流线型轿车外流场的数值模拟

许建民， 易际明， 赵 军， 丁 涛

(厦门理工学院机械工程系， 福建 厦门 361024)

0 前 言

汽车空气阻力主要由压差阻力、内流阻力、诱导阻力和摩擦阻力等构成.压差阻力对空气阻力影响最大，约占85%.要减小汽车的空气阻力，必须对汽车的空气动力学特性进行较为详细的研究.汽车的空气动力学性对汽车行驶的动力性、燃油经济性和操纵稳定性有非常重要的影响.与风洞试验法相比，运用计算流体动力学(CFD)方法研究汽车行驶中的外流场周期短、费用低，因此得到了越来越广泛的应用.CFD方法对于预测和改进汽车的气动性能、指导汽车产品设计具有重要意义.用CFD技术研究汽车流场不仅费用低、周期短，而且对流体运动的认识在某种意义上比实验更深刻、更细致，不仅可以了解运动的结果，而且可以了解整体的与局部的细致过程，因此越来越受到了人们的重视[1-4].

1 流动数学模型[5]

1.1 流动控制方程

任何流体运动的动力学都是由质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律所确定的，由它们可以分别导出连续性方程、动量方程和能量方程.即N-S方程组.对稳定可压多维流动，有以下雷诺平均的质量、动量恒方程：

(1)

(2)

其中si为源项，这里表示催化器载体阻力；τij为应力张量，对牛顿流有：

(3)

(4)

1.2 湍流模型

采用标准的κ-ε模型计算雷诺应力来封闭上述流动控制方程，即有：

(5)

式中μt为湍流粘性系数，由下式给出：

(6)

κ、ε分别为湍动能和湍能耗散率，它们的输运控制方程为：

(7)

(8)

式中，μeff=μ+μt；cμ、σk、σε、cε1、cε2和cε4各项经验系数按表1确定.

表1 经验系数

2 计算结果分析

2.1 计算模型的建立及网格划分

汽车外流场数值模拟是一个非常复杂的过程，它包括很多方面的内容，如几何物理模型的准确性、网格系统的质量、湍流模型的选取、差分格式的构造、边界条件的添加等.在不改变流体轨迹整体走向的情况下，将几何模型进行了合理的简化,如车灯、后视镜、门把手凹陷处等部件,并以平整面替换车底的真实凸凹形状.流线型汽车三维模型如图1所示.

图1 流线型汽车的三维模型图

首先利用三维软件UG建立流线型汽车模型，导入CFD软件Fluent的前处理软件Gambit，建立数值模拟计算域空间后进行网格化.网格力求简单，便于求解，网格复杂时则可能导致求解不精确甚至不稳定.计算网格的划分是数值模拟过程中最为耗时的部分，同时网格的质量在很大程度上决定了数值模拟结果的精确程度甚至数值模拟能否收敛.在本次数值模拟中，为了实现对网格的疏密控制，对每一条控制线单独进行一维的网格划分，再对各个面和体用手动划分和自动划分相结合进行网格划分.轿车的外流场计算区域划分单元总数最终为364 097.计算区域对称面网格图如图2所示.根据经验，流场仿真计算所取的计算域到达一定的大小时，汽车的流场就不再受计算域大小的限制.假设汽车模型长为L，宽为W，高为H，则计算域的取法为汽车前部取3L，侧面取4W，上部取4H，汽车后部取6L.风洞模型网格图如图3所示.

2.2 边界条件设定

在Fluent中选择3D求解器.计算区域入口处的边界条件为V=50 m/s((对应雷诺数为8.6×105),出口处的边界条件给定压力边界条件, 即出口相对于远方流处的压力为0.通道壁面、地面和车身表面均为无滑动墙面.流动能K取0.024, 流耗散率取0.01.

2.3 计算结果分析

通过计算模拟, 可以得出流线型汽车模型的外围流场情况, 包括任意截面上的流速矢量图和压力分布图.通过表面积分计算可得出气动力的6个分量，并且可以得到汽车模型的阻力系数和升力系数等空气动力特征参数.图4为汽车模型对称面上的压力分布云图.图5为车身表面压力分布云图，从图中可以发现流线型汽车模型的前部表面压力最大，为1 950 Pa，车身正向迎风面基本处在范围在600～1 950 Pa的正压区，因为气流在汽车前部受到了很大的阻碍.另外发动机罩与前风挡玻璃的转折处也出现了一个比较大的正压区，压力为589 Pa，因为气流在此处形成了较强的涡流.车身顶部出现了非常明显的负压区，负压最大值为-2 420 Pa，汽车底部的压力处在-1 260～-1 337 Pa的范围，汽车底部与汽车顶部的压力差形成升力.流线型汽车模型尾部的压力值在450 Pa左右，它和汽车前部表面压力之差即为压差阻力.这部分阻力占总阻力的主要部分，要想降低汽车的气动阻力，必须设法使尾部的压力升高，以此降低压差阻力.

图2 计算区域对称面网格图 图3 风洞模型网格图

图4 对称面上的压力分布云图 图5 车身表面的压力分布云图

图6为流线型汽车模型对称面上的气流速度分布云图.图7为流线型汽车模型对称面上的速度矢量图.

图6 对称面上的气流速度分布云图 图7 对称面上的速度矢量图

从图6中可以看出汽车前部和汽车尾部气流速度均接近于零.汽车顶部的气流速度值最大，汽车底部气流速度值也比较大，但是比顶部气流速度要小.在挡风玻璃和发动机罩的转折处气流速度较小，因为气流受到了挡风玻璃的阻挡.从图7可以看出，远方来流首先遇到汽车头部顶点，在此处，气流大量阻塞，来流速度变为零，形成了一个比较大的阻滞区.然后气流分成上下两部分，一部分流向车顶，一部分流向车底部.上部气流在车发动机盖前缘开始提速，但很快受到挡风玻璃的阻挡形成了一个小的阻滞区，然后又不断加速，到前风窗后缘与顶盖前缘的交界处达到最大值，之后气流速度下降，但是维持在一个比较大的数值上.顶盖附近气流经过后风窗上时，由于后风窗倾斜度及表面曲率较大，导致逆压梯度过大，因而使气流很快发生了分离，同时在尾部形成了一个涡流区.在车尾部有负的速率分布区，即回流区.本车身流线清晰、稳定、层次分明，这说明本车外流场层流多、湍流较少，此车的整体气动造型较为成功.汽车前部与顶部的流场比较稳定，但是在尾部还是发生了气流分离，形成了一个湍流区.经过计算得出该模型的阻力系数为0.28，升力系数为-0.035.

3 结 论

(1)汽车前部的正压和汽车尾部形成的负压之差就是压差阻力，气流分离形成涡流是产生压差阻力的主要原因,减小气流分离是减小阻力的主要手段.

(2)汽车车身上表面和汽车底部的压力之差形成了汽车升力.

(3)利用CFD方法研究汽车的空气动力学特性可以为优化汽车的气动特性提供理论和直观依据.

参考文献

[1] 邓亚东,江贤军. 电动客车外形设计与外流场数值模拟[J].武汉理工大学学报·信息与管理工程版,2003,25(1):61-64.

[2] 赵又群,张 群.高速轿车车身前部外流场数值模拟[J]. 中国机械工程,2007, 18(15):1 886-1 889.

[3] 严 鹏,吴光强,傅立敏,等.轿车外流场数值模拟[J].同济大学学报,2003,31(9):1 082-1 086.

[4] 许志宝.汽车外流场CFD模拟[J].合肥工业大学学报(自然科学版), 2007,30(12):162-164.

[5] 帅石金,王建昕，庄人隽.CFD在车用催化转化器结构优化设计中的应用[J].汽车工程,2000,22(2):129-133.