基于CFD的車(chē)身外流場(chǎng)數(shù)值模擬研究

牛貝貝，鄒 平，段傳棟

（1.柳州五菱新能源汽車(chē)有限公司 技術(shù)中心，廣西 柳州 545000； 2.廣西柳工機(jī)械股份有限公司 裝載機(jī)研究院，廣西 柳州 545007）

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，空氣的流動(dòng)對(duì)汽車(chē)的影響是不容忽視的?？諝饬鲃?dòng)對(duì)汽車(chē)周?chē)皟?nèi)部的空氣流動(dòng)與汽車(chē)性能主要有以下三方面的影響：1）氣動(dòng)力，主要影響汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性能、操縱穩(wěn)定性；2）壓力分布，主要影響換氣性能、冷卻性能；3）流速分布，主要影響風(fēng)噪聲、刮水器上浮、灰塵泥土上卷、雨水流的路徑[1]。而汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)是研究汽車(chē)周?chē)鷼饬髁鲃?dòng)規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。近年來(lái)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)快速發(fā)展，汽車(chē)保有量處于不斷上漲趨勢(shì)，近期燃油價(jià)格猛漲、節(jié)能減排等問(wèn)題逐漸成為全社會(huì)急需解決的問(wèn)題。汽車(chē)外造型對(duì)其動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性和舒適性能至關(guān)重要。汽車(chē)在低速行駛時(shí)，主要克服的阻力為滾動(dòng)摩擦，當(dāng)達(dá)到一定速度后，隨著車(chē)速提高，行駛阻力主要為氣動(dòng)阻力，風(fēng)阻是反映油耗的重要因素[2]。如何分析并優(yōu)化汽車(chē)造型的風(fēng)阻系數(shù)對(duì)改善汽車(chē)的操控性和燃油經(jīng)濟(jì)性有很重要的意義。

我國(guó)對(duì)汽車(chē)外形風(fēng)阻的研究起步晚，技術(shù)相對(duì)落后，目前仍然比較依賴(lài)風(fēng)洞試驗(yàn)，雖然其精確度可以達(dá)到90%以上，但成本高、周期長(zhǎng)，還需要制作多個(gè)不同比例的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，這使設(shè)計(jì)效率大打折扣。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）技術(shù)應(yīng)用到汽車(chē)外流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算中，克服了風(fēng)洞試驗(yàn)的局限性。但由于模擬方法不規(guī)范、精度較低、評(píng)價(jià)指標(biāo)與維度也不明確。在現(xiàn)實(shí)的汽車(chē)造型設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳統(tǒng)的汽車(chē)全尺寸風(fēng)洞試驗(yàn)并不能被CFD取代，仍然需要風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)最終評(píng)價(jià)造型設(shè)計(jì)的合理性[3]。

本文面向車(chē)身外流場(chǎng)分析的全環(huán)節(jié)，對(duì)理論基礎(chǔ)、模型處理、邊界設(shè)定及分析、評(píng)價(jià)進(jìn)行梳理與分析，能夠?qū)?chē)身外流場(chǎng)的性能進(jìn)行較高精度的預(yù)測(cè)，相比風(fēng)洞試驗(yàn)不僅大大節(jié)約資金，并顯著縮短了新車(chē)型的開(kāi)發(fā)周期。

1 數(shù)值模擬

流體流動(dòng)千變?nèi)f化，但又存在一定的規(guī)律，要受物理守恒定律的支配，基本守恒定律包含：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。本文研究的是一個(gè)定常、不可壓縮的三維流場(chǎng)，滿(mǎn)足這三大定律的數(shù)學(xué)描述。

質(zhì)量守恒定律反映了流體質(zhì)量分布和流體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，通過(guò)某一個(gè)區(qū)域，單位時(shí)間流入與流出的質(zhì)量差等于這個(gè)區(qū)域在單位時(shí)間內(nèi)質(zhì)量的減少量。質(zhì)量守恒方程在推導(dǎo)過(guò)程中做了連續(xù)假設(shè)，因此，又被稱(chēng)為連續(xù)方程，質(zhì)量守恒方程為[4]

式中，ρ為流體密度；t為時(shí)間；Vi、Vj、Vk分別為流體速度矢量在i、j、k三個(gè)方向的分量。

動(dòng)量守恒方程表述的是流體運(yùn)動(dòng)和它所受的力之間的關(guān)系，微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。根據(jù)該定律，可以推出汽車(chē)行駛時(shí)，表面邊界層單位體積流體運(yùn)動(dòng)方程分別為[5]

能量守恒方程可表述為一定空間內(nèi)流體能量的增加量，等于作用于該空間上質(zhì)量力和表面力做功加上進(jìn)入流體內(nèi)的熱量。以溫度T為變量的能量守恒方程如下[6]：

式中，T為溫度；Cp為比熱容；k為流體傳熱系數(shù)；Tt為粘性耗散項(xiàng)。

2 建立有限元模型

2.1 幾何模型

據(jù)估計(jì)，平均每輛汽車(chē)由大約一萬(wàn)個(gè)不可拆卸的獨(dú)立零件組成。汽車(chē)表面有許多細(xì)小結(jié)構(gòu)，它們對(duì)車(chē)身外流場(chǎng)的影響比較小，如果對(duì)整個(gè)車(chē)身每一個(gè)結(jié)構(gòu)都建立網(wǎng)格劃分，那么劃分的網(wǎng)格數(shù)量將極其龐大，仿真時(shí)所需的計(jì)算機(jī)性能要求也將非常高，占用較多的計(jì)算內(nèi)存，計(jì)算效率低，所需計(jì)算時(shí)間也非常多[7]。因此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們搭建數(shù)模時(shí)不需要將所有的特征都創(chuàng)建，忽略對(duì)結(jié)果影響小的特征，把影響風(fēng)阻的主要特征都劃分出來(lái)即可。

本文中所用的模型為某汽車(chē)簡(jiǎn)化模型，分析所用模型僅包含車(chē)身外表面、后視鏡，不包含前艙的冷卻系統(tǒng)、動(dòng)力總成、雨刮器等部件，前格柵也未開(kāi)孔，車(chē)底為平面。汽車(chē)外表面的風(fēng)阻占整車(chē)的比例較大，針對(duì)外表面的風(fēng)阻的研究對(duì)整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)的研究有很重要的指導(dǎo)意義。本文中模型主要尺寸參數(shù)為總長(zhǎng)L=3418 mm，總寬W= 1497 mm，總高H=1632 mm，軸距X=1317 mm，離地間隙Y=156 mm。

2.2 確立計(jì)算域

進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真模擬，需確定一個(gè)合適的計(jì)算域，計(jì)算域的大小以汽車(chē)周?chē)臄_動(dòng)產(chǎn)生的誤差可以忽略不計(jì)的最小區(qū)域即可。為使誤差可以忽略不計(jì)，創(chuàng)建計(jì)算域時(shí)將阻塞比低于5%[8]。風(fēng)洞試驗(yàn)b=S/SN，其中S為汽車(chē)的正投影面積；SN為計(jì)算域入口的面積。

本文計(jì)算域長(zhǎng)L2=11、L1=45815 mm，計(jì)算域?qū)扺2=11、W1=17875 mm，計(jì)算域高H2=6、H1= 9792 mm，所選仿真分析風(fēng)洞阻塞比為b=1.5%，低于5%，符合風(fēng)洞試驗(yàn)的要求。

2.3 搭建有限元模型

利用前處理HyperMesh和仿真分析軟件創(chuàng)建整車(chē)有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元網(wǎng)格模型

在有限元網(wǎng)格模型中，分別對(duì)車(chē)身與流場(chǎng)采用面單元和體單元網(wǎng)格類(lèi)型進(jìn)行前處理，面網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，全部為三角形網(wǎng)格，體網(wǎng)格采用Trimmer類(lèi)型。網(wǎng)格大小為10 mm×512 mm，其中，車(chē)身正面、車(chē)身背面及車(chē)頂網(wǎng)格尺寸為10 mm ×20 mm，車(chē)底部網(wǎng)格尺寸20 mm×40 mm，輪胎網(wǎng)格尺寸為10 mm× 20 mm，后視鏡網(wǎng)格尺寸為5 mm× 10 mm。計(jì)算域車(chē)附近地面為40 mm，其他大的面為512 mm。為保證計(jì)算精度，采用三個(gè)加密區(qū)，分別為16 mm、64 mm、256 mm，大域?yàn)?12 mm。有限元模型的網(wǎng)格總數(shù)為17607個(gè)。

3 設(shè)定求解邊界

1）邊界條件。將生成的面網(wǎng)格，導(dǎo)入到仿真分析軟件中，生成體網(wǎng)格，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。其中，入口設(shè)置為速度入口，速度為120 km/h；出口設(shè)置為壓力輸出，壓強(qiáng)為101325 Pa。計(jì)算域側(cè)壁和頂壁設(shè)置為對(duì)稱(chēng)壁面，車(chē)體固定無(wú)滑移壁面，前后輪胎設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為140.65 r/s。

2）計(jì)算模型。本次計(jì)算采用物理模型高雷諾數(shù)、三維穩(wěn)態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型。計(jì)算采用二階中心差分格式的項(xiàng)源和擴(kuò)散項(xiàng)。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)及SIMPLEC算法進(jìn)行數(shù)值求解。

4 仿真分析結(jié)果

評(píng)價(jià)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)特性的重要指標(biāo)為氣動(dòng)阻力系數(shù)CD。由氣動(dòng)阻力計(jì)算公式為

則氣動(dòng)阻力系數(shù)計(jì)算公式為

式中，D為氣動(dòng)阻力，N；CD為氣動(dòng)阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；A為汽車(chē)迎風(fēng)面積，m2；V為汽車(chē)運(yùn)行速度，m/s。

本模型的正投影面積為2.18 m2，阻力為D= 471.6 N，將數(shù)值帶進(jìn)公式中，仿真分析氣動(dòng)阻力系數(shù)CD=0.329。

采用穩(wěn)態(tài)求解后，風(fēng)阻系數(shù)是一條隨著迭代步數(shù)變化的曲線(xiàn)，當(dāng)殘差值小于10-4，且在最后迭代步數(shù)500步內(nèi)，波動(dòng)值小于0.001，則可視為計(jì)算穩(wěn)定。

4.1 流線(xiàn)分析

通過(guò)對(duì)車(chē)身周?chē)俣攘骶€(xiàn)的分析，可以觀(guān)察氣流流過(guò)車(chē)身外表面的情況。

圖2為本文車(chē)身周?chē)俣攘骶€(xiàn)圖，氣流在車(chē)體前部和車(chē)身兩側(cè)流向都較穩(wěn)定，基本上呈層流流動(dòng)，沒(méi)有明顯的紊流，只是在前輪罩后部及車(chē)尾部出現(xiàn)漩渦。為了使整車(chē)阻力得到最優(yōu)值，應(yīng)設(shè)法避免氣流的流動(dòng)分離及局部渦流的產(chǎn)生。

4.2 風(fēng)速分析

通過(guò)速度云圖觀(guān)察氣流在車(chē)身周?chē)欠裼辛鲃?dòng)分離現(xiàn)象。由圖3可知前風(fēng)窗頂部有明顯的氣流分離現(xiàn)象，前臉頂部和車(chē)底也存在少量的氣流分析，增大圓角可有效地降低風(fēng)阻系數(shù)。

圖3 Y=0速度云圖

從圖4—圖5車(chē)身Z=0.5 m及Z=1.3 m截面速度分布云圖可知，車(chē)前霧燈附近有少量的氣流分離現(xiàn)象，圖5中車(chē)身A柱附近有明顯的氣流分離現(xiàn)象。車(chē)尾相對(duì)氣流分離不大，影響風(fēng)阻的主要因素為霧燈及A柱，增大霧燈附近的圓角，壓低A柱，可有效降低車(chē)身的風(fēng)阻系數(shù)。

圖4 Z=0.5 m速度云圖

圖5 Z=1.3 m速度云圖

4.3 風(fēng)壓分析

根據(jù)仿真分析結(jié)果，輸出整車(chē)表面壓力分布云圖。圖6為表面壓力系數(shù)分布圖，車(chē)身表面正壓力主要分布在車(chē)頭前臉，前輪輪胎、車(chē)窗下部與引擎蓋交匯處，負(fù)壓出現(xiàn)在前風(fēng)擋上部、A柱及車(chē)身后部。減小迎風(fēng)正壓區(qū)，增大逆風(fēng)正壓區(qū)，可有效降低整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)。

圖6 車(chē)身表面壓力系數(shù)分布圖

圖7 為車(chē)身附近的零總壓等值面分布圖，該圖反映了汽車(chē)的紙面的大小及分布的形態(tài)?？倝簽榱愕戎得娣从沉鲃?dòng)分離區(qū)域的大小[9-10]，總壓力為零等值面越小，汽車(chē)風(fēng)阻呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。本車(chē)型零總壓主要分布在前輪罩附近和后視鏡附近，此處存在較大的能量耗散，是影響風(fēng)阻的主要因素。

圖7 車(chē)身表面零總壓等值面分布圖

5 結(jié)論

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)外造型及氣動(dòng)特性也備受重視。汽車(chē)受到的氣動(dòng)阻力直接影響著燃油經(jīng)濟(jì)性，因此，一個(gè)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該將風(fēng)阻系數(shù)考慮進(jìn)來(lái)，同時(shí)具備一定的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)一款低油耗、優(yōu)質(zhì)操控性的汽車(chē)很重要，這將大大提高車(chē)企在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

本文選用某汽車(chē)簡(jiǎn)易外表面模型，創(chuàng)建計(jì)算域及仿真分析模型，對(duì)其進(jìn)行外流場(chǎng)三維仿真分析，得到整車(chē)速度跡線(xiàn)圖、速度云圖、壓力系數(shù)云圖等外流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果，指出了主要的氣流分離區(qū)域，以及車(chē)身周?chē)鲌?chǎng)特性。通過(guò)數(shù)值模擬方法，得到迎風(fēng)阻力及正投影面積，根據(jù)迎風(fēng)阻力公式，計(jì)算出風(fēng)阻系數(shù)。本模型風(fēng)阻系數(shù)相對(duì)較低，如果增加雨刮器、門(mén)把手、前艙內(nèi)部及底盤(pán)真實(shí)信息，風(fēng)阻會(huì)有所提高。建議減少側(cè)圍突出的結(jié)構(gòu)，裝飾件等能夠減小擾動(dòng)及漩渦，可以有效降低風(fēng)阻。