某車型外流場特性的數(shù)值仿真研究

饒紫微 喬維高 楊 松 司豪杰

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心 武漢 430070）

0 引 言

目前，針對汽車空氣動力學(xué)的研究方法主要有風(fēng)洞試驗(yàn)方法和計算流體動力學(xué)仿真方法.風(fēng)洞試驗(yàn)存在費(fèi)用高、周期長等問題.隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值仿真技術(shù)的進(jìn)步，仿真技術(shù)在低成本、周期短、結(jié)果可視化方面的優(yōu)點(diǎn)更加突出，逐漸成為研究汽車外流場空氣動力學(xué)特性的一種有效手段［1］.

國內(nèi)進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，逐步開始進(jìn)行汽車外流場的數(shù)值模擬研究，起初主要對壓力場、速度場等進(jìn)行分析，隨著研究的深入，在外流場壓力脈動、氣動噪聲方面也做了大量的研究工作［2］.本文建立了某車型的三維幾何模型，采用有限體積法進(jìn)行了該車型外流場的仿真計算，對流線、速度、壓力、聲功率級噪聲等參數(shù)的分布特性進(jìn)行研究分析.

1 仿真模型

某車型的三維幾何模型見圖1，為了提高仿真的效率，對于汽車外流場整體特性影響不大的部件做了簡化處理，如省略了格柵、雨刷、后視鏡、車燈等部件.汽車外圍流場空間的選取以不出現(xiàn)阻塞效應(yīng)為準(zhǔn)［3］，車前距離為2倍車長，車后距離為6倍車長，車左右距離為5倍車長，高度為3倍車長，地面與車輪留有很小間隙.

圖1 某車型三維圖

由于整個流體計算域空間較大，車身曲面比較復(fù)雜，為了兼顧仿真計算的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，采用分區(qū)劃分網(wǎng)格的方法，使用四面體網(wǎng)格，對于車身及周圍空間的網(wǎng)格進(jìn)行加密，沿著遠(yuǎn)離車身的方向，網(wǎng)格逐漸變得稀疏，最終生成的網(wǎng)格數(shù)約450萬，整體網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2.

圖2 車身周圍網(wǎng)格圖

2 數(shù)學(xué)模型

汽車外流場計算不考慮空氣的壓縮性，可以簡化為定常流動，不考慮傳熱，采用湍流模型擬合汽車外流場的湍流流動［4］.

外流場的質(zhì)量守恒方程為

對應(yīng)的湍流模型中k及ε的控制方程為

式中：u，v為速度分量；k為湍動能；ε為湍動能耗散率；Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項(xiàng).

數(shù)值計算采用RNGk－ε湍流模型，選擇二階迎風(fēng)格式［5］，采用SIMPLE算法耦合速度場及壓力場.

車頭前部端面為速度入口邊界條件，給定氣流進(jìn)口速度為30m／s，車后部端面為壓力出口邊界，給定壓力出口為0Pa.車身縱向?qū)ΨQ平面為對稱邊界條件，車身表面為固定Wall邊界條件.

3 仿真結(jié)果

為了綜合分析該車型外流場的相關(guān)特性，從流線、速度場、壓力場在整車及中截面的分布情況入手分析，并就整車表面的氣動噪聲聲功率分布情況作了分析.

3.1 整車流線

該車型外流場的速度流線圖見圖3，由圖3可見，氣流到達(dá)車頭部位后分成2股主要?dú)饬鳎恍」蓺饬鲝能嚨妆P流過，大股氣流沿車頂繞流，并在車頂區(qū)域存在最高速度區(qū).繞流氣流在車體尾部形成明顯的渦流，這是由于兩股氣流繞流車體后在車尾形成漩渦的交互作用而形成的［6］.

圖3 整車流線

圖4所示為繞流氣流的渦核分布，與流線圖對應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，主要脫落渦核也是集中在車體尾部，沿尾部流線延伸方向分布有很多脫落的漩渦.

圖4 整車渦核

3.2 整車壓力分布

圖5所示為該車型不同視圖方向上的壓力分布云圖.

圖5 整車壓力

沿著車體迎風(fēng)方向觀察發(fā)現(xiàn)，車頭迎風(fēng)部位存在明顯的高壓區(qū)，高壓的影響一直延伸到擋風(fēng)玻璃上緣，這是因?yàn)橛L(fēng)面直接受到氣流的沖擊作用，壓力相應(yīng)較高.在氣流繞流過車頂后，在車后窗和車體尾部也形成一定范圍的高壓區(qū)，這是因?yàn)槔@流氣流的二次脫落引發(fā)的［7］.同樣道理，在車輪胎迎風(fēng)面以及車底部迎風(fēng)面也都存在高壓區(qū)范圍.

3.3 中截面速度及壓力場

圖6所示為車體中間截面上的速度場分布，在汽車尾部可以看到明顯的氣流尾渦的存在，這對于汽車的外形阻力以及氣動噪聲都是不利的因素.由于車底部距離地面的間隙相對較小，可以看到一股高速氣流經(jīng)由車底繞流后沿車底流出，流出氣流方向存在向上趨勢，這對車尾漩渦的形成具有重要影響［8］.

圖6 中截面速度場

中截面對應(yīng)的壓力場分布云圖及曲線圖如圖7所示，通過與速度場對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在車頭迎風(fēng)面存在明顯的高壓峰值，隨著氣流繞流車體前擋風(fēng)玻璃，壓力快速下降，在車前擋風(fēng)玻璃與車頂?shù)倪^渡拐角處存在明顯的低壓峰值.之后，氣流繞流車體過后的壓力變化趨于平緩，沒有較大幅度的壓力變化.車體中截面及平行截面上較大的壓力脈動是氣動噪音形成的一個重要來源.

圖7 中截面壓力場

3.4 整車聲功率級分布

通過前面分析可以看出，汽車外流場的速度及壓力變化還是非常劇烈的，是氣動噪聲的主要來源之一.為了研究車體外形對氣動噪聲的貢獻(xiàn)程度，采用寬頻聲源模型計算車體表面的聲功率級（dB）分布情況，如圖8所示.該圖顯示的是車體外形表面的聲功率強(qiáng)度分布，不考慮噪聲的對外輻射傳播.從中可以看出，車體前部、輪胎、車底等迎風(fēng)面的聲功率級最高，對車外形氣動噪聲聲源強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行這些部位的降噪優(yōu)化.

3.5 車輛表面粗糙度及車外翹角的影響

為了定量分析車輛表面的粗糙度對車輛性能的影響，對比分析了0，0.2，0.5，1mm地面粗糙度下，車輛氣動升力和阻力系數(shù)的變化趨勢，見圖9.

由圖9可見，隨著車輛表面粗糙度增加到一定程度，車輛升力及阻力系數(shù)的變化趨于平穩(wěn)［9］.在變化初期，隨粗糙度的增加，兩者都相應(yīng)增加.車尾不同翹角工況下車輛升力及阻力系數(shù)的變化情況見表1.

圖8 整車聲功率級

圖9 表面粗糙度對升力及阻力系數(shù)的影響曲線

表1 車尾翹角對升力及阻力系數(shù)的影響

表1可見，隨著車尾翹角的增加，升力系數(shù)逐漸減小，而阻力系數(shù)則逐漸減少.

4 結(jié)束語

本文完成了某車型的外流場仿真，對整車和及中截面上的速度場、壓力場以及氣動噪聲的聲功率級分布作了詳細(xì)對比分析.研究表明，車頭及車頂區(qū)域是外流速度最高的區(qū)域，在車尾存在強(qiáng)烈的漩渦脫落區(qū)域.外流場中壓力沿車身外形的大幅度脈動是氣動噪聲的主要來源之一，車身迎風(fēng)面區(qū)域的聲功率級分布最高，對車體氣動噪聲源的貢獻(xiàn)最大.

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