汽車空氣動(dòng)力特性分析

杜子學(xué)，王成杰

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

0 引言

在汽車開(kāi)發(fā)造型階段，整車氣動(dòng)性能是必不可少的關(guān)注環(huán)節(jié)。在整車開(kāi)發(fā)的外造型階段，氣動(dòng)性能主要關(guān)注車輛的阻力系數(shù)[1]。氣動(dòng)力學(xué)的的研究方法主要有兩種[2]，一種是風(fēng)洞試驗(yàn)，另一種是數(shù)值計(jì)算。由于整車風(fēng)洞試驗(yàn)在外流場(chǎng)的分析中存在著費(fèi)用昂貴、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、不能任意捕捉細(xì)節(jié)上的流動(dòng)氣流等問(wèn)題；而利用數(shù)值計(jì)算的方法具有費(fèi)用小、周期短、可再現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文使用Star-ccm+模擬車輛的氣動(dòng)特性，找出氣流變化較突出的地方，然后優(yōu)化汽車外造型獲得更加流暢的流場(chǎng)，從而降低車輛的阻力系數(shù)。

1 湍流模型選取

目前，CFD軟件中普遍應(yīng)用的兩方程模型有以下兩種：

1.1 標(biāo)準(zhǔn)Κ-ε模型

標(biāo)準(zhǔn)Κ-ε模型是由湍動(dòng)能Κ-ε和湍流耗散率ε表征的二方程湍流模型。

湍動(dòng)能Κ方程為：

湍流耗散率ε方程為：

標(biāo)準(zhǔn)Κ-ε模型通過(guò)假設(shè)雷諾應(yīng)力與速度平均梯度的線性關(guān)系建立，針對(duì)湍流發(fā)展充分的高雷諾數(shù)模型，因而對(duì)分子粘性比較大的壁面層流不適用，特別是應(yīng)用于弱剪切層，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。目前應(yīng)用較少，一般在分析湍流脈動(dòng)影響比較大的模型中，需結(jié)合壁面函數(shù)等處理層流問(wèn)題。

1.2 RNGΚ-ε模型

RNGΚ-ε模型把高雷諾數(shù)方程與壁面函數(shù)結(jié)合起來(lái)，修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)情況。RNGΚ-ε模型的Κ、ε方程為：

RNGΚ-ε模型對(duì)壁面雷諾數(shù)較低的區(qū)域模擬有很大誤差，但可以解決流線彎曲較大的波動(dòng)。

1.3 SSTΚ-O模型

SSTΚ-O模型是由湍動(dòng)能和湍流脈動(dòng)渦量的均方值組成的兩方程湍流模型。

湍動(dòng)能方程為：

ω方程為：SSTΚ-O湍流模型在低雷諾數(shù)的壁面層流區(qū)采用Κ-O模型，而在高雷諾數(shù)的湍流區(qū)采用k-ε模型，從而考慮了分子粘性與脈動(dòng)的雙重影響。SSTΚ-O湍流模型不僅適用于近壁區(qū)，而且能夠較好的捕捉高Re數(shù)區(qū)域的流動(dòng)，故本文模擬中使用的是SSTΚ-O湍流模型。

2 數(shù)值模擬過(guò)程

2.1 轎車模型的建立

研究中建立的轎車外CAS三維造型，包括車燈、門把手、后視鏡等局部細(xì)節(jié)。主要參數(shù)為：車長(zhǎng)4316mm，車寬1975mm，車高1463mm?？紤]到計(jì)算硬件的限制及計(jì)算收斂性，利用STAR-CCM+的包面工具對(duì)車體的造型細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化：將汽車底部做成光滑曲面；保證格柵外形的條件下，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部補(bǔ)封格柵區(qū)；簡(jiǎn)化輪腔，去掉輪輞等結(jié)構(gòu)復(fù)雜件。轎車數(shù)模如圖1所示。

圖1 轎車幾何模型

2.2 計(jì)算域的確定及網(wǎng)格劃分

理論上講，汽車行駛的空間是無(wú)限的，但實(shí)際計(jì)算時(shí)，需要確定一個(gè)有限的空間范圍，既能夠減小風(fēng)洞試驗(yàn)中的阻塞效應(yīng)，還能達(dá)到不浪費(fèi)計(jì)算資源的目的[3]。由于車體沿中縱剖面對(duì)稱，故只取半車體建模，以簡(jiǎn)化計(jì)算[4]。計(jì)算域?yàn)椋喝肟诰嚯x車頭最前端為2倍車長(zhǎng)，出口距離車尾末端為4倍車長(zhǎng)，整體計(jì)算域?qū)挾葹?.5倍車寬，整體高度為5倍車高。

體網(wǎng)格在車頭、車尾、車頂、車底及后視鏡等五部分做了局部加密，其他部分采取漸變的網(wǎng)格布局，生成共735萬(wàn)單元規(guī)模的六面體核心Trim網(wǎng)格。

總之，小學(xué)教師情緒勞動(dòng)管理是本研究的重要目的之一，也是研究的實(shí)踐意義所在。基于對(duì)小學(xué)教師情緒勞動(dòng)管理的相關(guān)訪談，從教師角度、學(xué)校組織角度、教育行政部門角度提可以得出適切、可行的結(jié)論與建議。

2.3 物理?xiàng)l件的設(shè)置

本文所分析的汽車外流場(chǎng)為定常流場(chǎng)，故初始條件不必設(shè)定。湍流模型選擇使用SST k-ω模型，設(shè)定湍流強(qiáng)度為0.5%，長(zhǎng)度尺度為0.1。其他邊界條件設(shè)定為速度入口：100Km/h，壓力出口，移動(dòng)地面：100Km/h，車輪轉(zhuǎn)速：92.56radian/s。

3 結(jié)果分析與針對(duì)性造型優(yōu)化

3.1 氣動(dòng)力系數(shù)

本車型計(jì)算空氣阻力系數(shù)為0.256，汽車升力系數(shù)計(jì)算值為0.147。各細(xì)部風(fēng)阻系數(shù)貢獻(xiàn)率如表1所示。

從車身細(xì)部空氣阻力系數(shù)占比來(lái)看，頭部造型、尾部造型以及車身造型對(duì)氣動(dòng)阻力的影響較大，符合汽車氣動(dòng)特性規(guī)律中，汽車高速行駛時(shí)的主要阻力來(lái)源為車頭與車尾的壓差阻力的描述。

3.2 車身速度場(chǎng)與造型優(yōu)化

從圖2Z=0.05截面速度矢量圖可以看出，因車身側(cè)圍造型特征原因（凸凹特征）出現(xiàn)線條曲率變化過(guò)大，由此帶來(lái)此處（圖中虛圈部分所示）氣流分離顯著，形成負(fù)壓區(qū)，該負(fù)壓區(qū)造成的結(jié)果是車身阻力系數(shù)有所偏大；其次，由于車身氣流分離比較顯著，此負(fù)壓區(qū)延續(xù)至尾流區(qū)，造成汽車尾部尾渦區(qū)的橫向截面變大，尾渦體積較大，也是造成整車空氣阻力系數(shù)偏大的主要原因之一。

鑒于以上原因，我們需要協(xié)調(diào)造型特征和氣動(dòng)特性之間關(guān)系，對(duì)此處的造型進(jìn)行調(diào)整，為了避免曲率變化過(guò)大引起氣流的顯著分離，把車身側(cè)圍外凸曲線改動(dòng)成更加平滑流暢的特征造型，如圖2紅色圈所示。

圖2 車身Z=0.05截面速度矢量圖與改型示意圖

3.3 車尾速度場(chǎng)與造型優(yōu)化

由前表1可知，車尾對(duì)整車空氣阻力系數(shù)的貢獻(xiàn)占32%，對(duì)力系數(shù)的貢獻(xiàn)最大。我們仔細(xì)觀察圖3縱截面尾渦處速度矢量圖可知，來(lái)自于頂部氣流向下沖向地面與流經(jīng)車底與側(cè)面的氣流在尾部匯合并形成復(fù)雜的汽車尾流場(chǎng)，尾流場(chǎng)中產(chǎn)生的渦，渦心偏上，隨著尾流的發(fā)展渦強(qiáng)減弱、渦心降低并逐漸趨近于地面?？傮w來(lái)講尾渦縱截面較大，拖尾較長(zhǎng)，導(dǎo)致尾渦體積偏大。這也是造成整車空氣阻力系數(shù)偏大的又一主要原因。

表1 轎車各細(xì)部風(fēng)阻系數(shù)及占比

因此我們需要對(duì)汽車尾部造型做一些調(diào)整，以期望來(lái)減小尾渦體積，減小空氣阻力系數(shù)。主要手段是增大車身離去角及后保險(xiǎn)杠圓弧半徑，如圖3所示。

圖3 車尾縱截面尾渦處速度矢量圖與改型示意圖

3.4 優(yōu)化車型仿真結(jié)果

通過(guò)前表1與表2各項(xiàng)數(shù)值對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化車型的計(jì)算空氣阻力系數(shù)0.248、升力系數(shù)為0.137，原車型的計(jì)算空氣阻力系數(shù)0.256、升力系數(shù)0.147，阻力系數(shù)下降了0.008，升力系數(shù)略降。從各細(xì)部阻力系數(shù)來(lái)看，車身阻力系數(shù)下降了0.005、車尾下降了0.003，車身與車尾是下降最明顯的地方。

圖4 Z=0.05橫截面速度矢量圖對(duì)比（上為優(yōu)化車型，下圍原車型）

圖5 縱截面尾渦處速度矢量圖對(duì)比（左側(cè)優(yōu)化車型，右側(cè)原車型）

從圖4可以看出，優(yōu)化車型車身側(cè)圍處（圈1中部分）的氣流分離的截面積明顯小于原車型，車身湍流負(fù)壓區(qū)延伸到汽車尾部形成汽車尾渦，由于車身湍流橫面積變窄，導(dǎo)致車尾尾流場(chǎng)的橫面積明顯小于原車型的尾流場(chǎng)（圈2中部分）。渦流橫面積變小說(shuō)明體積就會(huì)變小，空氣阻力系數(shù)自然會(huì)降低。

表2 優(yōu)化車型各細(xì)部風(fēng)阻系數(shù)及占比

圖5顯示，優(yōu)化車型比原車型的尾渦橫向與縱向長(zhǎng)度都有所減小，尾渦體積變小，車尾處渦流強(qiáng)度減弱，渦量損耗區(qū)域減小，使得負(fù)壓區(qū)減小，則車頭正壓區(qū)與尾渦負(fù)壓區(qū)形成的壓差阻力減小，從而減小了空氣阻力系數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合某轎車車型開(kāi)發(fā)，運(yùn)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)開(kāi)展造型優(yōu)化，主要研究及成果如下：

1）詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析了轎車各細(xì)部風(fēng)阻系數(shù)及占比。

2）通過(guò)觀察分析流場(chǎng)截面矢量圖，分析找出使流場(chǎng)氣動(dòng)力系數(shù)過(guò)大的局部湍流，找出造型與湍流的關(guān)系，通過(guò)修改造型來(lái)降低氣動(dòng)力系數(shù)。所以說(shuō)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果是造型優(yōu)化的依據(jù)，只有通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行和理性分析才能有針對(duì)性對(duì)造型提出更合理的優(yōu)化。

3）對(duì)汽車各細(xì)部進(jìn)行空氣力系數(shù)劃分，以具有良好空氣動(dòng)力學(xué)的車型各部分力系數(shù)的占比作為標(biāo)桿，可將新車型分力系數(shù)占比過(guò)高的細(xì)部進(jìn)行針對(duì)性造型優(yōu)化。

[1]許建民,易際明.流線型轎車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011,10:61-64.

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[4]賀德馨,等.風(fēng)工程與工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

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