基于CFD的SUV及房車在流場(chǎng)中的 氣動(dòng)性分析

張永勤

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060）

汽車在行駛過程中，會(huì)與周圍空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)流。汽車行駛速度越快，該氣流對(duì)汽車造成的影響越大，汽車動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性問題凸顯。故汽車的設(shè)計(jì)過程必須考慮空氣對(duì)汽車的作用，研究其對(duì)汽車性能的影響，指導(dǎo)新產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

隨著高速公路的發(fā)展，汽車的動(dòng)力特性在汽車行駛過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，其對(duì)汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性、行駛噪聲以及關(guān)鍵部位的熱狀態(tài)均能造成影響。眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)地試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及理論計(jì)算對(duì)汽車動(dòng)力特性進(jìn)行研究，其中汽車外流場(chǎng)分析尤為重要。隨著計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）的快速發(fā)展，流場(chǎng)分析在交通運(yùn)輸有著廣闊的應(yīng)用，其主要分析流體流過汽車外表面的流動(dòng)規(guī)律，此分析會(huì)對(duì)汽車外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，且相較試驗(yàn)法更能降低成本。訚耀保等利用Fluent軟件以及計(jì)算流體力學(xué)對(duì)某汽車減壓閥進(jìn)行了流體分析。張峰等結(jié)合三維建模軟件UG和CFD得到了氣動(dòng)轎車的壓力及尾部速度分布。

本文主要針對(duì)某一運(yùn)動(dòng)型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV）車型以及房車模型，選擇Workbench建模并利用CFD分析，模擬對(duì)比了兩車在同種工況下的壓力、速度以及風(fēng)場(chǎng)中的湍流動(dòng)能，為后續(xù)兩車的汽車車型優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和可靠的數(shù)據(jù)支撐。

1 SUV及房車的結(jié)構(gòu)與參數(shù)

1.1 分析對(duì)象及其結(jié)構(gòu)

本文選擇某一SUV車型及房車簡(jiǎn)化三維模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。整車模型中部件車身為殼單元部件，車身部件采用薄板金屬材料。由于正面碰撞過程損傷破壞部位主要集中在前保險(xiǎn)杠和擋風(fēng)板，故基于建模的復(fù)雜性和提高計(jì)算效率，建模忽略了發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、轉(zhuǎn)向拉桿、擺臂等結(jié)構(gòu)。

圖1 SUV及房車結(jié)構(gòu)圖

1.2 產(chǎn)品工況參數(shù)

在汽車正面撞擊過程中，對(duì)整車的耐撞性起主要作用，并在碰撞中發(fā)生大變形的部件大多為薄板鋼材。這些鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)符合各向同性彈塑性的要求。所以材料的本構(gòu)關(guān)系中應(yīng)考慮到應(yīng)變率效應(yīng)。通常應(yīng)用C-S應(yīng)變率模型，該材料的本構(gòu)關(guān)系體現(xiàn)了低碳鋼高塑性變形下的應(yīng)變率特性，其表達(dá)式為

式中，為應(yīng)變率；、為應(yīng)變率參數(shù)；初始屈服應(yīng)力；為有效塑性應(yīng)變；為等效彈性模量。

本文分析的SUV及房車車況參數(shù)如表1、表2所示，表3、表4為模型材料參數(shù)，其中為密度；為彈性模量；為泊松比；為屈服強(qiáng)度。

表1 SUV車況參數(shù)

表2 房車車況參數(shù)

表3 SUV材料參數(shù)

表4 房車材料參數(shù)

2 三維CFD流場(chǎng)模擬計(jì)算理論

CFD理論建立在Navier-Stokes基本控制方程（連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程）的基礎(chǔ)之上，各方程如下：

連續(xù)性方程

3 流道模型建立及網(wǎng)格劃分

為使模擬更加接近真實(shí)值，建立長(zhǎng)為30 000 mm、寬6 000 mm、高8 000 mm的風(fēng)場(chǎng)模型，其三維模型圖如圖2所示。將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench DM中反向建模生成三維內(nèi)部流道模型，為了劃分四面體及六面體混合網(wǎng)格，需對(duì)流道模型預(yù)先進(jìn)行切分如圖3所示。

圖2 風(fēng)場(chǎng)模型

圖3 流道模型切分

模型中介質(zhì)選用空氣，邊界條件施加為速度入口及壓力出口，入口施加介質(zhì)流速為60 km/h，80 km/h，出口施加靜壓為大氣壓0.103 MPa。以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程為控制方程組。對(duì)流項(xiàng)和湍流方程的離散格式采用high resolution格式?；贑EL對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)出口質(zhì)量流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖4為模型的網(wǎng)格劃分，SUV及房車附近流道模型復(fù)雜劃分四面體網(wǎng)格，局部加密處理以使計(jì)算結(jié)果更加精確，其余區(qū)域劃分六面體網(wǎng)格，以流量值為目標(biāo)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性檢驗(yàn)。

圖4 流道模型網(wǎng)格劃分及進(jìn)出口示意圖

4 不同工況下穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

通過監(jiān)測(cè)壓力和速度等指標(biāo)對(duì)汽車外流場(chǎng)進(jìn)行可視化分析，將對(duì)兩種車型的不同時(shí)速下的壓力、速度以及湍流能進(jìn)行對(duì)比研究。

4.1 壓力場(chǎng)分析

圖5為SUV及房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中風(fēng)場(chǎng)內(nèi)壓力分布。汽車在行駛過程中車身表面壓強(qiáng)的分布與汽車的外形相關(guān)聯(lián)，并對(duì)汽車的動(dòng)力性有直接影響。

圖5 風(fēng)場(chǎng)壓力分布圖

分析圖5(a)(b)可知，房車頂部和底部區(qū)域壓力分布均勻，大氣壓基本維持在0.1 MPa左右，房車的車頭和尾部壓強(qiáng)梯度較大，且尾部壓力及作用區(qū)域更大。SUV的擋風(fēng)玻璃和車頭有較大的壓強(qiáng)梯度，且車頭的壓力及作用區(qū)域更大，壓力梯度越大造成的能量損失越大。SUV及房車四周壓力分布不均勻，車前區(qū)域壓力較高，車頂部流線型的設(shè)計(jì)易使其局部形成低壓區(qū)，以60 km/h行駛的局部最大壓力大于以80 km/h行駛的局部最大壓力。

圖6為SUV分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中SUV壁面壓力分布，分析圖6（a）（b）可知，SUV壁面各處壓力分布不均，車身表面處于表面繞流中，在車頭處，局部壓力最高，這是由于風(fēng)速與此區(qū)域垂直接觸，所受阻力最大；又由于氣體的接觸，氣流的流動(dòng)以及能量的交換，致使處于車體迎風(fēng)面的擋風(fēng)玻璃壓力較大，產(chǎn)生氣體阻力；同時(shí)，由于輪胎旋轉(zhuǎn)易產(chǎn)生復(fù)雜流場(chǎng)造成汽車輪胎處壓力較大。

圖6 SUV壁面上壓力場(chǎng)分布

圖7為房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中壁面壓力分布，分析圖7(a)(b)可知，房車壁面各處壓力分布不均，車頂壓力極小，由于車頭區(qū)域風(fēng)速與其垂直，車尾處受周圍流場(chǎng)變化的影響，車頭和在車尾區(qū)域壓力均較高。對(duì)比SUV頂部的壓力大小，可見車頂流線型的設(shè)計(jì)有利于減低車頂壁面局部壓力。

圖7 房車壁面壓力場(chǎng)分布

4.2 速度場(chǎng)分析

圖8為SUV及房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中風(fēng)場(chǎng)內(nèi)速度場(chǎng)分布，分析圖8(a)(b)可知，在整個(gè)流動(dòng)區(qū)域內(nèi)速度場(chǎng)分布相對(duì)均勻，SUV及房車壁面四周區(qū)域，由于空氣流動(dòng)遇到阻力使其四周區(qū)域流速較低，特別是SUV尾部空氣流速最低。在整個(gè)流域內(nèi)以60 km/h行駛的局部最大介質(zhì)流速為28.85 m/s，以80 km/h行駛的局部最大介質(zhì)流速為38.47 m/s。

圖8 風(fēng)場(chǎng)速度分布圖

4.3 湍流動(dòng)能分析

流體的湍流動(dòng)能是衡量湍流發(fā)展或衰退的指標(biāo)，圖9為SUV及房車分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中的湍流動(dòng)能分布。

圖9 風(fēng)場(chǎng)中湍流動(dòng)能分布

分析圖9(a)(b)可知，在整個(gè)風(fēng)場(chǎng)中，SUV及房車局部附近區(qū)域湍流動(dòng)能發(fā)展充分，特別是SUV尾部及底盤區(qū)域湍流動(dòng)能發(fā)展最充分，兩車的行駛對(duì)整個(gè)模擬風(fēng)場(chǎng)中的影響較小且湍流動(dòng)能很小。以60 km/h行駛的局部最大湍流動(dòng)能為4.137 m/s，以80 km/h行駛的局部最大湍流動(dòng)能為6.677 m/s。

圖10為SUV分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中SUV壁面湍流動(dòng)能分布。分析圖10(a)(b)可知，SUV尾部、頂部以及底部區(qū)域動(dòng)能更大，且由于與氣流接觸更加充分，車輪與車頭處的湍流動(dòng)能達(dá)到最大。以60 km/h行駛的局部最大湍流動(dòng)能為6.182 m/s，以80 km/h行駛的局部最大湍流動(dòng)能為9.943 m/s。

圖10 SUV壁面湍流動(dòng)能分布

圖11為SUV分別以60 km/h和80 km/h速度行駛的過程中房車壁面湍流動(dòng)能分布。分析圖11(a)(b)可知，由于車輪的運(yùn)動(dòng)以及周圍復(fù)雜氣流的變化，在房車前偏下一定區(qū)域及車胎區(qū)域附近湍流動(dòng)能發(fā)展最充分，以60 km/h行駛的局部最大湍流動(dòng)能為1.837 m/s，以80 km/h行駛的局部最大湍流動(dòng)能為3.061 3 m/s。由于房車跟隨在SUV后，SUV阻擋了一定的空氣流速，因此，其局部區(qū)最大湍流動(dòng)能相比SUV偏低。

圖11 房車壁面湍流動(dòng)能分布

5 結(jié)論

通過ANSYS Workbench建模和CFD模擬軟件計(jì)算，分析SUV及房車的流場(chǎng)可得出，在SUV與房車前后及頂部一定區(qū)域內(nèi)，壓力、速度、湍流動(dòng)能分布均勻，SUV及房車壁面車頭及車尾處有壓力集中現(xiàn)象，其附近壓力、速度、湍流動(dòng)能分布相差較大。兩種不同速度（60 km/h、80 km/h）行駛工況下流場(chǎng)內(nèi)各參數(shù)值分布規(guī)律在整個(gè)流域的分布區(qū)域大致相同，SUV以60 km/h行駛時(shí)的最大湍流動(dòng)能為6.182 m/s，80 km/h時(shí)最大湍流動(dòng)能為9.943 m/s；房車以60 km/h行駛時(shí)的最大湍流動(dòng)能為1.837 m/s，80 km/h時(shí)最大湍流動(dòng)能為3.061 3 m/s。以60 km/h行駛流場(chǎng)內(nèi)的壓力、速度、湍流動(dòng)能整體小于以80 km/h行駛流場(chǎng)內(nèi)的壓力、速度、湍流動(dòng)能。