某皮卡車(chē)在開(kāi)關(guān)窗工況下的空氣動(dòng)力學(xué)特性研究

王紅鋼 徐磊 陳曉

1 引言

汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)是研究汽車(chē)在行駛過(guò)程中與周?chē)諝庵g相互作用，以及空氣對(duì)汽車(chē)各性能影響的科學(xué)。而隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值仿真技術(shù)的迅速進(jìn)步，屬于交叉學(xué)科的汽車(chē)計(jì)算流體力學(xué)（ Computational Fluid Dynamics）在汽車(chē)的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性直接影響汽車(chē)的動(dòng)力性、安全性、操縱穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性等。

汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究手段分主要分為：試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值計(jì)算。目前汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究是以風(fēng)洞試驗(yàn)研究為主。風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果一般可信性度較高，但是風(fēng)洞試驗(yàn)受限于試驗(yàn)方法、手段、設(shè)備及試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等實(shí)際客觀條件，再者風(fēng)洞試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，此外尚有一些特定問(wèn)題無(wú)法在試驗(yàn)中得到解決。

理論分析法的特定在于科學(xué)抽象，利用數(shù)學(xué)計(jì)算方法求出相對(duì)理論結(jié)果，來(lái)揭示汽車(chē)一空氣的內(nèi)在規(guī)律及空氣動(dòng)力產(chǎn)生機(jī)理。但是理論分析法受限于數(shù)學(xué)工具及求解方法，通常只能建立較為簡(jiǎn)單的近似模型和特定的工程經(jīng)驗(yàn)公式，無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜的工程實(shí)際應(yīng)用。

與試驗(yàn)研究和理論分析相比，汽車(chē)計(jì)算流體力學(xué)不僅能夠模擬絕大部分試驗(yàn)結(jié)果，代替部分試驗(yàn)環(huán)節(jié)，而且省時(shí)省力，同時(shí)它還能揭示和分析一些試驗(yàn)方法無(wú)法處理的復(fù)空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和現(xiàn)象。汽車(chē)計(jì)算流體力學(xué)的進(jìn)步也促進(jìn)了汽車(chē)試驗(yàn)研究和實(shí)際理論分析方法的發(fā)展，三者相輔相成共同推動(dòng)了汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性的深入研究。

2 基本控制方程

計(jì)算流體力學(xué)方法是對(duì)汽車(chē)周?chē)S湍流流場(chǎng)的控制方程用計(jì)算數(shù)學(xué)的算法將其離散到一系列網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上求其離散數(shù)值解的一種方法[3]。根據(jù)流體力學(xué)理論，不可壓縮粘性流體平面運(yùn)動(dòng)，可以用橢圓型泊松方程和擬拋物線型方程表示：

3 CFD模型的建立

3.1 三維模型建立

為研究皮卡車(chē)不同車(chē)窗開(kāi)度對(duì)整車(chē)空氣動(dòng)力性特性的影響，根據(jù)皮卡車(chē)整車(chē)參數(shù)構(gòu)建車(chē)窗全開(kāi)啟、車(chē)窗全關(guān)閉、車(chē)窗左側(cè)開(kāi)啟右側(cè)關(guān)閉和車(chē)窗前面開(kāi)啟后面關(guān)閉（為便于捕述，依次用工況I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示），共4種工況下的流體力學(xué)分析計(jì)算3D模型。模型采用UGNX8建立，模型對(duì)皮卡車(chē)實(shí)體表面做了簡(jiǎn)化處理，3D模型去除了車(chē)門(mén)把手、后視鏡車(chē)燈等，同時(shí)對(duì)皮卡車(chē)的底部做了平整處理。上述對(duì)模型的改變對(duì)皮卡車(chē)流場(chǎng)的總體特性影響較小，但是可以提高計(jì)算模型的經(jīng)濟(jì)性。四種工況的三維模型如圖1：

3.2 CFD模型前處理

皮卡車(chē)的基本三維模型建立之后，下一步工作就是選擇一個(gè)與壁面不相臨的計(jì)算域，通常采用規(guī)則的長(zhǎng)方體或者正方體。本文的計(jì)算采用長(zhǎng)方體，長(zhǎng)方體的各個(gè)面與某一坐標(biāo)軸平行或垂直，這有利于生產(chǎn)控制網(wǎng)格。計(jì)算入口為對(duì)稱(chēng)均勻來(lái)流，計(jì)算域劃分為兩個(gè)部分，第一部分為車(chē)身附近的區(qū)域，采用一個(gè)與汽車(chē)外形大致近似的多面體將汽車(chē)包裹其中，以在此區(qū)域內(nèi)生成四面體網(wǎng)格，并在車(chē)身表面拉伸三棱柱網(wǎng)格；多面體之外為第二部分，在此區(qū)域內(nèi)生成六面體網(wǎng)格。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算流場(chǎng)仿真時(shí)所選取的計(jì)算域到一定的大小時(shí)，汽車(chē)流場(chǎng)就不再會(huì)受計(jì)算域大小的限制。所以本文的計(jì)算域長(zhǎng)度取9倍車(chē)長(zhǎng)（其中入口距汽車(chē)最前端2倍車(chē)長(zhǎng)，出口距汽車(chē)最后端6倍車(chē)長(zhǎng)）；計(jì)算域高度為4倍車(chē)高；計(jì)算域的寬度為3.5倍車(chē)寬，即計(jì)算域側(cè)面距車(chē)側(cè)最外緣為3倍車(chē)寬[4][5]。

網(wǎng)格劃分：在CFD計(jì)算中，網(wǎng)格的劃分技術(shù)是影響求解速度和精度的重要因素之一。另外CFD計(jì)算對(duì)網(wǎng)格劃分有著較嚴(yán)格的要求：邊界層網(wǎng)格、流場(chǎng)變化劇烈的區(qū)域要求網(wǎng)格局部加密。車(chē)身表面及其附近采用靈活性好、對(duì)復(fù)雜外形適應(yīng)能力強(qiáng)的四面體網(wǎng)格；由于計(jì)算區(qū)域非常大，為了節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存，加快網(wǎng)格生成速度及減少計(jì)算時(shí)間，在遠(yuǎn)離汽車(chē)的大區(qū)域采用比較規(guī)則且迭代收斂較快的六面體網(wǎng)格；同時(shí)，為了更好地捕捉流體在汽車(chē)表面的流動(dòng)特性，在車(chē)身表面拉伸三層三棱柱網(wǎng)格。

邊界條件：速度入口邊界，速度依次30、50、60、70、80、100、120km/h，方向垂直于入口壁面湍流動(dòng)能k-0.03375；出口：自由流出邊界；地面：滑移地面邊界；頂面和側(cè)面：移動(dòng)避面邊界，對(duì)稱(chēng)邊界。

計(jì)算機(jī)設(shè)置截?cái)嗾`差0 001，最大計(jì)算迭代步數(shù)1000。

4 皮卡車(chē)外流場(chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果

通過(guò)ANSYS計(jì)算得到4種工況下模型在不同速度下受到的行駛阻力以及風(fēng)阻系數(shù)如表l所示。

四種工況的整車(chē)壓力和整車(chē)流線計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

由CFD計(jì)算結(jié)果可以看出4種工況下的皮卡車(chē)壓力最大部位均為車(chē)輛前下部，由于車(chē)輛前部在行駛過(guò)程中為主要迎風(fēng)面，中上部的流線造型要比中下部流暢，因此對(duì)氣流的阻礙也較小，所以壓力的最大部位集中在車(chē)輛的中下部。對(duì)比4種工況下皮卡車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)和車(chē)輛所受空氣阻力，可以發(fā)現(xiàn)車(chē)窗關(guān)閉工況下的風(fēng)阻系數(shù)和空氣阻力最小，車(chē)窗全開(kāi)工況下的風(fēng)阻系數(shù)和空氣阻力最大，工況Ⅲ和工況Ⅳ居中，而且隨車(chē)速的增加行駛阻力數(shù)值的差距也隨之增大。雖然車(chē)輛車(chē)窗在車(chē)輛的縱向平面，對(duì)車(chē)輛整體的動(dòng)力性特性影響不大，但是車(chē)窗的開(kāi)啟也會(huì)對(duì)車(chē)輛的整體空氣動(dòng)力學(xué)造成影響，車(chē)窗開(kāi)啟會(huì)使流過(guò)車(chē)體表面的氣流產(chǎn)生局部紊亂，產(chǎn)生小范圍的局部渦流，車(chē)輛四個(gè)車(chē)窗開(kāi)啟的越多此影響也就會(huì)越多，對(duì)比工況I和工況Ⅱ整車(chē)流線圖也可以說(shuō)明這一點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用CAD軟件和CFD軟件通過(guò)對(duì)汽車(chē)的仿真分析，能夠較準(zhǔn)確的反應(yīng)車(chē)輛的氣動(dòng)特性，可以減少進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的次數(shù)，加快汽車(chē)開(kāi)發(fā)周期。本文對(duì)某皮卡車(chē)建立了四種不同開(kāi)窗工況的三維模型，對(duì)模型進(jìn)行了外流場(chǎng)特性仿真分析，結(jié)果表明，不同的車(chē)窗開(kāi)啟方式會(huì)改變皮卡車(chē)的外流場(chǎng)特性，而隨著車(chē)速的提高，該流場(chǎng)特性改變也就越大。另外從皮卡車(chē)行駛阻力上分析，高速工況下開(kāi)啟車(chē)窗會(huì)較大程度增加車(chē)輛行駛阻力，對(duì)車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性不利。