基于外流場分析的汽車車身空氣動力學(xué)性能改進(jìn)

夏小均，賴詩洋，丁良旭，陳德兵，何大軍

(1.重慶車輛檢測研究院 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 重慶 401122；2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 402260)

汽車的空氣動力學(xué)特性直接影響著行駛阻力與升力[1]，行駛阻力很大程度上決定了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性，而氣動升力影響著汽車的操縱穩(wěn)定性與安全性。汽車行駛時，通常要求其具有反向升力，使得汽車在高速行駛時有較大的抓地力[2]。利用CFD (Computed Fluid Dynamics)技術(shù)研究汽車的空氣動力特性，可節(jié)約時間和成本，為汽車研發(fā)設(shè)計提供高效的手段和思路[3-4]。

文中結(jié)合某電動汽車的開發(fā)過程，基于CAS (Concept A Surface)造型，分析該車高速下的空氣動力學(xué)特性，提出空氣動力學(xué)性能改進(jìn)方案并驗證其可行性。

1 計算模型的建立

1.1 幾何清理及網(wǎng)格劃分

基于整車三維幾何模型，對一些有尖角突出與不連續(xù)的部件進(jìn)行簡化與圓滑處理后，在Hypermesh中劃分汽車外形網(wǎng)格。為使氣流充分運(yùn)動，不受模擬風(fēng)洞邊界層的影響，體現(xiàn)汽車實際行駛時的外部條件，需在汽車四周建立一個能夠模擬風(fēng)洞以監(jiān)測流場狀態(tài)的區(qū)域，即流場計算域[5]。建立的計算域為長方體，其尺寸越大，越能準(zhǔn)確模擬汽車周邊環(huán)境，但尺寸過大會導(dǎo)致計算成本提升和效率降低[6]，因此計算域尺寸取為：汽車前部為4倍車長，左右側(cè)面皆為4倍車寬，上部為5倍車高，后部為8倍車長。本次分析的汽車整車尺寸長(L)、寬(W)、高(H)分別為3 690 mm、1 620 mm、1 527 mm。

對車身周圍(車身前部1倍車長、左右兩側(cè)各1倍車寬、上部1倍車高、后部2倍車長組成的區(qū)域)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理；對曲率變化相對較大的地方，如車頭圓弧處等進(jìn)行了網(wǎng)格加密；在具有強(qiáng)粘性、湍流、分離等特征的地方也進(jìn)行了網(wǎng)格加密。使這些地方的流動特點得以體現(xiàn)，也保證了計算的精度。而在遠(yuǎn)離車身的區(qū)域則采用較稀疏的網(wǎng)格，離車身越遠(yuǎn)，網(wǎng)格尺寸就越大，以減少計算量。建立的CFD模型如圖1所示。

圖1 整車及計算域CFD模型

1.2 邊界及工況

完成CFD計算需設(shè)定合理的邊界條件，才能實現(xiàn)控制方程的迭代求解。選用Realizableκ-ε湍流模式，計算時選擇二階格式[7]。經(jīng)計算得湍動能κ=0.424 0，湍動能耗散率ε= 0.075 4。

設(shè)置風(fēng)洞進(jìn)口為速度邊界，速度為100 km/h；出口邊界條件為壓力出口，相對壓力0 Pa；地面邊界與入口速度一致，為來流方向100 km/h移動壁面；風(fēng)洞頂部及外側(cè)壁為滑移壁面；輪胎為旋轉(zhuǎn)邊界，角速度ω=v/r=95.14 rad/s(車速v= 100 km/h，輪胎半徑r為292 mm)。

2 仿真結(jié)果

評價汽車空氣動力學(xué)特性的重要指標(biāo)包括空氣阻力系數(shù)CD和升力系數(shù)CL[8]。仿真計算得到CD和CL的收斂曲線分別如2和圖3所示。經(jīng)過250步迭代后收斂，CD為0.342 6，CL為0.020 7。

圖4和圖5分別為汽車外流場速度分布和外流場氣壓分布云圖。從圖4可看出，整個區(qū)域中氣流穩(wěn)定、均勻、流暢；由于車頭位置對氣流進(jìn)行了阻擋，氣流在此處速度降低形成滯止區(qū)域，而后氣流一部分沿車身流向車頂，還有一部分流向車底和側(cè)面。向上的氣流先經(jīng)過發(fā)動機(jī)罩，速度逐漸增加，到達(dá)發(fā)動機(jī)罩與風(fēng)窗玻璃分界的位置時，由于受到阻擋，速度再次降低，隨后流速迅速增加并以較高的速度經(jīng)過風(fēng)窗玻璃、汽車頂部直至后風(fēng)窗。而流向汽車底部的氣流，速度增大，但明顯低于車頂氣流流速，隨后流至輪胎后部區(qū)域，速度逐漸減小接近于0。正是由于汽車頂部的氣流流速明顯大于汽車底部的氣流流速，從而產(chǎn)生了向上的空氣升力，這與計算得到的空氣升力系數(shù)取值為正相符。產(chǎn)生向上的升力對行駛的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生不良影響，汽車空氣動力學(xué)性能較差。

圖2 空氣阻力系數(shù)CD曲線

圖3 空氣升力系數(shù)CL曲線

圖4 汽車外流場速度分布云圖

圖5 汽車外流場氣壓分布云圖

從圖5可進(jìn)一步看出，汽車前端進(jìn)氣格柵和前保險杠處壓力最大，存在明顯的正高壓區(qū)域，向上的氣流流經(jīng)發(fā)動機(jī)艙蓋，壓力逐漸減小，到達(dá)擋風(fēng)玻璃下端時，出現(xiàn)一個高壓區(qū)域，該區(qū)域主要由擋風(fēng)玻璃引起，而后壓力逐漸降低；由車底與車頂?shù)臍鈮悍植伎梢钥闯觯嚨撞克軞鈮捍笥陧敳克軞鈮?，因此形成向上的空氣升力?/p>

3 性能改進(jìn)

原車CD基本滿足現(xiàn)代轎車的空氣阻力系數(shù)要求[9]；但原車的CL為正，行駛時受到向上的空氣升力，使原車不能較好地緊貼地面，高速行駛時容易產(chǎn)生“發(fā)飄”現(xiàn)象，對汽車安全穩(wěn)定性的影響十分明顯。因此需對原車空氣動力學(xué)性能進(jìn)行改進(jìn)，以控制汽車的空氣升力，使汽車在高速下行駛時具有良好的穩(wěn)定性。

3.1 車身改進(jìn)方案

加后擾流板是一種常用的空氣動力學(xué)優(yōu)化手段。加裝后擾流板后可使汽車頂部氣流受到阻滯，速度迅速降低，甚至改變氣流流動方向，從而使頂部壓力增加，汽車的升力系數(shù)得到有效降低[10]。因此在原車頂尾部增加一擾流板，整車及其計算域模型的建立，以及邊界條件的確定與原車型建模方法一致。

3.2 改進(jìn)結(jié)果分析

改進(jìn)后的汽車CD和CL曲線如圖6和圖7所示。

圖6 改進(jìn)后的阻力系數(shù)CD曲線

圖7 改進(jìn)后的升力系數(shù)CL曲線

帶擾流板的汽車CD為0.394 4，有少量增加，但仍小于0.4，滿足要求[9]；而CL為-0.389 1，變?yōu)樨?fù)值，即汽車受到了向下的空氣壓力，說明改進(jìn)后高速情況下汽車抓地力明顯提升，改善了汽車的空氣動力學(xué)性能。

圖8為改進(jìn)后氣流速度分布云圖，與不帶擾流板情況相比，汽車尾部上方區(qū)域流速明顯降低，且范圍較大，為此產(chǎn)生的下壓力也相應(yīng)增大，空氣動力學(xué)性能得到提升。

圖8 帶擾流板汽車速度分布云圖

圖9為帶擾流板模型的外流場氣壓分布云圖，安裝擾流板后，汽車頂部及尾部上方產(chǎn)生了較大的下壓力，而底部及尾部下方的氣壓有所下降，由此形成了向下的空氣壓力。實現(xiàn)了改進(jìn)目標(biāo)，優(yōu)化了汽車在高速行駛時的空氣動力學(xué)特性，穩(wěn)定性得到改善。

圖9 帶擾流板整車外流場氣壓分布云圖

4 結(jié)束語

建立某電動汽車整車及其計算域的仿真模型，對該車外流場進(jìn)行CFD分析，得到汽車外部流場的壓力、速度分布和空氣動力學(xué)指標(biāo)。結(jié)果表明，原車所受空氣升力不利于高速時的安全穩(wěn)定性，為此提出在汽車尾部加設(shè)擾流板的改進(jìn)方案。加裝擾流板后的仿真分析結(jié)果顯示，汽車空氣升力系數(shù)為負(fù)，所受向下的壓力增加，汽車抓地力增大，改善了汽車的空氣動力學(xué)性能，有利于提高安全穩(wěn)定性。