CFD數(shù)值模擬的整車(chē)降風(fēng)阻技術(shù)研究

趙會(huì)芳,李小梅,楊文娟,彭婧

(上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州 545007)

0 引言

汽車(chē)空氣動(dòng)力特性對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性等都有直接的影響。研究汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性、優(yōu)化汽車(chē)造型、減小汽車(chē)行駛空氣阻力是提高汽車(chē)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和操作穩(wěn)定性的重要途徑。目前汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性的研究手段有風(fēng)洞試驗(yàn)、道路試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。汽車(chē)風(fēng)洞模擬試驗(yàn)室需要數(shù)十億美元的設(shè)備投資，每小時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用近3萬(wàn)元人民幣，相當(dāng)昂貴。道路試驗(yàn)需在產(chǎn)品生產(chǎn)完成后才能進(jìn)行。CFD數(shù)值模擬以經(jīng)典力學(xué)理論為基礎(chǔ)，借助大型計(jì)算機(jī)工作站完成大量的數(shù)學(xué)計(jì)算求解，大大提高了計(jì)算的周期性和準(zhǔn)確性。CFD數(shù)值模擬可以充分展示流場(chǎng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，有助于分析出相應(yīng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的原因，從而能夠更高效地發(fā)現(xiàn)好的改進(jìn)方向和方案，為汽車(chē)前期造型提供重要依據(jù)，減少后期的設(shè)計(jì)變更，從而減少了風(fēng)洞試驗(yàn)而花費(fèi)的巨大財(cái)力、人力和物力。

利用Fluent軟件對(duì)某公司開(kāi)發(fā)的一款商用MPV進(jìn)行了CFD數(shù)值仿真。并以仿真結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行造型優(yōu)化，最后通過(guò)對(duì)優(yōu)化后整車(chē)造型進(jìn)行數(shù)值模擬，從而驗(yàn)證方案的可行性。

1 理論基礎(chǔ)

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相交物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所作的分析。CFD可以看作是在流動(dòng)基本方程(質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程)控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬，它的基本思想是：把原來(lái)在時(shí)間或空間域中連續(xù)的物理量的場(chǎng)，用一系列離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間的關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解方程組以得到場(chǎng)變量的近似值。

由于RNGκ-ε模型在標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型基礎(chǔ)上改進(jìn)了湍流黏度和耗散率的計(jì)算，可以更真實(shí)地反映高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)[1]，因此，文中采用RNGκ-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬。由于該模型對(duì)充分發(fā)展的流場(chǎng)有效，故對(duì)近壁區(qū)內(nèi)的流動(dòng)及雷諾數(shù)較低的流動(dòng)要采用壁面函數(shù)法或低雷諾數(shù)的κ-ε模型來(lái)處理[2]。

1.1 湍流瞬時(shí)控制方程

對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)，當(dāng)風(fēng)速小于1/3聲速時(shí)，也就是風(fēng)速小于408 km/h，可以認(rèn)為是不可壓縮氣體。而對(duì)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，最高速度一般都小于400 km/h，因此汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究可以把周?chē)臍怏w考慮成不可壓縮的[3]。其質(zhì)量守恒方程為：

(1)

式中：u、υ、ω為速度矢量U在X、Y、Z方向上的分量。

對(duì)于不可壓縮流體，密度ρ是常數(shù)。動(dòng)量守恒方程表示如下：

(2)

式中：p為流體微遠(yuǎn)體上的壓力。

1.2 雷諾時(shí)均控制方程

(3)

用平均值與脈動(dòng)值之和代替流動(dòng)變量，即：

(4)

將式(4)代入方程(1)和(2)，并按式(3)對(duì)時(shí)間取平均值,然后引入張量的指標(biāo)符號(hào)，得出時(shí)均連續(xù)方程和雷諾時(shí)均方程(后文中均用RANS代替雷諾時(shí)均方程)分別如下：

(5)

(6)

由于增加了參數(shù)，式(5)、(6)組成的方程組并不封閉，需引入雷諾應(yīng)力的輸運(yùn)方程。

(7)

式中：Pij為剪應(yīng)力產(chǎn)生項(xiàng)；μt為湍動(dòng)黏度；σk=0.82。

補(bǔ)充κ和ε方程如下：

(8)

(9)

式(5)—(9)構(gòu)成了封閉的雷諾應(yīng)力方程的控制方程組。

1.3 控制方程的空間離散

汽車(chē)外流場(chǎng)的數(shù)值模擬常采用有限體積法進(jìn)行空間離散。有限體積法的基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格周?chē)幸粋€(gè)互不重復(fù)的控制體積；將待解微分方程(控制方程)對(duì)每一個(gè)控制體積積分，從而得出一組離散方程。

不同的插值方式對(duì)應(yīng)不同的離散方程，常將插值方式稱(chēng)為離散格式?？臻g離散格式有低階和高階之分。低階差分格式常會(huì)引起假擴(kuò)散，因此需應(yīng)用高階離散格式或自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)減輕假擴(kuò)散情況。標(biāo)準(zhǔn)的QUICK(對(duì)流運(yùn)動(dòng)的二次迎風(fēng)插值)格式由于系數(shù)不總是正值，因此求解不穩(wěn)定。也就是說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)的QUICK格式是條件穩(wěn)定的。

為了解決QUICK的穩(wěn)定性問(wèn)題，1992年T HAYASE等[4]提出了改進(jìn)QUICK算法規(guī)定，該算法解決了應(yīng)用于四面體網(wǎng)格上的求解不穩(wěn)定問(wèn)題，因而，文中采用改進(jìn)的QUICK格式對(duì)控制方程進(jìn)行空間離散。

改進(jìn)的QUICK格式：

(10)

相應(yīng)離散方程為：

(11)

其中，

(12)

在FLUENT軟件中，為了編程方便，給出了廣義QUICK格式的表示方式[5-6]：

(13)

式中：φ表示界面處物理量的值；Sw、Se、Sd分別表示與計(jì)算節(jié)點(diǎn)W、P、E相對(duì)應(yīng)的控制體積的邊長(zhǎng)，如圖1所示。

圖1 一維問(wèn)題中的控制

采用壁面函數(shù)法或低雷諾數(shù)對(duì)湍流流動(dòng)壁面區(qū)進(jìn)行處理，設(shè)置初始條件和邊界條件，求解離散方程，可得到流場(chǎng)的速度分布圖和壓力分布圖[7]。CFD的求解流程如圖2所示。

圖2 CFD求解流程圖

2 汽車(chē)外流場(chǎng)CFD仿真

2.1 CFD仿真模型建立與網(wǎng)格劃分[8-9]

以某產(chǎn)品三維CAD數(shù)字模型為研究對(duì)象,采用FLUENT軟件進(jìn)行CFD數(shù)值模擬計(jì)算。仿真模型為實(shí)車(chē)狀態(tài)模型。

計(jì)算域是一個(gè)10倍車(chē)長(zhǎng)(前3倍后6倍)、4倍車(chē)高、9倍車(chē)寬的長(zhǎng)方體。整個(gè)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在前臉、A柱、后視鏡、D柱處進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格由大到小逐漸過(guò)渡到風(fēng)洞壁面。整個(gè)模型網(wǎng)格單元2 200萬(wàn)個(gè)。計(jì)算域模型及計(jì)算域網(wǎng)格如圖3、圖4所示。

圖3 計(jì)算域模型圖

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格圖

2.2 物理環(huán)境與邊界條件的設(shè)置

設(shè)置環(huán)境壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。根據(jù)真實(shí)的風(fēng)洞測(cè)量數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化風(fēng)洞。風(fēng)向沿X軸正向，距離汽車(chē)前部3倍車(chē)長(zhǎng)處的端面為入口邊界，距離尾部6倍車(chē)長(zhǎng)處的端面為出口邊界。邊界參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 邊界參數(shù)設(shè)置

2.3 仿真結(jié)果與分析

按照以上建立的仿真模型輸入邊界條件，在FLUENT中運(yùn)行得出計(jì)算結(jié)果。通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)模型Baseline的仿真分析，得到整車(chē)外流場(chǎng)情況。根據(jù)仿真結(jié)果，經(jīng)分析提出如下優(yōu)化方案：

(1)合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化前格柵，在滿足進(jìn)風(fēng)量的同時(shí)，封堵部分格柵，具體如圖5所示。

圖5 前格柵

(2)優(yōu)化輪罩造型，在滿足整車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)的前提下，設(shè)計(jì)前輪阻風(fēng)板的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 前輪阻風(fēng)板

(3)合理設(shè)計(jì)優(yōu)化前蒙皮導(dǎo)流板和下蓋板結(jié)構(gòu)形式及連接方式，如圖7所示。

圖7 前蒙皮導(dǎo)流板與下蓋板連接方式

3 優(yōu)化方案分析

3.1 前格柵優(yōu)化

經(jīng)分析，正壓區(qū)主要存在于前臉處，車(chē)輛正前部壓力較后部要大，前后的壓差造成了汽車(chē)的壓差阻力。這部分阻力占汽車(chē)總阻力的主要部分。若要降低汽車(chē)的氣動(dòng)阻力，就要設(shè)法使汽車(chē)前部壓力降低或后部壓力升高，從而降低壓差阻力[7]。此次優(yōu)化通過(guò)優(yōu)化前格柵造型和封堵部分格柵實(shí)現(xiàn)減小前臉處正壓區(qū)的目的。圖8為前格柵優(yōu)化前后的壓力云圖。由圖可見(jiàn)，封堵部分格柵后，前大燈、霧燈以及前蒙皮導(dǎo)流板處的正壓區(qū)明顯減小，背壓區(qū)明顯減小，有效地減小了前后壓差，整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)降低6.17%。

圖8 前格柵優(yōu)化結(jié)果

3.2 輪罩優(yōu)化

原造型輪罩處無(wú)阻風(fēng)板，導(dǎo)致流過(guò)側(cè)圍的氣流直接沖擊輪胎，輪胎上的正壓區(qū)增大，風(fēng)阻增加。在滿足接近角[10]的前提下，將輪罩沿-Z方向延伸形成阻風(fēng)板，可有效地減少直接沖擊輪胎的氣流量，有利于減小風(fēng)阻。圖9表示優(yōu)化前后輪胎的壓力分布圖，增加前輪阻風(fēng)板后，前輪正壓區(qū)明顯減小，整車(chē)風(fēng)阻降低1.54%。

圖9 前格柵優(yōu)化結(jié)果

3.3 前蒙皮導(dǎo)流板和下蓋板優(yōu)化

合理設(shè)計(jì)前蒙皮導(dǎo)流板和下蓋板可以有效引導(dǎo)氣流順暢的通過(guò)，從而降低風(fēng)阻。如圖10所示，優(yōu)化后車(chē)輛底部氣流通過(guò)較優(yōu)化前順暢，渦量減小，整車(chē)風(fēng)阻降低0.5%。

圖10 速度流線圖

幾個(gè)方案優(yōu)化后的風(fēng)阻系數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2 造型優(yōu)化后風(fēng)阻計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

文中應(yīng)用CFD數(shù)值模擬對(duì)汽車(chē)前格柵、輪罩、前蒙皮導(dǎo)流板和下蓋板進(jìn)行造型優(yōu)化，使得風(fēng)阻系數(shù)降低8.23%，達(dá)到設(shè)計(jì)之初指定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

通過(guò)對(duì)相似車(chē)型風(fēng)洞試驗(yàn)與應(yīng)用相同仿真方法仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，得出仿真結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相符。因此，文中的仿真結(jié)果可作為新產(chǎn)品的風(fēng)阻結(jié)果。