某皮卡车在开关窗工况下的空气动力学特性研究

王红钢 徐磊 陈晓

1 引言

汽车空气动力学是研究汽车在行驶过程中与周围空气之间相互作用，以及空气对汽车各性能影响的科学。而随着计算机和数值仿真技术的迅速进步，属于交叉学科的汽车计算流体力学（ Computational Fluid Dynamics）在汽车的设计制造过程中得到了广泛应用。汽车空气动力学特性直接影响汽车的动力性、安全性、操纵稳定性、燃油经济性和舒适性等。

汽车空气动力学的研究手段分主要分为：试验研究、理论分析和数值计算。目前汽车空气动力学研究是以风洞试验研究为主。风洞试验的数据结果一般可信性度较高，但是风洞试验受限于试验方法、手段、设备及试验经费等实际客观条件，再者风洞试验周期较长，此外尚有一些特定问题无法在试验中得到解决。

理论分析法的特定在于科学抽象，利用数学计算方法求出相对理论结果，来揭示汽车一空气的内在规律及空气动力产生机理。但是理论分析法受限于数学工具及求解方法，通常只能建立较为简单的近似模型和特定的工程经验公式，无法满足复杂的工程实际应用。

与试验研究和理论分析相比，汽车计算流体力学不仅能够模拟绝大部分试验结果，代替部分试验环节，而且省时省力，同时它还能揭示和分析一些试验方法无法处理的复空气动力学问题和现象。汽车计算流体力学的进步也促进了汽车试验研究和实际理论分析方法的发展，三者相辅相成共同推动了汽车空气动力学特性的深入研究。

2 基本控制方程

计算流体力学方法是对汽车周围三维湍流流场的控制方程用计算数学的算法将其离散到一系列網格节点上求其离散数值解的一种方法[3]。根据流体力学理论，不可压缩粘性流体平面运动，可以用椭圆型泊松方程和拟抛物线型方程表示：

3 CFD模型的建立

3.1 三维模型建立

为研究皮卡车不同车窗开度对整车空气动力性特性的影响，根据皮卡车整车参数构建车窗全开启、车窗全关闭、车窗左侧开启右侧关闭和车窗前面开启后面关闭（为便于捕述，依次用工况I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示），共4种工况下的流体力学分析计算3D模型。模型采用UGNX8建立，模型对皮卡车实体表面做了简化处理，3D模型去除了车门把手、后视镜车灯等，同时对皮卡车的底部做了平整处理。上述对模型的改变对皮卡车流场的总体特性影响较小，但是可以提高计算模型的经济性。四种工况的三维模型如图1：

3.2 CFD模型前处理

皮卡车的基本三维模型建立之后，下一步工作就是选择一个与壁面不相临的计算域，通常采用规则的长方体或者正方体。本文的计算采用长方体，长方体的各个面与某一坐标轴平行或垂直，这有利于生产控制网格。计算入口为对称均匀来流，计算域划分为两个部分，第一部分为车身附近的区域，采用一个与汽车外形大致近似的多面体将汽车包裹其中，以在此区域内生成四面体网格，并在车身表面拉伸三棱柱网格；多面体之外为第二部分，在此区域内生成六面体网格。根据经验，计算流场仿真时所选取的计算域到一定的大小时，汽车流场就不再会受计算域大小的限制。所以本文的计算域长度取9倍车长（其中入口距汽车最前端2倍车长，出口距汽车最后端6倍车长）；计算域高度为4倍车高；计算域的宽度为3.5倍车宽，即计算域侧面距车侧最外缘为3倍车宽[4][5]。

网格划分：在CFD计算中，网格的划分技术是影响求解速度和精度的重要因素之一。另外CFD计算对网格划分有着较严格的要求：边界层网格、流场变化剧烈的区域要求网格局部加密。车身表面及其附近采用灵活性好、对复杂外形适应能力强的四面体网格；由于计算区域非常大，为了节省计算机内存，加快网格生成速度及减少计算时间，在远离汽车的大区域采用比较规则且迭代收敛较快的六面体网格；同时，为了更好地捕捉流体在汽车表面的流动特性，在车身表面拉伸三层三棱柱网格。

边界条件：速度入口边界，速度依次30、50、60、70、80、100、120km/h，方向垂直于入口壁面湍流动能k-0.03375；出口：自由流出边界；地面：滑移地面边界；顶面和侧面：移动避面边界，对称边界。

计算机设置截断误差0 001，最大计算迭代步数1000。

4 皮卡车外流场数值仿真结果

通过ANSYS计算得到4种工况下模型在不同速度下受到的行驶阻力以及风阻系数如表l所示。

四种工况的整车压力和整车流线计算结果如下图所示。

由CFD计算结果可以看出4种工况下的皮卡车压力最大部位均为车辆前下部，由于车辆前部在行驶过程中为主要迎风面，中上部的流线造型要比中下部流畅，因此对气流的阻碍也较小，所以压力的最大部位集中在车辆的中下部。对比4种工况下皮卡车的风阻系数和车辆所受空气阻力，可以发现车窗关闭工况下的风阻系数和空气阻力最小，车窗全开工况下的风阻系数和空气阻力最大，工况Ⅲ和工况Ⅳ居中，而且随车速的增加行驶阻力数值的差距也随之增大。虽然车辆车窗在车辆的纵向平面，对车辆整体的动力性特性影响不大，但是车窗的开启也会对车辆的整体空气动力学造成影响，车窗开启会使流过车体表面的气流产生局部紊乱，产生小范围的局部涡流，车辆四个车窗开启的越多此影响也就会越多，对比工况I和工况Ⅱ整车流线图也可以说明这一点。

5 结语

应用CAD软件和CFD软件通过对汽车的仿真分析，能够较准确的反应车辆的气动特性，可以减少进行风洞试验的次数，加快汽车开发周期。本文对某皮卡车建立了四种不同开窗工况的三维模型，对模型进行了外流场特性仿真分析，结果表明，不同的车窗开启方式会改变皮卡车的外流场特性，而随着车速的提高，该流场特性改变也就越大。另外从皮卡车行驶阻力上分析，高速工况下开启车窗会较大程度增加车辆行驶阻力，对车辆的燃油经济性不利。