汽车空气动力特性分析

2015-07-07杜子学王成杰

制造业自动化 2015年6期

杜子学，王成杰

（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074）

0 引言

在汽车开发造型阶段，整车气动性能是必不可少的关注环节。在整车开发的外造型阶段，气动性能主要关注车辆的阻力系数[1]。气动力学的的研究方法主要有两种[2]，一种是风洞试验，另一种是数值计算。由于整车风洞试验在外流场的分析中存在着费用昂贵、开发周期长、不能任意捕捉细节上的流动气流等问题；而利用数值计算的方法具有费用小、周期短、可再现性等优点，因此应用越来越广泛。本文使用Star-ccm+模拟车辆的气动特性，找出气流变化较突出的地方，然后优化汽车外造型获得更加流畅的流场，从而降低车辆的阻力系数。

1 湍流模型选取

目前，CFD软件中普遍应用的两方程模型有以下两种：

1.1 标准Κ-ε模型

标准Κ-ε模型是由湍动能Κ-ε和湍流耗散率ε表征的二方程湍流模型。

湍动能Κ方程为：

湍流耗散率ε方程为：

标准Κ-ε模型通过假设雷诺应力与速度平均梯度的线性关系建立，针对湍流发展充分的高雷诺数模型，因而对分子粘性比较大的壁面层流不适用，特别是应用于弱剪切层，就会出现问题。目前应用较少，一般在分析湍流脉动影响比较大的模型中，需结合壁面函数等处理层流问题。

1.2 RNGΚ-ε模型

RNGΚ-ε模型把高雷诺数方程与壁面函数结合起来，修正后的粘度项体现小尺度的影响，考虑了平均流动中的旋转情况。RNGΚ-ε模型的Κ、ε方程为：

RNGΚ-ε模型对壁面雷诺数较低的区域模拟有很大误差，但可以解决流线弯曲较大的波动。

1.3 SSTΚ-O模型

SSTΚ-O模型是由湍动能和湍流脉动涡量的均方值组成的两方程湍流模型。

湍动能方程为：

ω方程为：SSTΚ-O湍流模型在低雷诺数的壁面层流区采用Κ-O模型，而在高雷诺数的湍流区采用k-ε模型，从而考虑了分子粘性与脉动的双重影响。SSTΚ-O湍流模型不仅适用于近壁区，而且能够较好的捕捉高Re数区域的流动，故本文模拟中使用的是SSTΚ-O湍流模型。

2 数值模拟过程

2.1 轿车模型的建立

研究中建立的轿车外CAS三维造型，包括车灯、门把手、后视镜等局部细节。主要参数为：车长4316mm，车宽1975mm，车高1463mm。考虑到计算硬件的限制及计算收敛性，利用STAR-CCM+的包面工具对车体的造型细节进行了简化：将汽车底部做成光滑曲面；保证格栅外形的条件下，在发动机舱内部补封格栅区；简化轮腔，去掉轮辋等结构复杂件。轿车数模如图1所示。

图1 轿车几何模型

2.2 计算域的确定及网格划分

理论上讲，汽车行驶的空间是无限的，但实际计算时，需要确定一个有限的空间范围，既能够减小风洞试验中的阻塞效应，还能达到不浪费计算资源的目的[3]。由于车体沿中纵剖面对称，故只取半车体建模，以简化计算[4]。计算域为：入口距离车头最前端为2倍车长，出口距离车尾末端为4倍车长，整体计算域宽度为2.5倍车宽，整体高度为5倍车高。

体网格在车头、车尾、车顶、车底及后视镜等五部分做了局部加密，其他部分采取渐变的网格布局，生成共735万单元规模的六面体核心Trim网格。

总之，小学教师情绪劳动管理是本研究的重要目的之一，也是研究的实践意义所在。基于对小学教师情绪劳动管理的相关访谈，从教师角度、学校组织角度、教育行政部门角度提可以得出适切、可行的结论与建议。

2.3 物理条件的设置

本文所分析的汽车外流场为定常流场，故初始条件不必设定。湍流模型选择使用SST k-ω模型，设定湍流强度为0.5%，长度尺度为0.1。其他边界条件设定为速度入口：100Km/h，压力出口，移动地面：100Km/h，车轮转速：92.56radian/s。

3 结果分析与针对性造型优化

3.1 气动力系数

本车型计算空气阻力系数为0.256，汽车升力系数计算值为0.147。各细部风阻系数贡献率如表1所示。

从车身细部空气阻力系数占比来看，头部造型、尾部造型以及车身造型对气动阻力的影响较大，符合汽车气动特性规律中，汽车高速行驶时的主要阻力来源为车头与车尾的压差阻力的描述。

3.2 车身速度场与造型优化

从图2Z=0.05截面速度矢量图可以看出，因车身侧围造型特征原因（凸凹特征）出现线条曲率变化过大，由此带来此处（图中虚圈部分所示）气流分离显著，形成负压区，该负压区造成的结果是车身阻力系数有所偏大；其次，由于车身气流分离比较显著，此负压区延续至尾流区，造成汽车尾部尾涡区的横向截面变大，尾涡体积较大，也是造成整车空气阻力系数偏大的主要原因之一。

鉴于以上原因，我们需要协调造型特征和气动特性之间关系，对此处的造型进行调整，为了避免曲率变化过大引起气流的显著分离，把车身侧围外凸曲线改动成更加平滑流畅的特征造型，如图2红色圈所示。

图2 车身Z=0.05截面速度矢量图与改型示意图

3.3 车尾速度场与造型优化

由前表1可知，车尾对整车空气阻力系数的贡献占32%，对力系数的贡献最大。我们仔细观察图3纵截面尾涡处速度矢量图可知，来自于顶部气流向下冲向地面与流经车底与侧面的气流在尾部汇合并形成复杂的汽车尾流场，尾流场中产生的涡，涡心偏上，随着尾流的发展涡强减弱、涡心降低并逐渐趋近于地面。总体来讲尾涡纵截面较大，拖尾较长，导致尾涡体积偏大。这也是造成整车空气阻力系数偏大的又一主要原因。

表1 轿车各细部风阻系数及占比

因此我们需要对汽车尾部造型做一些调整，以期望来减小尾涡体积，减小空气阻力系数。主要手段是增大车身离去角及后保险杠圆弧半径，如图3所示。

图3 车尾纵截面尾涡处速度矢量图与改型示意图

3.4 优化车型仿真结果

通过前表1与表2各项数值对比，可以发现：优化车型的计算空气阻力系数0.248、升力系数为0.137，原车型的计算空气阻力系数0.256、升力系数0.147，阻力系数下降了0.008，升力系数略降。从各细部阻力系数来看，车身阻力系数下降了0.005、车尾下降了0.003，车身与车尾是下降最明显的地方。