基于網(wǎng)格分區(qū)方法的汽車外流場(chǎng)研究

陳明

(東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西柳州 545000)

0 引言

目前汽車外流場(chǎng)[1]的研究手段主要有風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值仿真分析(CFD技術(shù))。風(fēng)洞試驗(yàn)是指在一個(gè)足夠大的空間內(nèi)，通過一定方法產(chǎn)生一段均勻流，以此作為空氣來流，吹向汽車，模擬實(shí)車在路面行駛的情況。數(shù)值仿真分析是指在計(jì)算機(jī)內(nèi)通過在汽車模型周圍建立計(jì)算域，并通過有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格單元后，在單元內(nèi)求解控制方程最終獲得流場(chǎng)數(shù)值解[2]。網(wǎng)格是外流場(chǎng)CFD分析中最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量、數(shù)量與外流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果收斂性、收斂速度、計(jì)算精度、計(jì)算時(shí)間等都有著密切的關(guān)系。采用合適的網(wǎng)格劃分方法既可以提高計(jì)算精度，又可以在保證計(jì)算精度的情況下，最大程度地節(jié)省計(jì)算資源，節(jié)省計(jì)算時(shí)間[3]。

1 車身網(wǎng)格分區(qū)方法

車身網(wǎng)格分區(qū)是指對(duì)于車身的不同部位采用不同尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)于車身周圍采用不同的體網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分。既可以避免網(wǎng)格尺度過密造成的計(jì)算資源浪費(fèi)、計(jì)算時(shí)長(zhǎng)過長(zhǎng)，又可以避免網(wǎng)格尺度過大造成的計(jì)算精度不足的缺陷[4]。

1.1 車身網(wǎng)格分區(qū)方法

車身網(wǎng)格劃分主要是在需要進(jìn)行CFD分析的幾何表面建立三角化的有限元網(wǎng)格。其劃分準(zhǔn)則一是保證面網(wǎng)格的貼體性；二是采用盡可能少的網(wǎng)格量。為了實(shí)現(xiàn)這兩點(diǎn)要求，就需要在幾何表面根據(jù)幾何特征尺寸的大小進(jìn)行面網(wǎng)格劃分的分區(qū)控制策略。某SUV車型實(shí)際情況如圖1所示。

圖1 某SUV車身零部件示意

如圖1所示，在格柵、后視鏡、霧燈、門把手、行李架等位置，模型的細(xì)部結(jié)構(gòu)較多，特征尺寸相對(duì)較小。而根據(jù)流場(chǎng)的分布情況，在A柱、后視鏡、車尾部會(huì)有旋渦產(chǎn)生，這些位置也需要適當(dāng)?shù)募?xì)化。具體的面網(wǎng)格分區(qū)細(xì)化的尺寸如表1所示。

表1 不同面網(wǎng)格尺度下面網(wǎng)格數(shù)

用3種不同的網(wǎng)格尺度進(jìn)行面網(wǎng)格劃分。從表1給出的面網(wǎng)格數(shù)量及圖2給出的表面網(wǎng)格分布貼體度情況來看，車身表面采用均勻的3 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格比較光滑，貼體度比較高，但面網(wǎng)格數(shù)量巨大；車身表面采用均勻的10 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格過渡不夠光滑，特征較小位置網(wǎng)格質(zhì)量很差；采用面網(wǎng)格分區(qū)控制時(shí)，網(wǎng)格過渡仍比較光滑，貼體度較高，網(wǎng)格量相對(duì)于均勻3 mm時(shí)減少很多，相對(duì)均勻10 mm時(shí)，只增加了16%。

根據(jù)表2中車身網(wǎng)格尺度的大小，在HyperMesh軟件中對(duì)某SUV的車身表面進(jìn)行了車身網(wǎng)格劃分。車身網(wǎng)格單元數(shù)為940 916。部分區(qū)域網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 車身網(wǎng)格分區(qū)劃分結(jié)果(部分)

1.2 計(jì)算域體網(wǎng)格分區(qū)方法

體網(wǎng)格劃分是指在計(jì)算域內(nèi)進(jìn)行體網(wǎng)格單元的建立。車身網(wǎng)格單元的建立是為了保證近壁面網(wǎng)格的貼體性，體網(wǎng)格單元的建立則主要與計(jì)算域內(nèi)的流場(chǎng)捕捉、計(jì)算精度、收斂情況有著密切的關(guān)系。體網(wǎng)格分區(qū)是指在計(jì)算域內(nèi)靠近車身周圍不同的位置劃分不同大小的體網(wǎng)格單元。這主要是因?yàn)椋绻捎媒y(tǒng)一的體網(wǎng)格單元生成尺度，則網(wǎng)格數(shù)量過于龐大；而采用不同的分區(qū)則可以在靠近車身周圍流動(dòng)比較復(fù)雜的區(qū)域，特別是尾部旋渦區(qū)域進(jìn)行適度的加密，而后過渡到遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，這樣既可以提高計(jì)算效率，又可以保證計(jì)算精度。

表3 不同分區(qū)內(nèi)的體網(wǎng)格大小

根據(jù)表3中不同分區(qū)下體網(wǎng)格大小，建立了如圖4—圖5所示的體網(wǎng)格。體網(wǎng)格劃分采用了Starccm+軟件。體網(wǎng)格單元數(shù)為9 792 617。

圖4 計(jì)算域示意

圖5 計(jì)算域內(nèi)體網(wǎng)格示意

2 某SUV車型外流場(chǎng)計(jì)算分析

2.1 計(jì)算邊界條件設(shè)置

CFD仿真分析是在一定的計(jì)算域內(nèi)進(jìn)行的，因此計(jì)算域的邊界需要設(shè)定合適的邊界條件，才能得到合理的計(jì)算結(jié)果。結(jié)合Starccm+軟件對(duì)圖5所示的計(jì)算域內(nèi)的進(jìn)口、出口及車身、地面等設(shè)置了如表4所示的邊界條件。根據(jù)行業(yè)內(nèi)的慣例，汽車外流場(chǎng)中一般以車速120 km/h下的風(fēng)阻系數(shù)來進(jìn)行風(fēng)阻評(píng)估，因此入口設(shè)定了120 km/h的速度；出口采用了壓力出口邊界，壓力為大氣壓；其余壁面均采用無滑移壁面，如圖6所示。

表4 計(jì)算邊界信息

圖6 計(jì)算域邊界條件示意

2.2 某SUV車型外流場(chǎng)計(jì)算分析

2.2.1 風(fēng)阻系數(shù)

作者針對(duì)該車型外流場(chǎng)仿真分析采用了切割體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量相對(duì)最少，收斂速度比較快，計(jì)算穩(wěn)定。具體的風(fēng)阻系數(shù)收斂曲線見圖7。該SUV的CAS階段風(fēng)阻系數(shù)為0.336 6，風(fēng)阻系數(shù)隨著車長(zhǎng)度方向的發(fā)展曲線如圖8所示。可以看出：車頭部的阻力比較大，氣流在經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋前端時(shí)，阻力有所降低，在輪胎附近阻力又增加，而后緩慢發(fā)展。前擋玻璃及后視鏡等會(huì)增加一部分阻力，車頂有一定的減阻作用，而后，在后輪、車尾部阻力快速增加。由此可見：阻力來源主要是車頭及車尾部，而發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、車頂具有一定的減阻作用。

圖7 風(fēng)阻系數(shù)收斂曲線

圖8 風(fēng)阻系數(shù)隨車身發(fā)展曲線

2.2.2 車身周圍流場(chǎng)分析

圖9給出了Y=0截面的速度矢量圖，可以看出，空氣從前方吹向車身，在車頭位置遇到車體結(jié)構(gòu)阻擋，速度大幅度降低，并開始向兩側(cè)分散流動(dòng)。因此在車頭格柵、牌照板附近有明顯的低速區(qū)存在。一部分氣流從發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋流過，流經(jīng)前擋玻璃及車頂尾翼后向車尾部流動(dòng)；另一部分氣流從車底部沿著底板向車尾部運(yùn)動(dòng)，兩股氣流在車尾部較遠(yuǎn)處交匯，從而在交匯位置與車身之間形成了明顯的尾渦區(qū)域。在后擋玻璃后部以及后保的下部都有明顯的旋渦存在，旋渦氣流對(duì)車尾部產(chǎn)生一定的拖曳力，旋渦區(qū)域越大，越靠近車身，則所產(chǎn)生的拖曳力越大；尾渦區(qū)域的大小與車頂、尾翼、后保、后擋玻璃等都有密切的關(guān)系；在前擋玻璃與發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋銜接的雨刮槽位置，由于氣體從發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋順著流動(dòng)到前擋玻璃上，從而在這個(gè)位置形成分離死區(qū)。

圖9 Y=0截面速度矢量圖以及局部放大圖

圖10給出了Z=0.4 m截面的速度矢量圖，可以看出，氣體在遇到車頭造型阻礙減速后，向車身兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，在霧燈附近氣體流速增加，此處比較容易引起能量耗散，從而造成阻力增加；霧燈側(cè)面的氣流由于具有較高的流速，氣體不易改變方向，從而會(huì)沿霧燈側(cè)面向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，容易在輪胎及前門附近形成氣流分離；車尾部的氣流沿著車身側(cè)圍向后運(yùn)動(dòng)，從而在車尾部形成明顯的旋渦區(qū)域。

圖11給出了車身周圍的速度跡線圖。可以看出：大部分氣流貼著車身表面運(yùn)動(dòng)，但在后視鏡后方、輪胎附近、A柱后方有少量的旋渦存在；在車尾部左右對(duì)稱有明顯的尾渦區(qū)域存在。

圖10 Z=0.4 m截面速度矢量圖以及局部放大圖

圖11 車身周圍跡線圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

該SUV模型的風(fēng)洞試驗(yàn)是在吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞進(jìn)行的，該風(fēng)洞屬于回流式(哥廷根式)風(fēng)洞。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?∶3等比例模型，模型采用數(shù)控加工，與實(shí)車達(dá)到了極高的相似度，并保留了格柵、后視鏡等幾何細(xì)節(jié)特征。模型的軸距為921 mm，輪距為530 mm，前輪輪眉高度277 mm，后輪輪眉高度279 mm。等比例模型固定后效果如圖12所示。

圖12 某SUV的1∶3等比例模型

3.1 風(fēng)阻系數(shù)結(jié)果分析

風(fēng)洞試驗(yàn)中，根據(jù)阻力系數(shù)計(jì)算公式：

式中：F為氣動(dòng)阻力(N)；ρ為空氣密度(kg/m3)；A為正投影面積(m2)。不同風(fēng)速工況下的阻力系數(shù)如表5所示。

表5 不同風(fēng)速下氣動(dòng)阻力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在60～160 km/h風(fēng)速范圍內(nèi)，氣動(dòng)阻力系數(shù)隨風(fēng)速增加而呈下降趨勢(shì)。圖13為根據(jù)阻力系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與雷諾數(shù)關(guān)系擬合的曲線及方程，其中雷諾數(shù)計(jì)算時(shí)模型特征長(zhǎng)度取車長(zhǎng)1.533 m，空氣動(dòng)力黏度取17.9×10-6Pa·s。

當(dāng)特征長(zhǎng)度取車長(zhǎng)時(shí)，雷諾數(shù)大于5×106即可認(rèn)為進(jìn)入自準(zhǔn)區(qū)[5]。由表5可以看出模型試驗(yàn)最高風(fēng)速160 km/h對(duì)應(yīng)的風(fēng)阻系數(shù)為0.348 1，由圖13可以看出160 km/h的工況仍未達(dá)到自準(zhǔn)區(qū)。而根據(jù)圖13擬合的對(duì)數(shù)律公式曲線，計(jì)算得出在雷諾數(shù)為5×106時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)阻系數(shù)為0.344 2；此雷諾數(shù)對(duì)應(yīng)CAS狀態(tài)平底1∶1模型的車速應(yīng)為62 km/h，但根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)車的氣動(dòng)阻力系數(shù)在超過62 km/h時(shí)仍會(huì)有些許降低，據(jù)此推算1∶1CAS平底模型的氣動(dòng)阻力系數(shù)在120 km/h時(shí)速下約為0.342左右。

圖13 阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系擬合曲線

從表6中可以看到仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的風(fēng)阻系數(shù)比較接近，誤差不到1.6%。由此可見，采用面網(wǎng)格及體網(wǎng)格分區(qū)控制，在大大減少網(wǎng)格量的基礎(chǔ)上，可以獲得高精度的結(jié)果。

表6 仿真與試驗(yàn)結(jié)果風(fēng)阻系數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

通過網(wǎng)格分區(qū)劃分方法，對(duì)某SUV的外流場(chǎng)進(jìn)行了CFD仿真分析，獲得了風(fēng)阻系數(shù)及車身周圍的流場(chǎng)分布情況。在與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的風(fēng)阻系數(shù)高度吻合。因此，采用網(wǎng)格分區(qū)技術(shù)不僅可以有效控制網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率，還能獲得高計(jì)算精度的仿真結(jié)果。