汽汽車車外外流流場(chǎng)場(chǎng)分分析析及及其其在汽在車汽設(shè)車計(jì)設(shè)中計(jì)的中應(yīng)的用

唐世坤，苗玉禮，王千浩

汽汽車車外外流流場(chǎng)場(chǎng)分分析析及及其其在汽在車汽設(shè)車計(jì)設(shè)中計(jì)的中應(yīng)的用

唐世坤，苗玉禮，王千浩

（東風(fēng)小康汽車有限公司，重慶 402247）

本論文以東風(fēng)小康自主品牌某車型為案例，通過對(duì)該車型進(jìn)行外流場(chǎng)分析，并對(duì)其分析過程與結(jié)果做通用性描述，模擬出整車滿載下的風(fēng)阻系數(shù)、表面壓力分布云圖、車身流線分布情況等。通過風(fēng)阻系數(shù)與迎風(fēng)面積等相關(guān)參數(shù)，利用cruise 軟件對(duì)該車型的最大速度、各檔位的加速度、油耗等進(jìn)行預(yù)測(cè)；根據(jù)表面壓力分布云圖、流線情況，可以判斷車型設(shè)計(jì)是否滿足預(yù)期設(shè)計(jì)。汽車外流場(chǎng)分析應(yīng)用到汽車開發(fā)、設(shè)計(jì)，能給國(guó)內(nèi)自主品牌汽車相關(guān)分析設(shè)計(jì)做參考性建議。

外流場(chǎng)分析；風(fēng)阻系數(shù)；汽車設(shè)計(jì)

1　概 述

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是一種由計(jì)算機(jī)模擬流體流動(dòng)、傳熱及相關(guān)傳遞現(xiàn)象的系統(tǒng)分析方法與工具。目前廣泛的應(yīng)用于汽車、高速鐵路和航空領(lǐng)域等。CFD的基本思想是把原來在時(shí)間域與空間域上連續(xù)的物理量場(chǎng)，用一系列離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，并通過一定的原則和方式建立起反映這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組得到場(chǎng)變量的近似解。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，客戶對(duì)汽車的節(jié)能、平順性、噪音與振動(dòng)等特性的要求越來越高，而這些特性與空氣動(dòng)力學(xué)息息相關(guān)。在傳統(tǒng)的汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究中主要用風(fēng)洞實(shí)測(cè)的方法，但是這樣會(huì)造價(jià)高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)。近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與湍流技術(shù)的飛快發(fā)展，把原來只能在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室才能完成的試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)模擬來完成，這樣就大大的縮短開發(fā)周期與節(jié)約開發(fā)成本。雖然一般認(rèn)為試驗(yàn)的可信度高，但是其成本高、測(cè)量結(jié)果要進(jìn)行換算、周期長(zhǎng)等因素的影響，這在汽車開發(fā)設(shè)計(jì)中廣泛的應(yīng)用汽車外流場(chǎng)分析模擬，通過與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法相結(jié)合，這樣對(duì)一款新的汽車開發(fā)設(shè)計(jì)中可以縮短工期與降低成本。通過對(duì)該車型進(jìn)行外流場(chǎng)分析 ，給出整車滿載下的風(fēng)阻系數(shù)，把風(fēng)阻系數(shù)、迎風(fēng)面積等相關(guān)參數(shù)，輸入cruise 軟件能夠?qū)υ撥囆偷淖畲筌囁?、各檔的加速度、油耗進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過對(duì)該車型車身表面壓力分布云圖、車身流線圖等分析判斷該新車型外型設(shè)計(jì)是否合理。因此用CFD相關(guān)軟件對(duì)汽車的外流場(chǎng)分析，對(duì)汽車的設(shè)計(jì)是十分必要的。

2　模型處理與網(wǎng)格劃分

汽車車身表面存在大量細(xì)小特征，要精確地模擬所有詳細(xì)特征，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致生成的網(wǎng)格單元數(shù)目巨大，從而大大增加了求解計(jì)算時(shí)間，因此在處理計(jì)算模型時(shí)對(duì)幾何模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。

2.1CAD模型的前處理

在CATIA中將汽車模型（特別是底盤部分）作合理的簡(jiǎn)化：保留輪胎、后視鏡、門把手、行李架等部件；底盤部分，考慮其復(fù)雜性，這里將汽車底部簡(jiǎn)化為一個(gè)完整平面，然后將車身表面和底盤的碎面縫合起來，形成若干個(gè)大的特征表面，將整個(gè)汽車簡(jiǎn)化為封閉的殼體；然后在汽車周圍形成適當(dāng)?shù)目諝庥?，汽車與風(fēng)洞幾何模型如圖1所示：

2.2有限元模型的前處理

網(wǎng)格生成采用貼體網(wǎng)格，由于主要關(guān)心車身周圍的流場(chǎng)變化，特別是由于車身的影響使得車身周圍的流體有分離與再附著現(xiàn)象，為了較合理的模擬車身表面附近的空氣流動(dòng)，在車身外做邊界層網(wǎng)格，邊界層以外適當(dāng)放寬網(wǎng)格大小控制網(wǎng)格規(guī)模。將車身的外表面生成為三角形網(wǎng)格，單元大小為5～20 mm，計(jì)算域單元大小為30～500 mm。體單元總數(shù)約為280萬左右，網(wǎng)格總體連續(xù)、均勻，過渡平緩，車身表面網(wǎng)格如圖2：

3　模型分析條件及結(jié)果分析

3.1分析條件

設(shè)風(fēng)洞入口邊界條件為：u0=30m/s，出口邊界條件為壓力出口；空氣密度為ρ= 1.18415kg/m3；計(jì)算中不考慮溫度影響；由于計(jì)算限制，采用Realizable k-ε湍流模式和Two-layer Ally+ Wall 壁面函數(shù)；計(jì)算選擇一階迎風(fēng)格式，這樣雖然降低了收斂速度，但保證了計(jì)算精度。設(shè)置計(jì)算步數(shù)為5000步。

3.2求解結(jié)果分析

分析完成后，在Starccm+中進(jìn)行后處理，根據(jù)上述模型及邊界條件進(jìn)行外流場(chǎng)計(jì)算，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果整理如下：

圖3是汽車在行駛過程中車身表面壓力分布云圖（其中色柱表示的是不同的壓力值，單位為Pa），從壓力分布云圖可以看出汽車前部進(jìn)氣格柵處和前保險(xiǎn)杠處壓力最大，約為556.57 Pa，前端滯止區(qū)域影響范圍較大，增大了阻力。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，減少阻力，其中，在A柱附近、前輪胎外側(cè)以及后視鏡邊緣處出現(xiàn)較低負(fù)壓區(qū)，見圖3中橢圓標(biāo)記所示。

圖4為車身對(duì)稱面上速度分布云圖，圖5和圖6分別表示車身對(duì)稱面的速度矢量圖和車身尾部的速度矢量圖。由于車體阻礙，氣流在汽車頭部形成滯止區(qū)，形成高壓區(qū)；車底部氣流基本流暢；車尾出現(xiàn)較明顯的渦。

圖7、圖8分別表示側(cè)視流線圖和車身尾部流線圖，流線基本貼合車身表面流動(dòng)，在整車表面流動(dòng)狀態(tài)較好，汽車尾部出現(xiàn)了漩渦。由圖9、圖10可以看出左、右后視鏡的流線情況，后視鏡的鏡殼處產(chǎn)生的流線沒有貼近車窗玻璃，鏡座處的流線有貼近車窗玻璃。

4 空氣阻力系數(shù)的計(jì)算

氣動(dòng)阻力計(jì)算公式為：

氣動(dòng)阻力系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：FW為 空氣阻力，N；ρ為空氣密度，Kg/m3； A為迎風(fēng)面積，m2；v為相對(duì)速度，在無風(fēng)時(shí)即為汽車的行駛速度，m/s。

經(jīng)Star-ccm+模擬可得：空氣阻力FW=401.067N，迎風(fēng)面積A=2.397m2，空氣阻力系數(shù)C=0.314 。

本次計(jì)算中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)氣格柵進(jìn)行了簡(jiǎn)化，忽略了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)的阻力，同時(shí)，地板簡(jiǎn)化為一個(gè)大平面，這樣仿真結(jié)果與實(shí)際值有一定誤差。通過對(duì)試驗(yàn)車做風(fēng)洞試驗(yàn)，得到修正系數(shù)20%，可以預(yù)測(cè)該車的風(fēng)阻系數(shù)約為0.377。

5　汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

通過外流場(chǎng)分析所得的風(fēng)阻系數(shù)、迎風(fēng)面積、車重、輪胎直徑等相關(guān)參數(shù)，輸入cruise 軟件能夠?qū)υ撥囆偷淖畲筌囁?、各檔的加速度、油耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，模擬所得參數(shù)如圖11所示：

6 結(jié)論

（1）通過對(duì)該車型滿載整車狀態(tài)下的模型分析，得到阻力系數(shù)為0.314，但是CFD分析由于簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)氣格柵，忽略了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)的阻力，簡(jiǎn)化了地板，通過對(duì)試驗(yàn)車做風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到修正系數(shù)20%，因此預(yù)測(cè)其風(fēng)阻系數(shù)約為0.377。

（2）從流場(chǎng)各個(gè)特性顯示可以看出，整車總的流動(dòng)性較好，有很好的貼體性能，整車表面流線光順，沒有大的曲率的流動(dòng)曲線，除了尾渦區(qū)，沒有大的回流和流動(dòng)分離現(xiàn)象，尾渦區(qū)的壓力梯度變化較小。

（3）在局部區(qū)域還是有一些增加阻力或降低性能的因素，例如前擋風(fēng)玻璃的壓力分布。

（4）從左、右后視鏡的流線情況可以看出，后視鏡的鏡殼處產(chǎn)生的流線沒有貼近車窗玻璃，鏡座處的流線有貼近車窗玻璃。

（5）把所得參數(shù)輸入cruise軟件進(jìn)行模擬，得到的該車型的最大車速、各檔的加速度、油耗等參數(shù)值，這些參數(shù)值達(dá)到前期設(shè)計(jì)確定的目標(biāo)值。

［1］黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］汽車工程手冊(cè)編寫組編.汽車工程手冊(cè)（設(shè)計(jì)篇）［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［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，1998.

［4］李明.STAR-CCM+與流場(chǎng)計(jì)算［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

專家推薦

康寧：

用數(shù)值模擬方法對(duì)某車型進(jìn)行外流場(chǎng)計(jì)算，通過車周圍的壓力分布云圖、速度分布云圖、速度矢量圖、流線圖等，對(duì)車周圍流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并對(duì)風(fēng)阻系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，最后還對(duì)車的最大車速、各檔加速度、油耗進(jìn)行了預(yù)測(cè)，研究結(jié)果有一定實(shí)用意義。

The Application of External Flow Analysis in Automotive Design

TANG Shi-kun， MIAO Yu-li， WANG Qian-hao
（DFSK Automobile Co.Ltd， Chongqing， 402247， China）

Taking a self-owned brand vehicle of DFSK for example， the external flow analysis has been carried out， and its analysis process and the result was generally described that have resulted in the drag coefficient of the vehicle under fullLoad， the surface pressure distribution nephogram， streamline body distribution and so on. Using cruise software， it could be predicted by the drag coefficient and fragment windward area and other parameters about the maximum speed， each gear acceleration， fuel consumption， etc. That would be determined whether the vehicle was designed to meet expected design model by surface pressure distribution nephogram and streamline body distribution. The external flow analysis is applied in the related analysis and design of domestic independent brand automobile.

external flow analysis； foce coefficient； automobile design

U461.1

A

1005-2550（2015）02-0049-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.02.011

2014-09-22