基于CFD的某跑車外流場(chǎng)數(shù)值模擬

張震+李旭+崔行振

摘 要：本文以國(guó)內(nèi)某跑車為研究對(duì)象，首先使用CATIA三維軟件建立跑車的三維模型，然后用GAMBIT軟件完成體網(wǎng)格的劃分，最后用FLUENT軟件完成數(shù)值模擬和后處理，并對(duì)跑車的空氣動(dòng)力性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，采用局部?jī)?yōu)化的方法改變跑車的外形參數(shù)，可以優(yōu)化跑車周圍的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，降低跑車的風(fēng)阻系數(shù)Cd值和升力系數(shù)Cl值。

關(guān)鍵詞：跑車車身；Fluent；外流場(chǎng)分析；風(fēng)阻系數(shù)；局部?jī)?yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.256

0 引言

汽車空氣動(dòng)力特性是指在運(yùn)動(dòng)過程中與空氣的作用力對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、舒適性等性能有重要影響[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究方面的應(yīng)用也越來越重要，CFD方法具有周期短、成本低，不需實(shí)車模型等特點(diǎn)，用此方法分析指導(dǎo)設(shè)計(jì)，無論在汽車開發(fā)還是改進(jìn)方面，都起到提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)自主開發(fā)能力的作用[2]。在計(jì)算精度方面，計(jì)算結(jié)果已經(jīng)可以把Cx的誤差控制在5%以內(nèi)。由于ANSYS， STAR.CD， FLUENT以及CFX等商業(yè)軟件的大量使用，現(xiàn)在汽車空氣動(dòng)力學(xué)解析系統(tǒng)的研究取得了巨大進(jìn)步[3]。

跑車在高速行駛時(shí)為了減少空氣阻力和保證整車的穩(wěn)定性，通常車身成流線型、底盤低矮。那么，研究跑車的空氣動(dòng)力特性就具有重要的意義。本文將采用Fluent軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某款跑車進(jìn)行三維外流場(chǎng)的數(shù)值模擬，結(jié)合模擬的結(jié)果和空氣動(dòng)力學(xué)理論對(duì)跑車的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的優(yōu)化。

1 跑車外流場(chǎng)的控制方程和湍流模型

當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，流體雷諾數(shù)均大于臨界雷諾數(shù)，其流動(dòng)應(yīng)按湍流處理。目前對(duì)于工程流場(chǎng)計(jì)算，常采用平均N-S方程對(duì)其進(jìn)行求解[4]。本文可以用Navier-Stokes方程來描述，在笛卡爾坐標(biāo)中x，y，z三分量上的動(dòng)量方程：

式中：P為流體微元體所受的壓力；Fx、Fy、Fz為微元體中流體受到x、y、z三個(gè)方向上的體力。

本文的計(jì)算假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。因此采用k-ε模型[3]，其表達(dá)式是為：

式中，是由平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能所產(chǎn)生；是由浮力影響引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生；是可壓速湍流S脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響，湍流粘性系數(shù)；是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，根據(jù)Launder等的推薦值及后來的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模型常數(shù)=1.44，=1.92，當(dāng)主流方向與重力方向平行時(shí)：=1；主流方向與重力方向垂直時(shí)=0，=0.09；和分別是與湍動(dòng)能k和耗散率對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，=1.0，=1.3；和是用戶定義的源項(xiàng)。

2 計(jì)算模型的建立及網(wǎng)格劃分

2.1 車身模型

該計(jì)算所用跑車模型是參照表1的數(shù)據(jù)在CATIA軟件中按1：1的比例建立的（見圖1）。為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算的速度，需要對(duì)車身模型簡(jiǎn)化處理。因此，忽略了跑車的車輪、后視鏡、門把手等部件，同時(shí)對(duì)車身底部作平整化處理。由于跑車模型是對(duì)稱的，本次計(jì)算只采用一半的模型。

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了模擬汽車行駛狀態(tài)，模擬使用長(zhǎng)方形的計(jì)算域，取法為：設(shè)定汽車尺寸長(zhǎng)×寬×高（L×W×H），計(jì)算域應(yīng)為10L×4W×5H，計(jì)算域入口距車頭距離為3L，出口處離車尾長(zhǎng)度為6L，寬度左右兩側(cè)距離車身距離分別為2W，高度為5H [5]。由于車身外形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了提高計(jì)算的精度，整個(gè)計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。首先把模型導(dǎo)入Gambit中在跑車表面生成三角形網(wǎng)格，然后用四面體網(wǎng)格對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行劃分。同時(shí)考慮到空氣具有一定的粘度，所以要在車身表面生成邊界層。為了得到真實(shí)有效的計(jì)算結(jié)果，要對(duì)跑車的車身附近進(jìn)行部加密，采用的網(wǎng)格尺寸為20～40mm，圖2為某跑車對(duì)稱面的劃分。

2.3 邊界條件的設(shè)置

在用Fluent軟件進(jìn)行求解計(jì)算前，一定要設(shè)定跑車外流場(chǎng)的邊界條件。其邊界條件主要包括出口邊界條件、進(jìn)口邊界條件、固定壁面和車身表面等。出口邊界條件設(shè)定為壓力出口（pressure-outlet）；進(jìn)口邊界條件設(shè)定為速度出口（velocity-inlet）；固定壁面和車身表面設(shè)定為固定無滑移壁面（no slip wall）；速度大小為40m/s。

本文采用標(biāo)準(zhǔn)模型，Quick一階迎風(fēng)格式，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可得：入口處湍流動(dòng)能k為0.035，湍流耗散率ε為0.0023。

3 跑車外流場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

通過Fluent軟件的模擬計(jì)算之后，可以得到跑車對(duì)稱面上的壓力云圖、氣流速度云圖和速度矢量圖。通過比較圖3、圖4、圖5之后，可以了解跑車的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

從圖3中可以看出整個(gè)跑車的壓力分布特點(diǎn)。其頭部承受的壓力最大，達(dá)到了1120 Pa，在其頂部拐角處出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)，壓力最小值達(dá)到了-2310Pa，而其尾部的壓力范圍為-252Pa到91Pa，同時(shí)其底部也出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)壓區(qū)，但是車身底部的壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車身頂部的壓力值。這樣在跑車的頭部和尾部就存在了一個(gè)明顯壓力差，同樣的道理，跑車的頂部和底部也存在一個(gè)壓力差。正是這兩個(gè)壓力差的作用，分別形成了跑車的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力，進(jìn)而影響了整個(gè)跑車的氣動(dòng)特性。通過進(jìn)一步分析，可以得出跑車形成正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)的原因。當(dāng)跑車在高速行駛時(shí)，迎面而來的氣流首先與跑車頭部接觸，氣流的流動(dòng)受到了阻礙，發(fā)生了分離，并且氣流的速度迅速的降下來，于是形成了該處的正壓區(qū)。之后分離的氣流依附于發(fā)動(dòng)機(jī)罩，由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩存在一定斜度，流速逐漸變快。當(dāng)氣流到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前風(fēng)窗夾角處時(shí)，由于風(fēng)窗阻擋，氣流再次發(fā)生分離，流速逐漸變小，在此處形成另一個(gè)正壓區(qū)域。當(dāng)氣流流至車頂前緣位置時(shí)，氣流發(fā)生轉(zhuǎn)折，流速也相對(duì)有所提高。由于該車車頂后緣與后風(fēng)窗玻璃是光滑圓角過渡，故氣流經(jīng)過車頂后緣時(shí)并未表現(xiàn)明顯的氣流分離。當(dāng)氣流流至后備箱蓋時(shí)，由于后備箱蓋對(duì)氣流產(chǎn)生阻礙，使得流速又漸漸變慢。當(dāng)氣流達(dá)到車尾時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的變化，形成了復(fù)雜的尾渦渦流，產(chǎn)生了負(fù)壓區(qū)[6]。

從圖4和圖5中可以看出跑車氣流速度分布和尾部速度分布的特點(diǎn)。跑車頂部的氣流速度最大，最大值為63m/s，跑車的底部的氣流速度也明顯高于空氣速度，大約為50m/s，跑車頭部和尾部的氣流速度最小值接近了零。通過進(jìn)一步分析，可以得出跑車頭部和尾部速度降為零的真正原因。首先迎面而來的氣流在受到了跑車頭部的阻礙作用之后，然后氣流分別向上下兩個(gè)方向流動(dòng)，一部分向車頂流動(dòng)，一部分流向車底，上部氣流在接觸發(fā)動(dòng)機(jī)車蓋表面時(shí)速度變快，但當(dāng)遇到擋風(fēng)玻璃的時(shí)候再一次產(chǎn)生了阻礙，之后流速加快，可以看到在汽車前沿流速最大，之后流速下降，但一直維持一個(gè)比較大的數(shù)值上，在跑車尾部時(shí)，氣流又迅速發(fā)生分離，同時(shí)在尾部形成了一個(gè)渦流區(qū) [7]。從圖5中，可以看出來自跑車頂部的氣流在跑車尾部發(fā)生了明顯的分離，形成了一大一小兩個(gè)渦流。較大的渦流按順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，而較小的渦流按逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)。渦流會(huì)導(dǎo)致跑車的能量損失，加劇了跑車頭部和尾部的壓力差以及跑車頂部和底部的壓力差，這樣就影響了跑車的阻力系數(shù)和升力系數(shù)。通過計(jì)算可得其阻力系數(shù)Cd值為0.328，其升力系數(shù)Cl值為0.051。對(duì)此，可以優(yōu)化車身的外形參數(shù)，尤其是通過改變跑車尾部的形狀來降低尾部渦流的流動(dòng)，達(dá)到提升跑車空氣動(dòng)力性的要求。

4 跑車車身的局部?jī)?yōu)化

為了改善跑車的空氣動(dòng)力性，可以對(duì)跑車做局部的優(yōu)化處理，嘗試改變跑車的一些外形參數(shù)，得到不同的跑車模型，然后進(jìn)行數(shù)值模擬，通過比對(duì)風(fēng)阻系數(shù)Cd的大小，得到一組較優(yōu)的外形參數(shù)。為此，可以假設(shè)A為前風(fēng)窗角，A的取值為25°、28°、31°；假設(shè)B為后風(fēng)窗角，B的取值為18°、21°、24°；假設(shè)C為尾部翹角，C的取值為8°、11°、14°。如表2所示，設(shè)計(jì)了9組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并分別獲得了每組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從優(yōu)化的效果來看，當(dāng)A為28°，B為18°，C為11°時(shí)，跑車的風(fēng)阻系數(shù)Cd是最小的，只有0.297，相比于原來的0.328下降了0.031，說明跑車的空氣動(dòng)力性有較大的改善，通過圖6～8可以更加直觀的看出來。在圖6中，跑車頂部的負(fù)壓區(qū)的范圍明顯的減少了，最大負(fù)壓值為-1910Pa，跑車頭部的正壓區(qū)范圍也有一定的改善。在圖7中，跑車頂部的氣流速度不再那么劇烈，同時(shí)尾部速度為零的區(qū)域有明顯的縮小，可以有效的降低跑車的風(fēng)阻系數(shù)。在圖8中，跑車尾部的渦流特性也得到了改善，兩個(gè)渦流的強(qiáng)度被明顯的降低了，跑車的能量損失也會(huì)降低，使跑車具有了更好的節(jié)油性。優(yōu)化的結(jié)果并沒有徹底的消除跑車尾部的渦流，但是極大程度的改善了跑車空氣動(dòng)力性，所以，這種局部?jī)?yōu)化的方法還是有實(shí)用價(jià)值的。

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用Fluent軟件對(duì)跑車外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了車身的壓力云圖、速度云圖和尾部的速度矢量圖，探討了跑車外流場(chǎng)的流動(dòng)機(jī)理、流動(dòng)特性和氣動(dòng)力特性之間的關(guān)系，明確了氣動(dòng)力產(chǎn)生的原因。

（2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)跑車的外形參數(shù)進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化，可以有效的降低跑車的風(fēng)阻系數(shù)Cd，使Cd值下降了0.031，減弱了跑車尾部的渦流強(qiáng)度。從優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果可以看出跑車周圍的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)得到了明顯改善，這進(jìn)一步說明了對(duì)跑車外形局部改進(jìn)的正確性。

（3）由于條件的限制，本文沒有進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，改進(jìn)計(jì)算模型以便更好的對(duì)跑車外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

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作者簡(jiǎn)介：張震（1990-），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事汽車空氣動(dòng)力學(xué)方面的研究。