基于STAR-CCM+的某汽車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬

覃 群，黎仕增,3，吳春玲，黃森仁

QIN Qun1, LI Shi-zeng1,3, WU Chun-ling2, HUANG Sen-ren2

（1.廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530007；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300162；3.廣西大學(xué)，南寧 530004）

0 引言

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）是一門通過(guò)將時(shí)間離散為時(shí)刻[1]，將空間離散為網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，把物理變量離散到網(wǎng)格點(diǎn)上，進(jìn)而得到離散形式的流體力學(xué)基本方程，通過(guò)計(jì)算機(jī)求解得到其近似數(shù)值解，來(lái)研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。在過(guò)去的幾十年中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)被越來(lái)越多的應(yīng)用到了汽車設(shè)計(jì)中。

整車氣動(dòng)性能是汽車空氣動(dòng)力學(xué)的核心問(wèn)題[2]，在造型階段，氣動(dòng)性能主要關(guān)注車輛的阻力系數(shù)。它是汽車（特別是乘用車）最重要的參數(shù)之一，對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性等都有著及其重要的影響。當(dāng)車速達(dá)到100km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)約80%的動(dòng)力用來(lái)克服氣動(dòng)阻力，假如整車空氣動(dòng)力學(xué)性能提高10%，油耗就可降低4%～5%。

汽車外流場(chǎng)屬于不可壓空氣的鈍體繞流，流動(dòng)尺度跨度大，各局部的流動(dòng)特征差異大，尾部和底部的流場(chǎng)十分復(fù)雜，局部的非定常性很強(qiáng)。汽車空氣動(dòng)力學(xué)與航空空氣動(dòng)力學(xué)有很大的不同[3]，在航空空氣動(dòng)力學(xué)中各個(gè)部件可以相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行研究，各部件間的相互作用也可以進(jìn)行系統(tǒng)地評(píng)估；而汽車外流場(chǎng)則不同，必須從整體進(jìn)行考慮，且在汽車的氣動(dòng)性能達(dá)到一定程度后，就很難通過(guò)對(duì)各個(gè)局部的分別優(yōu)化使其氣動(dòng)特性再有較大幅度的提高。所以，如何在造型階段控制整車阻力系數(shù)是整車氣動(dòng)性能開(kāi)發(fā)工作中的重中之重。

__汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究主要有兩種方法[4]：一種是進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，另一種是利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。傳統(tǒng)的汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究是在風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，存在著費(fèi)用昂貴、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等問(wèn)題。另外，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時(shí)，只能在有限個(gè)截面和其上有限個(gè)點(diǎn)處測(cè)得速度、壓力和溫度值，而不可能獲得整車流場(chǎng)中任意點(diǎn)的詳細(xì)信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，汽車外流場(chǎng)的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真由于其具有可再現(xiàn)性、周期短以及低成本等優(yōu)越性而成為研究汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能的另一種有效方法[5]。

1 CFD建模分析

1.1 整車氣動(dòng)性能分析簡(jiǎn)介

流體力學(xué)有以下三個(gè)基本方程[6]，分別為：

通常，在計(jì)算整車的氣動(dòng)性能時(shí)，只求解前兩個(gè)方程，而不考慮能量方程。當(dāng)車速為120km/h時(shí)，馬赫數(shù)約為0.1，在整車相關(guān)的流動(dòng)現(xiàn)象中，絕大多數(shù)情況下馬赫數(shù)小于0.3，流體可視為不可壓縮。整車的啟動(dòng)性能參數(shù)有阻力系數(shù)Cd，升力系數(shù)Cl。

1.2 網(wǎng)格模型

對(duì)汽車外流場(chǎng)進(jìn)行仿真，首先是車身模型的建立和簡(jiǎn)化處理：省略了進(jìn)氣格柵、后視鏡、雨刮器、前輪輪罩、車燈、門把手、后視鏡等；同時(shí)，還要對(duì)底部作平整覆蓋，最終形成封閉幾何模型。這些改變對(duì)流場(chǎng)總體特性并沒(méi)有太大的影響，卻能提高計(jì)算的經(jīng)濟(jì)性。

在對(duì)汽車外流場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí)，其模擬風(fēng)洞要滿足以下條件：車前3倍車長(zhǎng)，車后5倍車長(zhǎng)，左右各5倍車寬，高度為5倍車高，汽車的流場(chǎng)就不再受計(jì)算域大小的限制，不會(huì)出現(xiàn)堵塞效應(yīng)。本案例中設(shè)定計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)55m，寬20m，高15m。在原始UG模型上，把車身幾何模型文件的igs格式轉(zhuǎn)化成stl格式，導(dǎo)入STAR-CCM+中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個(gè)數(shù)模應(yīng)用STAR-CCM+軟件的包面功能生成面網(wǎng)格，指定網(wǎng)格尺寸和邊界層厚度，直接生成體網(wǎng)格。

因?yàn)檐嚿淼膸缀涡螤顝?fù)雜，整個(gè)外流求解域大，網(wǎng)格數(shù)目多，通過(guò)體積源項(xiàng)(Volume Source)進(jìn)行局部體網(wǎng)格加密，捕捉細(xì)節(jié)，這樣既能保持計(jì)算的精度、提高計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性，又能控制網(wǎng)格的總體數(shù)量，節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

對(duì)整個(gè)求解域進(jìn)行分區(qū)，車身周圍較近的求解域?yàn)閮?nèi)部區(qū)域，其余的為外部區(qū)域。離車身近的區(qū)域網(wǎng)格劃分比較密，同時(shí)對(duì)車身以及車身底部地面附近的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，使之能夠清楚的表現(xiàn)車身表面附近和地面邊界層附近的細(xì)致情況。而遠(yuǎn)離車身的區(qū)域，網(wǎng)格逐漸變得較稀疏。最終總計(jì)生成網(wǎng)格數(shù)約500萬(wàn)，如圖1（a）所示。

圖1 計(jì)算域局部加密后的網(wǎng)絡(luò)模型

圖1（b）中顯示出最終生成的體網(wǎng)格為切割體網(wǎng)格，在車身轉(zhuǎn)折處生成致密的網(wǎng)格，并依計(jì)算區(qū)域離車身遠(yuǎn)近，網(wǎng)格逐漸稀疏，網(wǎng)格質(zhì)量檢查表明完全滿足計(jì)算要求。

1.3 邊界條件的設(shè)定

汽車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬是在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，因此在區(qū)域的邊界上需要給定邊界條件[8]。汽車外流場(chǎng)的邊界條件設(shè)置如下：取遠(yuǎn)端來(lái)流方向的端面為入口邊界，氣流速度為車速；車身后遠(yuǎn)端端面為出口邊界，壓強(qiáng)為0Pa（相對(duì)于大氣壓），其余各變量分量梯度為0；車身表面為固定邊界，各方向速度均為0；假設(shè)汽車行駛的工況為在靜止的空氣中（無(wú)風(fēng)條件下）、平直的路面上等速直線運(yùn)動(dòng)，這樣，汽車與地面、汽車與空氣的相對(duì)速度均為汽車行駛速度，此處采用了移動(dòng)地面的做法，以消除地面附面層的影響。

物理模型的設(shè)定：采用分離解算器，選用K-Omega湍流模型和雷諾平均湍動(dòng)模型（Reynold-Averaged Turbulence）。

1.4 計(jì)算結(jié)果分析

在本案例的計(jì)算中選取速度為變化量，分別設(shè)定速度為30km/h、50km/h、80km/h、100km/h，在某16核CPU工作站經(jīng)歷計(jì)算1小時(shí)后，計(jì)算收斂，經(jīng)處理計(jì)算和作圖后以備分析。

依據(jù)汽車阻力系數(shù)和升力系數(shù)的定義[9]：

其中：F為空氣阻力，ρ為空氣密度，V為汽車速度，A為車身正投影面積。當(dāng)速度為100km/h時(shí)，Cd=0.352，與實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Cd=0.334相比，相差5.1%，基本吻合，可達(dá)到分析精度要求。其它各速度下模擬值和試驗(yàn)值對(duì)比如圖2所示：

圖2 風(fēng)阻系數(shù)Cd模擬值和試驗(yàn)值的對(duì)比

圖3為車身縱向?qū)ΨQ面壓力云圖。從圖中可以看出，壓力云大體上可分為四部分：壓力最大的部分是車頭正面部分，主要的正壓力均出現(xiàn)在該處，這說(shuō)明車身的主要阻力主要來(lái)自于車頭部分；車頭頂部和底部出現(xiàn)小部分負(fù)壓，但面積較小，主要是由于車頭擠壓空氣后，在該處形成兩處小的渦流真空；車尾部大部分工況下是負(fù)壓存在的，基本上整個(gè)車身尾部均處于負(fù)壓的范圍內(nèi)，且壓力變化不是很劇烈；尾渦區(qū)的壓力梯度變化較小，會(huì)減少尾渦區(qū)域的影響范圍，減小阻力。

汽車前部壓力比較大，而后部存在負(fù)壓，其前后的壓力差造成了汽車的壓差阻力，這部分阻力占總阻力的絕大部分。要想降低汽車的氣動(dòng)阻力，必須設(shè)法使尾部的壓力升高，以此降低壓差阻力。

圖3 計(jì)算域縱向?qū)ΨQ面壓力云圖

圖4是汽車行駛過(guò)程中，其對(duì)稱面上的流速矢量圖。從圖中可以看出，在各個(gè)車速下，大部分流場(chǎng)均以層流的形式出現(xiàn)，而車身尾部出現(xiàn)了較大的渦流。

圖4 對(duì)稱面流速矢量場(chǎng)分布圖

圖5為汽車縱向中心對(duì)稱面的流態(tài)。根據(jù)定義可知，流線的切線方向即是質(zhì)點(diǎn)速度的矢量方向。通過(guò)流態(tài)分析，可以理解重要的流動(dòng)過(guò)程。從圖中可以看出各流線之間不是等間距，而各流線之間間距的差異，表明了升力的來(lái)源：間距近，則其流速高，靜壓低，產(chǎn)生與汽車行駛方向垂直的縱向力（升力），趨于將汽車提起、從而減小有效載荷；隨之產(chǎn)生的俯仰力矩，則造成前后軸荷的轉(zhuǎn)移。

圖5 車身縱向流線圖

2 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)大力提倡自主創(chuàng)新、自主研發(fā)的背景下，汽車行業(yè)新車開(kāi)發(fā)項(xiàng)目越來(lái)越多。在新車開(kāi)發(fā)中，用CFD的方法對(duì)整車外形進(jìn)行氣動(dòng)力學(xué)的分析已經(jīng)成為整車開(kāi)發(fā)前期對(duì)氣動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)估的有效手段之一。

1）分析說(shuō)明，在新車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)汽車外流場(chǎng)進(jìn)行建模和仿真模擬，是一種對(duì)其進(jìn)行氣動(dòng)性能分析快速有效的方法。

2）車身周圍的壓強(qiáng)分布，很大程度上決定了汽車所遭受的壓差阻力，這部分阻力占汽車總阻力的主要部分。設(shè)法升高汽車尾部的壓力，或者減少汽車頭部的壓力，都將有助于降低壓差阻力。

3）車身流線分布是一種造型設(shè)計(jì)有效的分析手段，應(yīng)該合理設(shè)計(jì)車型，控制尾渦的形成強(qiáng)度。

[1] 黃向東.汽車空氣動(dòng)力學(xué)與車身造型[M],北京:人民交通出版社,1999.

[2] 謝金法.三維湍流轎車外流場(chǎng)數(shù)值模擬[D].吉林:吉林工業(yè)大學(xué),2000.

[3] 傅立敏.汽車空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[4] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M],北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[5] Kataoka T,China H.Numerical Simulation of Road Vehicle Aerodynamics and Effect of Aerodynamic Devices.SAE910597.

[6] 谷正氣,姜樂(lè)華,吳軍,方剛.汽車?yán)@流的數(shù)值分析及計(jì)算機(jī)模擬[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2000.

[7] Wagner B,Schmidt W.Computation of Automobile Aerodynamics by Use of Numerical Methods Developed in Aerodynamics Industry.SAE 870716.

[8] 喬軍平.轎車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬[D].北京:北京航天航空大學(xué),2004.

[9] A.P.Gaylard,A.J.Baxendale etc,The Use of CFD to Predict the Aerodynamic Charateristics of Simple Automotive Shape, SAE 980036.