流分離加劇，速度增大;從圖5(c)參數(shù)3模型上可以看出后風窗角增大，導致氣流在后風窗后的滯留量增大，造成前方氣流不利于向后順利流動;從圖5(d)參數(shù)4模型上可以看出增大接近角，會影響到前方來流進入汽車底板的通量，大量氣流進入底板，造成升力系數(shù)上升。圖5(e)參數(shù)5模型增大了離去角，車尾最大離地間隙越大，車尾底部的流線越不明顯。3組優(yōu)化參數(shù)的設計在汽車尾流出產生了各自不同的氣流狀況。圖5(f)參數(shù)6模型上的尾部下壓和上卷氣流比較均衡。圖5(g)參數(shù)7模型上，尾部下壓氣流明顯增多，上卷氣流減少，造成升力值增大。圖5(h)參數(shù)8模型下的下壓氣流相對5(f)參數(shù)7模型要小些，因此升力值也相應減少些。

圖5 車身表面速度矢量圖Fig.5 Velocity vectors of body surface

4 結語

根據(jù)分析可以得出以下結論:

1)汽車前端前凸且高不僅會產生較大的阻力而且還將會在車頭上部形成較大的局部負升力區(qū)。

2)具有較大傾斜角度的車頭可以達到減小氣動升力乃至產生負升力的效果。

3)后風窗斜度(后風窗弦線與水平線的夾角)對氣動阻力影響較大，對斜背式轎車，斜度等于30°時，阻力系數(shù)最大;斜度小于30°時，阻力系數(shù)較小。

4)車尾部最大離地間隙越小，車尾底部的流線越明顯，則氣動升力越大。

本文分析過程雖然在CAD模型的改變上省去了很多重復的工作，但在Star-ccm+進行外流場分析時仍然是耗費了大量的時間用在重復的分析流程上。因此，后續(xù)的研究工作可將這一流程自動化，以基于影響空力學的參數(shù)對Star-ccm+進行二次開發(fā)，設計一個計算平臺，通過輸入不同的參數(shù)，得到不同的分析結果。尤其是在分情況進行不同參數(shù)的比較論證中，二次開發(fā)這種減少重復工作的優(yōu)點體現(xiàn)得更為明顯。這是對CAD、CAE、CFD集成技術的一個挑戰(zhàn)，必將成為快速設計的發(fā)展趨勢。

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