CFD在某輕卡車身外流場中的應(yīng)用

張 鑫

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

CFD在某輕卡車身外流場中的應(yīng)用

張 鑫

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

CFD（計算流體力學(xué)）軟件以電子計算機為工具在汽車動力學(xué)上得到廣泛應(yīng)用，使用離散化的數(shù)學(xué)方法，對問題進行數(shù)值實驗、計算機模擬和分析研究，從而預(yù)測和改進汽車的氣動性能，對汽車產(chǎn)品設(shè)計起指導(dǎo)作用。利用CATIA軟件對某輕卡車身（含駕駛室、貨廂）進行三維建模，并利用ANSYS FLUENT模塊對其外流場進行數(shù)值模擬，通過所得數(shù)據(jù)分析車身外流場實際情況，為優(yōu)化汽車性能提供理論依據(jù)。

CFD；車身；外流場；數(shù)值模擬

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-146-03

引言

汽車空氣動力學(xué)（Automobile aerodynamics）空氣動力學(xué)的一個分支，是研究汽車與周圍空氣在做相對運動時兩者之間相互作用力的關(guān)系及運動規(guī)律的學(xué)科，還是汽車設(shè)計當(dāng)中的一項重要環(huán)節(jié)，影響著車輛的動力性、經(jīng)濟性與操縱穩(wěn)定性。從整車性能層面而言，氣動阻力在影響車輛驅(qū)動力的同時影響燃油消耗率。

汽車行進時所受阻力大致可分為機械阻力和空氣阻力兩部分。隨著車速的提高，空氣阻力所占比例迅速提高。汽車空氣阻力由壓力阻力和摩擦阻力構(gòu)成，壓力阻力又分為形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力、誘導(dǎo)阻力，壓力阻力對空氣阻力影響最大，約占91%。

1 車身建模及網(wǎng)格劃分

采用CATIA軟件來建立駕駛室、導(dǎo)流罩三維模型，貨廂采用簡易模型。為了提高計算效率，對模型實體表面進行簡化處理，雨刮器、門把手、后視鏡等部件忽略，其他不影響流場或影響較小的的部位做平整處理。

模型參考實際尺寸，外形長度9835mm，寬度2550mm，高度3900mm，貨廂寬度2400mm，高度2691mm，幾何模型如圖1。

圖1 車身三維模型

將三維模型轉(zhuǎn)換為STP格式導(dǎo)入ANSYS，利用集成在Workbench平臺中的ICEM CFD生成表面網(wǎng)格，使用自動生成與人工干預(yù)相結(jié)合的方式生成計算網(wǎng)格，為簡化計算取對稱面網(wǎng)格如圖2。

圖2 對稱面流域網(wǎng)格示意

采用四面體網(wǎng)格單元對模型劃分為232553個單元，網(wǎng)格質(zhì)量如下：

2 邊界條件確定與數(shù)值仿真

在靜止空氣中建立絕對坐標(biāo)系，汽車在靜止空氣中以勻速V做直線運動，此時在車身周圍引起的流體運動是不定常的，若讓汽車靜止，由空氣以勻速V正向流過汽車，則流線與跡線重合，成為定常流，通過轉(zhuǎn)化為定常流簡化問題，可以大大減少計算時間。

在計算車身外流場時需要給定邊界條件，包括進口邊界、出口邊界、壁面邊界等。本例進口邊界采用速度進口，v=22.223m/s，即80km/h，出口邊界采用壓力出口；壁面邊界為靜止壁面。

流體為空氣，空氣在一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，常溫時的密度ρ=1.169kg/m3，動力粘度系數(shù)μ=1.8448×10-5kg/ms。為對于空氣來說，當(dāng)風(fēng)速小于三分之一聲速（即408km/h）時，可以認為是不可壓縮氣體，故結(jié)合實際情況認為汽車車身外流場是等溫、定常、不可壓的粘性湍流流動，控制方程組采用雷諾平均N-S法（RANS），選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，計算殘差為1e-5。

3 外流場仿真的結(jié)果與分析

迭代300步后發(fā)現(xiàn)計算已收斂，圖3為殘差變化情況。通過后處理可以得到任意截面的壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖。

圖3

圖4 、圖5、圖6、圖7為對稱截面的車身外流場壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖、渦流動能云圖。

圖4 對稱截面的車身外流場壓力云圖

圖5 對稱截面的車身 外流場速度云圖

圖6 對稱截面的車身外流場速度矢量圖

圖7 對稱截面的車身外流 場速渦流動能云圖

可以看出，由于來流與駕駛室頭部相遇，氣流受到阻滯，使氣流速度大大降低，氣流產(chǎn)生分離形成兩股對車身的繞流。在分離點周圍，壓力高于周圍受擾動的區(qū)域，且隨著流速增大呈減小趨勢，形成一個正高壓區(qū)。由于車身模型為輕卡，且在駕駛室擋風(fēng)窗部位不存在明顯的氣流的分離與重新附著，故不存在明顯的分離氣泡。

在導(dǎo)流罩頂部，由于流速較高，形成低壓區(qū)，改變導(dǎo)流罩外形能很大程度的改變壓力的分布，而貨廂稍高于導(dǎo)流罩，故重新產(chǎn)生了氣流的分離，出現(xiàn)高壓區(qū)。

在貨廂尾部產(chǎn)生氣體分離，從而出現(xiàn)尾渦流，形成“真空區(qū)”，此區(qū)域是一個較大的負壓區(qū)。

在車身附近存在兩個大的渦流區(qū)：駕駛室前部和貨廂后部。前部渦流區(qū)的產(chǎn)生是因為在這個區(qū)域存在明顯的氣流分離現(xiàn)象，后部渦流區(qū)的產(chǎn)生是因為在汽車底部和汽車頂部的兩股繞流重新匯合造成的。

4 優(yōu)化

由上述分析可知，導(dǎo)流罩頂部低于貨廂會造成新的氣流分離，故可考慮改進導(dǎo)流罩來減小空氣阻力系數(shù)，即在保證基本外形不變的情況下增高導(dǎo)流罩高度。

除導(dǎo)流罩外形外，其他已知條件均不改變。圖8、圖9、圖10、圖11為改進后對稱截面的車身外流場壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖、渦流動能云圖。

圖8 對稱截面的車身外流場壓力云圖

圖9 對稱截面的車身 外流場速度云圖

圖10 對稱截面的車身外流場速度矢量圖

圖11 對稱截面的車身外流 場速渦流動能云圖

由上圖可知，駕駛室前方最大壓力減小，導(dǎo)流罩上部氣流分離趨勢減小，貨廂后半部分的分離氣泡減小，故氣動阻力存在減小的趨勢。

表1

由上述輸出數(shù)據(jù)可知，加高導(dǎo)流罩后空氣阻力系數(shù)比原導(dǎo)流罩減小10.74%，故優(yōu)化后車身的氣動性能得到改善，輕卡燃油經(jīng)濟性得到優(yōu)化。

5 結(jié)論

本例通過CFD軟件，模擬了某輕卡車身外部流場，可以得出以下結(jié)論：

（1）車身外部造型對汽車空氣動力學(xué)性能有很大影響，進而影響整車動力性、燃油經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性。

（2）使用CFD方法所得的車身外流場符合客觀規(guī)律，在產(chǎn)品前期開發(fā)階段，可以大大縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)費用，其結(jié)果具有重要參考價值。

（3）依靠CFD方法優(yōu)化設(shè)計，可以縮減實驗時間與經(jīng)費支出，大大加快產(chǎn)品更新升級。

[1] 孟生才,陳倩云.基于CFD的汽車外流場數(shù)值模擬[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報,2004,30(4).

[2] 李萍鋒,張翠平,李紅淵,武玉維.FLUENT在某轎車外流場中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2009,9.

[3] 唐家鵬.ANSYS FLUENT 15.0超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京:人民教育出版社,2016.

[4] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

The application of CFD in a light card body drain

Zhang Xin
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

CFD (Computational Fluid Dynamics) by means of the electronic computer is widely used in vehicle dynamics,using the mathematical method of discretization, to carry out the problems in the numerical experiment, computer simulation and analysis, to predict and improve the aerodynamic performance of vehicle, and to play a guidance role of vehicle product design. Using CATIA to do 3d modeling of a certain light truck body (including the cabin and packing case ), and using ANSYS FLUENT to move on to the simulation of external flow field, through the data from the cab to analyze actual situation of external flow field, as to provide theoretical basis for optimal performance.

CFD; light truck body; external flow field; numerical simulation

U467 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-146-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.049

張鑫（1993-），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司輕型車研究所，主要從事汽車底盤方面的設(shè)計工作。