基于CFD的某汽车外流场数值模拟与分析*

2015-06-13雷荣华

机械研究与应用 2015年4期

雷荣华

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074)

0 引言

近几十年以来，我国汽车工业飞速发展，汽车诸多性能得到了很大的提高，例如行驶稳定性以及乘员舒适性，同时又随着我国高速公路网的完善与道路质量的提升，使得汽车行驶速度有了提升的前提。但速度提升的同时，汽车的行驶阻力也越来越大。当汽车的行驶速度超过100 km/h时，气动阻力占总阻力的近80%［2］。当前，各大汽车厂商的研发部门对由传动系、发动机等的振动引起的噪声的传播机制研究得比较透彻，故振动噪声得到很好地控制［1］。但由气流而引起的气动噪声的控制还不够完善，使得气动噪声的研究成为汽车工业研究一个热点。

1 网格划分与前处理

流体运动要受物理定律的支配，满足以下三个流体动力学基本控制方程:

(1)连续性方程:

(3)能量方程:

《道路交通安全法》规定高速公路最高时速120 km/h，远低于声速的1/3(408 km/h)，因此在对汽车外流场模拟时可以把周围气体当做不可压缩流体。

1.1 网格划分

原轿车在CATIA中建立了与实车1∶1比例的stl格式几何模型，忽略了雨刮器，门把手等，并对底盘进行平整，再导入STAR－CCM+中进行网格划分。设置计算域长度为10倍车长，宽度为9倍车宽，高度为5倍车高，长宽高分别为 42 m，15.3 m，8.5 m。为了获得汽车细小部位(如后视镜)的湍流形态，以车体为中心，选择切割体网格，由外到内逐步加密。为了节省CPU的运算时间，选取左侧半个计算域进行网格划分。最终生成的半车计算域网格数量为214万，如图1(a)与(b)所示。

图1 计算域加密网格模型

1.2 物理模型的指定

采用定长，分离求解器，k－epsilon与 Reynold－Averaged Turbulence湍动模型，proundman宽带噪声源。

1.3 边界条件的指定

取车头方向所指的计算域端面为velocity－inlet，气流速度为车速;车尾方向所指的计算域端面为pressure－out，压强为0 Pa;车身表面和对称面为wall(no slip);顶面，侧面和地面为wall(slip);此处采取了移动地面的方法。

2 模拟结果分析

汽车阻力系数Cd的定义:

式中:F为空气阻力;ρ为空气密度;V为汽车速度;A为车身前方投影面积。分别设速度为30 km/h、45 km/h、60 km/h、75 km/h，100 km/h 进行模拟计算。经模拟结果与试验结果对比发现误差均在5%以内，符合精度要求。如，当速度为100 km/h时，Cd=0.337，与试验 Cd=0.334 相比，相差1.02%。各个速度工况下试验值与模拟值的对比情况如图2所示。

图2 风阻系数Cd试验值与模拟值

2.1 压强云图分析

图3 为汽车对称面压强分布云图。

图3 汽车对称面压强云图

由图3可知汽车前脸与后视镜向风部压强最大，来流空气与汽车前脸相遇，而使气流受到阻滞，气流流速降低，压强变大，因此形成了第一块正压区域［3］。汽车后视镜也形成局部小范围正压区域，因为后视镜是汽车突起物，在气流方向上的投影面积大，迎风面大。汽车尾部存在大片负压区，车体前后压差形成汽车行驶阻力。例如可增大后视镜的侧面倒角减低局部的压强，从而减低汽车前部压强。

2.2 表面声功率分析

图4为车身表面声功率云图。车身声功率可由车身声压计算得到，值的大小表明了单位时间向外辐射声能的能力［4］。从图中可看出，前脸、后视镜和A柱的声功率分布比较集中，辐射噪声的能力比较强。从前面对于压强云图的分析得知，汽车压强最大部位为前脸和后视镜处，因此，在压强梯度高、声功率值大的地方，产生的气动噪声的能力也较强。