某輕客后視鏡的CFD分析與改進(jìn)

陳桂均

(南京依維柯汽車有限公司， 南京 211806)

研究表明：因汽車表面各附件和孔眼、凹槽及縫隙所引起的氣流干擾而導(dǎo)致的阻力約占總空氣阻力的5%～16%[1]，其中后視鏡作為鈍體以較大的結(jié)構(gòu)完全突出于車身外，所以對后視鏡進(jìn)行合理設(shè)計以降低整車氣動阻力十分必要[2-5]。本文利用CFD軟件首先對某輕型客車外部流場進(jìn)行了仿真計算，并和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對比，然后重點(diǎn)研究后視鏡形狀對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響。

1 整車CFD仿真分析及驗(yàn)證

1.1 網(wǎng)格與邊界條件

根據(jù)該車型的三維CAS模型，在CATIA中進(jìn)行模型的前處理，對車身數(shù)模進(jìn)行一定的簡化，忽略車門把手、刮水器、排氣管和天線等部件對風(fēng)阻的影響。簡化后的車身模型長為5 990 mm, 寬為2 000 mm，高為2 350 mm,車身裙邊離地面距離取為390 mm。在車的外部建立一個長方形空腔計算區(qū)域，模擬汽車周圍空氣的流動區(qū)域，為了盡量減小長方體空腔的壁面對汽車外部流場的影響，將計算域取為長方體[6]，尺寸為41 930 mm×10 000 mm×12 140 mm,即車前方為2倍車長，車后方為4倍車長，車上方約為4倍車高，兩側(cè)各為2個車寬，如圖1所示。

圖1 整車CFD計算模型

應(yīng)用前處理專業(yè)軟件HyperMesh對帶后視鏡的整車模型及計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為3 962 616個，然后再將劃分好網(wǎng)格的有限元模型導(dǎo)入Gambit(流體力學(xué)模擬基礎(chǔ)軟件)中，建立邊界條件，最后導(dǎo)入Fluent(CFD軟件包)中進(jìn)行求解計算并進(jìn)行結(jié)果后處理[7]。

由于實(shí)際情況下地面是不存在附面層的，為了消除由于數(shù)值仿真而產(chǎn)生的地面邊界層，仿真時用移動壁面邊界條件，研究表明[8]，這種方法切實(shí)可行。

計算域邊界條件設(shè)置如下：

1) 計算域前端：速度入口，給定入口風(fēng)速33.33 m/s(120 km/h)，與風(fēng)洞測試條件一致。

2) 計算域后端：壓力出口，設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa。

3) 計算域頂面、地面和側(cè)面：移動壁面(moving wall)，速度v=120 km/h。

4) 車身表面、后視鏡：固定壁面(stationary wall)。

5) 其他：空氣密度1.181 5 kg/m3，Realizablek-ε湍流模式。

1.2 仿真結(jié)果

設(shè)定好計算域邊界條件后，利用Fluent對v=120 km/h的高速工況進(jìn)行CFD仿真計算，結(jié)果表明，該模型車頭前端中心處的壓力最大。這是由于氣流在到達(dá)車頭部位時，來風(fēng)被分為上部、下部、側(cè)面氣流，而在車頭前端中心處速度降低最明顯，出現(xiàn)滯流區(qū)，導(dǎo)致這里的壓力顯著增大，約為710 Pa。當(dāng)氣流到達(dá)發(fā)動機(jī)罩蓋板和前擋風(fēng)玻璃的交界處時，由于擋風(fēng)玻璃的存在，氣流速度降低，同時由于發(fā)動機(jī)罩蓋板與前擋風(fēng)玻璃之間凹角的存在，在凹角處形成一個滯流區(qū)，該區(qū)具有正壓力，約為440 Pa。

車尾部壓力區(qū)的很大面積幾乎都為負(fù)值，中心部位約為-60 Pa，邊緣部位約為-110 Pa，由于大尺度漩渦的存在，能量快速而大量地在這里消耗，從而使尾流壓力減小，引起較大的前后壓力差值，導(dǎo)致氣動阻力較大。

根據(jù)Fluent計算結(jié)果，提取正向行駛阻力Fd和正面投影面積A，由公式Cd=2Fd/ρv2A計算出該車型帶后視鏡時在風(fēng)速V=120 km/h、偏角為0°時的風(fēng)阻系數(shù)Cd1為0.423。

1.3 風(fēng)洞試驗(yàn)的驗(yàn)證

本次風(fēng)洞試驗(yàn)安排在氣動-聲學(xué)風(fēng)洞進(jìn)行，氣動-聲學(xué)風(fēng)洞配備有高精度的六分量氣動天平、五帶式道路模擬系統(tǒng)和多種測量設(shè)備，可以對整車進(jìn)行空氣動力學(xué)及氣動聲學(xué)性能測試。其中，六分量氣動天平用于測量平均的氣動阻力、側(cè)力、升力以及翻滾、俯仰和橫擺力矩；五帶式道路橫擬系統(tǒng)較為真實(shí)地模擬了汽車實(shí)際運(yùn)行狀況中車底的路面狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，風(fēng)速V=120 km/h，偏角為0°時，汽車模型的風(fēng)阻系數(shù)為0.421，不帶后視鏡的模型風(fēng)洞試驗(yàn)值為0.388，試驗(yàn)值與仿真值相差不大，說明仿真方法是有效可行的，可用于后續(xù)的研究分析。

2 后視鏡流場分析及改進(jìn)

2.1 后視鏡對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響

為分析后視鏡對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，在前文已經(jīng)驗(yàn)證過的整車CFD仿真模型中去除后視鏡，再次建立不帶后視鏡的計算模型，經(jīng)仿真計算，在Fluent軟件中求出其風(fēng)阻系數(shù)Cd2為0.390，帶后視鏡的仿真值Cd1為 0.423，通過公式K=(Cd1-Cd2)/Cd1計算得出后視鏡對整車風(fēng)阻系數(shù)的貢獻(xiàn)值為7.8%。故后視鏡對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響不容忽視，針對其進(jìn)行CFD分析,對指導(dǎo)設(shè)計、改進(jìn)或選型等都具有十分重要的意義。

2.2 后視鏡流場分析

在前文1.1和1.2所述的整車模型CFD分析結(jié)果中，截取后視鏡表面壓力及周圍流線分布，結(jié)果如圖2所示。

(a) 壓力分布云圖 (b) 后視鏡處流場分布圖2 后視鏡流場分布圖

圖2 (a)為后視鏡表面的壓力分布云圖，從圖中可以看出，后視鏡內(nèi)側(cè)壓力最大，外側(cè)壓力最小，且為負(fù)壓。圖2(b)為后視鏡處周圍三維流場分布，從圖中可以清楚地看到后視鏡后部存在大量的回流區(qū)，形成了一個明顯的分離渦系，該漩渦不會立刻消散，而是沿著車身表面向后運(yùn)動，最后匯入汽車尾部的縱向渦系，相互作用直至消失。后視鏡尾渦同樣會增加汽車尾部的渦量消耗，增加整車所受的氣動阻力[9]。

2.3 后視鏡造型改進(jìn)

從上述分析可知，后視鏡使整車氣動阻力增加主要有兩方面的原因：一方面后視鏡突出于車身之外，增加了整車的迎風(fēng)面積，形成了壓差阻力[10]；另一方面由于其尾部出現(xiàn)了明顯的氣流分離，使側(cè)窗附近以及車尾流場更加紊亂，增加了整車的渦量損耗。而這兩方面的影響是相互制約的。為了探討汽車后視鏡的形狀對整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，根據(jù)對后視鏡原始方案的仿真結(jié)果提出以下改進(jìn)方案：將后視鏡迎風(fēng)面按流線分布做得更加圓潤，同時后視鏡臂座開一個矩形凹槽，以降低湍流和整車的渦量損耗[11-12]，如圖3所示。

將改進(jìn)后的后視鏡與車身模型進(jìn)行裝配，建立幾何模型，重復(fù)1.1的CFD計算過程，進(jìn)行CFD仿真分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，改進(jìn)后的后視鏡的壓力梯度較改進(jìn)前小，所受平均壓強(qiáng)降低，更有利于減小整車的風(fēng)阻系數(shù)。截取CFD分析的后處理結(jié)果可知，相對于原始方案，后視鏡改進(jìn)方案能使整車風(fēng)阻系數(shù)仿真值由0.423降至0.407，降幅達(dá)3.8%。

3 結(jié)束語

汽車后視鏡作為重要的外部件,其外形直接影響整車風(fēng)阻等氣動特性，本文利用CFD軟件對某輕型客車外部流場進(jìn)行仿真分析，對比風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可知，本文所建立的計算模型及所采用的仿真方法有效可行，可以滿足工程要求。對后視鏡氣動干涉阻力特性進(jìn)一步分析計算與改進(jìn)設(shè)計，結(jié)果表明后視鏡的形狀是影響氣動干涉阻力特性的主要參數(shù)，通過對后視鏡造型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效地降低了整車的風(fēng)阻系數(shù)，獲得了滿意的結(jié)果。