基于內(nèi)外流場仿真分析對整車性能研究和優(yōu)化

宋瀚　王小碧　肖能　龔侃　汪沛?zhèn)?/p>

摘 要：采用STAR-CCM+軟件對汽車內(nèi)外流場進(jìn)行仿真分析，判斷影響整車性能的布置和造型設(shè)計要素。在整車開發(fā)設(shè)計階段，通過對機艙內(nèi)外氣體的模擬仿真，得出造型及布置是否滿足外部流場壓力和艙內(nèi)進(jìn)風(fēng)量設(shè)計要求，是否滿足整車動力性、經(jīng)濟性等指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：STAR-CCM+；流場；造型；整車性能

中圖分類號：U462 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2016）05-0046-04

Abstract： Simulation analysis of the full flow field of a passenger vehicle by using STAR-CCM+. We can determine the layout and design elements that effect vehicle performance Whether to meet the vehicle power and economic indicators should be estimated according to simulation results. Those results can provide the basis of the further optimization of engine bay arrangement and styling in the design.

Key Words： STAR-CCM+； flow field； Styling； vehicle performance

1 引言

在整車開發(fā)設(shè)計階段，外部流場與整車外觀造型有著密切關(guān)系，機艙內(nèi)部流場影響機艙內(nèi)各部件的性能狀態(tài)。由于氣流的不確定性和整車自身系統(tǒng)模塊化，整車內(nèi)外環(huán)境都易存在“氣體回流”和“局部漩渦”現(xiàn)象，影響發(fā)動機、冷卻及空調(diào)系統(tǒng)等性能指標(biāo)達(dá)成。因此如何優(yōu)化整車內(nèi)外流場，改善整車性能，成為整車前期開發(fā)階段的重要課題。

整車前期設(shè)計階段，無實車驗證內(nèi)外流場形態(tài)，且實驗周期長，代價大，通過流體計算軟件STAR-CCM+軟件，分析整車外流場和機艙流場，為外部造型優(yōu)化和機艙布置提供理論依據(jù)，通過優(yōu)化整車設(shè)計和布置，改善機艙氣流量，盡量避免氣流泄漏、回流現(xiàn)象；通過優(yōu)化造型，降低整車外部流場風(fēng)阻效應(yīng)，改善整車性能。

2 計算模型

2.1 基本理論

將氣體視作黏性不可壓縮，其控制方程為雷諾平均N-S方程，三維流場計算通過求解連續(xù)性方程、動量方程和湍流方程，得到流體在空間內(nèi)的壓力、速度、溫度等信息[1]。

2.2 網(wǎng)格劃分

仿真模型包括車身外表面、前后車輪、發(fā)動機艙、進(jìn)氣格柵、冷卻模塊、發(fā)動機、變速箱、空氣濾清器、蓄電池、底盤系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等機艙及下車體大型布置零部件[2]。

應(yīng)用STAR-CCM+對數(shù)模進(jìn)行包面處理，對進(jìn)氣格柵、后視鏡、前端冷卻模塊等對氣流影響比較大的部件進(jìn)行細(xì)化，形成封閉區(qū)域，共生成體網(wǎng)格約1894萬。

2.3 設(shè)置邊界及建立冷卻系統(tǒng)模型

風(fēng)扇轉(zhuǎn)速采用多工況下的風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速。在計算中，冷凝器和散熱器均采用了多孔介質(zhì)的計算模型，在多孔介質(zhì)模型中以均勻化的壓力變化來代替平行流式換熱器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而簡化模型，空氣流速的變化由試驗得到的曲線給定[3]。

計算汽車行駛時的流場分布，對于整車流場區(qū)域的進(jìn)風(fēng)口設(shè)定為速度入口邊界，分別計算來流速度為60km/h、160km/h兩種工況，出風(fēng)口為壓力出口邊界，車身表面和地面車頭后部均設(shè)為無滑移壁面，地面車頭前部和其它流場計算域設(shè)為滑移壁面。散熱器和冷凝器等冷卻元件采用多孔介質(zhì)模型來模擬氣流。

3 流場分析及優(yōu)化

3.1 外流場分析及優(yōu)化

3.1.1 整車前部優(yōu)化

由車身整體壓力圖可知，車身外部突出物、前部區(qū)域、前風(fēng)擋玻璃下邊緣及下車體迎風(fēng)面的壓力分布較大，增大了空氣阻力。

如圖2所示，機罩后邊緣過低，空氣壓力有所增強，導(dǎo)致圖3區(qū)域處，機罩與車窗下邊緣出現(xiàn)漩渦區(qū)域，增加了風(fēng)阻壓力，在不影響造型邊界的前提下，機罩邊緣局部優(yōu)化抬高，雨刮內(nèi)收，避免高速氣流對雨刮的沖擊。

3.1.2 整車底部優(yōu)化

如圖4所示，從底部和尾部流線看，高速氣流沖擊后懸，并在油箱前方形成渦流。如圖5-1所示，可增加適當(dāng)高度的導(dǎo)流板平順氣流。如圖5-2所示，下車體底部高度差過大，產(chǎn)生渦流區(qū)域，將后消聲器橫置，使得下車體底部布局平順，減少底部渦流產(chǎn)生，使氣流平順。

3.1.3 整車尾部優(yōu)化

如圖9所示，優(yōu)化之后，C柱區(qū)域與擾流板區(qū)域背壓降低明顯。

3.1.4 造型及布置優(yōu)化效果

在優(yōu)化之后，風(fēng)阻系數(shù)降低3%，進(jìn)而進(jìn)一步降低風(fēng)阻值，降低油耗值，風(fēng)阻系數(shù)如表2所示：

水平截面Y=0的速度矢量如圖10所示，從進(jìn)氣格柵進(jìn)入的冷卻空氣一部分繞過冷卻系統(tǒng)上下兩端進(jìn)入發(fā)動機艙，并在散熱器上下端和后部形成一定的“渦流”，形成氣流滯留[2]。

從仿真圖來判斷冷卻系統(tǒng)上下端存在一定的漏風(fēng)現(xiàn)象。這些氣體“泄漏”及“渦流”影響了散熱器和冷凝器的散熱功能。不利于艙內(nèi)熱空氣的順利排出，惡化散熱效率，導(dǎo)致整車性能下降。

如圖13和表3所示，通過整車內(nèi)流場優(yōu)化仿真，修改導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，冷凝器、散熱系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)量都明顯提高[5]，進(jìn)一步提高了散熱器、中冷器、冷凝器的性能，優(yōu)化后整車性能與同級別車輛相比，處于優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文通過更改機艙和下車體部件、修改整車外部造型，優(yōu)化整車內(nèi)外流場，達(dá)到了一定的效果，結(jié)論如下：

（1）基于流場仿真分析結(jié)果，分析不同的造型和布置方案，可提高整車性能，加快開發(fā)速度，減少試驗次數(shù)與費用[6]。

（2）整車設(shè)計階段，通過內(nèi)外流場仿真分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)機艙內(nèi)部氣體存在泄漏和回流現(xiàn)象，外部造型局部背壓過大，存在渦流，影響整車性能達(dá)成。

（3）在實際開發(fā)中，為設(shè)計人員進(jìn)一步優(yōu)化造型，改善機艙布置提供了理論依據(jù)，整車內(nèi)外流場都得到了明顯的改善。

參考文獻(xiàn)：

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