基于CFD的某汽車外流場(chǎng)數(shù)值模擬與分析*

雷榮華

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

近幾十年以來，我國汽車工業(yè)飛速發(fā)展，汽車諸多性能得到了很大的提高，例如行駛穩(wěn)定性以及乘員舒適性，同時(shí)又隨著我國高速公路網(wǎng)的完善與道路質(zhì)量的提升，使得汽車行駛速度有了提升的前提。但速度提升的同時(shí)，汽車的行駛阻力也越來越大。當(dāng)汽車的行駛速度超過100 km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力占總阻力的近80%［2］。當(dāng)前，各大汽車廠商的研發(fā)部門對(duì)由傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)等的振動(dòng)引起的噪聲的傳播機(jī)制研究得比較透徹，故振動(dòng)噪聲得到很好地控制［1］。但由氣流而引起的氣動(dòng)噪聲的控制還不夠完善，使得氣動(dòng)噪聲的研究成為汽車工業(yè)研究一個(gè)熱點(diǎn)。

1 網(wǎng)格劃分與前處理

流體運(yùn)動(dòng)要受物理定律的支配，滿足以下三個(gè)流體動(dòng)力學(xué)基本控制方程:

(1)連續(xù)性方程:

(3)能量方程:

《道路交通安全法》規(guī)定高速公路最高時(shí)速120 km/h，遠(yuǎn)低于聲速的1/3(408 km/h)，因此在對(duì)汽車外流場(chǎng)模擬時(shí)可以把周圍氣體當(dāng)做不可壓縮流體。

1.1 網(wǎng)格劃分

原轎車在CATIA中建立了與實(shí)車1∶1比例的stl格式幾何模型，忽略了雨刮器，門把手等，并對(duì)底盤進(jìn)行平整，再導(dǎo)入STAR－CCM+中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置計(jì)算域長度為10倍車長，寬度為9倍車寬，高度為5倍車高，長寬高分別為 42 m，15.3 m，8.5 m。為了獲得汽車細(xì)小部位(如后視鏡)的湍流形態(tài)，以車體為中心，選擇切割體網(wǎng)格，由外到內(nèi)逐步加密。為了節(jié)省CPU的運(yùn)算時(shí)間，選取左側(cè)半個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終生成的半車計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)量為214萬，如圖1(a)與(b)所示。

圖1 計(jì)算域加密網(wǎng)格模型

1.2 物理模型的指定

采用定長，分離求解器，k－epsilon與 Reynold－Averaged Turbulence湍動(dòng)模型，proundman寬帶噪聲源。

1.3 邊界條件的指定

取車頭方向所指的計(jì)算域端面為velocity－inlet，氣流速度為車速;車尾方向所指的計(jì)算域端面為pressure－out，壓強(qiáng)為0 Pa;車身表面和對(duì)稱面為wall(no slip);頂面，側(cè)面和地面為wall(slip);此處采取了移動(dòng)地面的方法。

2 模擬結(jié)果分析

汽車阻力系數(shù)Cd的定義:

式中:F為空氣阻力;ρ為空氣密度;V為汽車速度;A為車身前方投影面積。分別設(shè)速度為30 km/h、45 km/h、60 km/h、75 km/h，100 km/h 進(jìn)行模擬計(jì)算。經(jīng)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)誤差均在5%以內(nèi)，符合精度要求。如，當(dāng)速度為100 km/h時(shí)，Cd=0.337，與試驗(yàn) Cd=0.334 相比，相差1.02%。各個(gè)速度工況下試驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比情況如圖2所示。

圖2 風(fēng)阻系數(shù)Cd試驗(yàn)值與模擬值

2.1 壓強(qiáng)云圖分析

圖3 為汽車對(duì)稱面壓強(qiáng)分布云圖。

圖3 汽車對(duì)稱面壓強(qiáng)云圖

由圖3可知汽車前臉與后視鏡向風(fēng)部壓強(qiáng)最大，來流空氣與汽車前臉相遇，而使氣流受到阻滯，氣流流速降低，壓強(qiáng)變大，因此形成了第一塊正壓區(qū)域［3］。汽車后視鏡也形成局部小范圍正壓區(qū)域，因?yàn)楹笠曠R是汽車突起物，在氣流方向上的投影面積大，迎風(fēng)面大。汽車尾部存在大片負(fù)壓區(qū)，車體前后壓差形成汽車行駛阻力。例如可增大后視鏡的側(cè)面倒角減低局部的壓強(qiáng)，從而減低汽車前部壓強(qiáng)。

2.2 表面聲功率分析

圖4為車身表面聲功率云圖。車身聲功率可由車身聲壓計(jì)算得到，值的大小表明了單位時(shí)間向外輻射聲能的能力［4］。從圖中可看出，前臉、后視鏡和A柱的聲功率分布比較集中，輻射噪聲的能力比較強(qiáng)。從前面對(duì)于壓強(qiáng)云圖的分析得知，汽車壓強(qiáng)最大部位為前臉和后視鏡處，因此，在壓強(qiáng)梯度高、聲功率值大的地方，產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲的能力也較強(qiáng)。

圖4 車身表面聲壓云圖

3 結(jié)論

(1)汽車前后的壓差阻力主要源于汽車周圍的壓強(qiáng)分布，且車速越大，發(fā)動(dòng)機(jī)克服的總阻力中氣動(dòng)阻力所占比例也越大。通過優(yōu)化車身外形，減少汽車頭部的壓力或者升高汽車尾部的壓力，都可以有效降低壓差阻力，提高汽車性能。

(2)車身前臉、后視鏡、A柱這些直接與高速氣流相遇的部件，由于其邊緣較小，是噪聲的產(chǎn)生直接原因。調(diào)整前風(fēng)窗玻璃處的傾角與后視鏡的圓角大小，控制氣流分離，因而降低噪聲。

［1］ 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.

［2］ 張式杰.汽車噪聲分析與降噪措施及噪聲測(cè)量方法［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2011(2):55－60.

［3］ 汪怡平.汽車風(fēng)窗噪聲與風(fēng)振噪聲的機(jī)理及控制方法研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2011.

［4］ 王 振.汽車外場(chǎng)氣動(dòng)噪聲仿真與計(jì)算［D］.株洲:湖南工業(yè)大學(xué)，2012.