某轿车车身外流场空气动力学研究

胡树山，刘荣娥

（鄂尔多斯应用技术学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

引言

汽车空气动力性能是汽车重要特性之一，它直接影响了汽车的动力性能、经济型、操纵稳定性和冷却通风、风噪声以及安全性[1]。因此，汽车制造行业一直致力于研究降低汽车的空气阻力系数 Cd值，以降低燃油消耗率，从而达到节省燃油的目的[2]。

降低空气阻力系数对改善燃油经济性极其可观，轿车气动阻力系数由0.42降为0.3时，混合循环工况下燃油经济性可提高约9%；而当车速达到150km／h时，燃油经济性改善可达 25%之多[3]。为了减少汽车燃料的消耗，现代汽车的外形设计越来越趋于流线型，使得轿车的风阻系数越来越小[4]。

1 模型建立

本文通过某款轿车四视图及外形尺寸，利用 CATIA V5 R20中影像草图功能模块，导入视图，再通过自由曲面和创成式外形设计功能模块进行正向开发。将上述视图文件中的主要外形尺寸进行整理，受计算机CPU运算能力的限制，按1：5比例计算得到模型外形参数尺寸，如表1所示。

对实车做了如下简化：忽略车身外部突起物如后视镜、刮雨器等部分；将轮胎简化为无辐板式实体轮胎；且对车身底部做了简化，如图1所示。

表1 模型参数

图1 轿车整车建模

CATIA V5 R20软件提供了丰富的曲面分析工具，能够精确控制曲面质量，在建模过程中，所有曲线都须做质量分析，特别是给车身覆盖件做铺面的曲线，必须达到要求。本模型车身表面的曲面都达到A级曲面的标准。

通过车身光顺性分析[5]可知，从每个曲面来看，走势顺畅、非常连续，没有出现突变的部位；过渡曲面与其相邻的曲面过渡流畅，没有间断，较为美观；从整体效果来看，高亮线排列比较均匀且都是连续的，纹理过渡平滑自然，曲面光滑平整，造型整体效果较好，整车的表面质量很高。

图2 等照度线映射分析

图3 环境对映分析

2 控制方程

2.1 质量守恒方程

任何流动问题都必须满足质量守恒定律，又称连续方程。按这一规律质量守恒方程如下：

式中：ρ为密度；t为时间，u、v和w分别为速度矢量在x、y和z方向的分量。若流体不可压，ρ为常数，则方程变为：

2.2 动量守恒方程

动量守恒方程也是任何流动问题都必须满足的守恒定律，即牛顿第二定律。按这一规律，在x、y和z方向上的动量守恒方程如下：

式中：p为流体微元上的压力；τxx、τxy和τxz等分别为因分子黏性作用在微元体上的黏性应力τ的分量；Fx、Fy和Fz为微元体上的体力。

2.3 能量守恒方程

能量守恒定律是含热交换流动系统必须满足的基本定律，即热力学第一定律。方程如下：

式中：cp为比热容；T为温度；k为流体的传热系数；ST为流体的内热源及由于黏性作用的流体机械能转化为热能的部分，有时简称ST为粘性耗散项。

对于不可压缩流体，若热交换量很小甚至可忽略，可以不考虑能量守恒方程，这样，只需联立求解连续方程和运动方程即可。

2.4 湍流控制方程

一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程和动量方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。因此，不考虑压缩流动，使用笛卡尔坐标，速度矢量在x、y、z上的分量为u、v和w，湍流瞬时控制方程如下：

3 车身外流场数值模拟计算

3.1 计算空间建立

计算域尺寸的确定其实就是确定“模拟风洞”的大小。其在建立计算域尺寸大小的时候最主要的考虑就是阻塞比φ对汽车气动特性的影响，阻塞比φ的计算公式如下：

式中：Aref表示轿车迎风面积；WC表示计算域的宽度；HC表示计算域的高度。

关于计算域尺寸的确定，参考了相关文献，设车身长度为L，车身宽度为W，车总高为H，为了尽量解除数值风洞的有限体积对车身外流场数值计算的影响，计算域设定车前部为3L，车后部为6L，长方体高为6H，宽为6W。具体计算域尺寸参数设置，见表2。

此方案的阻塞比φ大小为2.3%，满足SAEJ1252推荐的模型风洞的阻塞比小于5%的要求[6]。

表2 计算域相关尺寸数据

图4 CATIA计算域半剖模型

3.2 网格划分

图5 计算域的网格划分

图6 对局部加密处理

图7 车身表面的网格处理

靠近车身以及车身与地面之间的计算区域由于流动比较复杂，也是研究的重点区域，采用较密的网格划分，这样有利于流场的分析。而在远离车身的计算区域，希望网格生成尽量简便，节省机时，采用较稀疏的网格。最后，网格总数为1209433，节点数为218887。

3.3 软件参数设置

1）在本文计算当中，边界条件设置可见图8，具体参数如下：

（1）入口边界：取车身前远端面为入口边界，计算时给定入口速度条件为25m/s。

（2）出口边界：取车身后远端面为出口边界，边界条件设置压力出口。

（3）固定壁面条件：将车辆模型外表面设置为固定壁面，满足固定壁面无滑移定律。

（4）由于计算机配置有限，无法进行过于复杂的计算，故不考虑地面效应。

图8 边界条件设置

2）设定介质物理参数

因为汽车的行驶速度通常为0-300km/h之间，流体介质只为空气。马赫数对于普通轿车来讲远小于 1，因此可以认为空气是不可压缩的，且不考虑空气物理参数值的变化，即空气的温度、粘性和压强不变[7]，如表3所示。

表3 空气物理参数

本文选择标准k-ε模型作为计算的湍流模型，迭代方式采用SIMPLEC算法，离散格式为二阶迎风格式[8]。

4 结果分析

4.1 气动阻力

根据建模的坐标系方向，y方向为气动阻力方向，选择y方向（0，1，0），显示出车身模型在数值模拟计算中所受到的气动阻力值，如图 9。同理，选择z方向（0，0，1），即可显示车身模型在外流场模拟中所受的的气动升力值，车身模型在外流场模拟中所受的气动升力值，如图10。

图9 计算结果（一）

图10 计算结果（二）

4.2 流场图形分析

（1）速度云图

根据图中的箭头疏密程度和颜色可以看出，气流从车头到车尾的空气流动形态。气流在撞击车头后分为两股，一股顺车身模型的引擎盖流向挡风玻璃，另外一股向下沿车身从底部流走。

图11 对称面速度矢量分布

在车身上部分的气流在引擎盖端缘开始加速，由于受到前风窗的阻挡，气流迅速减缓，并形成一个小的阻滞区，然后速度开始增加，在前风窗与车顶相接处达到最大值。之后，在车身上面的气流速度略有减小，但是数值仍然较大。当气流到达车顶与后风窗相接处的时候，气流速度减小，并发生分离现象，在车身尾部形成了一个涡流区。

在车身下部分的气流则从车身底部和路面之间强制通过，气流并未在车身尾部直接流走，而是沿汽车尾部与车身上表面的气流汇合，并形成涡流区域，因此产生很大的阻力。

图12 对称面上速率分布图

图12是对称面速率分布图，从图中可以看出，在尾部有负的速率分布区，图中尾部蓝色区域，即回流区。由于扰动过大，车身底部表面边界层很快发展成湍流边界，且迅速增大甚至充满整个车身模型与地面间的空间。从图中还可以明显看见车身表面气流速度为零，这是附着在车身表面的一层边界层，而且从车身上部流出的气体速度明显高于车身底部流出的气体速度，这两种气流速度的不同，导致了车身产生了向上的升力。

（2）压力云图

根据两个云图可以看出，在汽车头部及四个轮胎的迎风面呈深红色，可见气流受到垂直方向的阻值降为零，全部动压转换为静压。流向车身上方的这部分气流在流过前风窗下边缘时，受到阻力，转化为静压，可见前风窗角影响重大。所以在车身设计时，前风窗应尽量平躺，采用大倾角设计。

图13 对称面上的压力分布图

图14 车身表面静压力分布图

在有一定斜度引擎盖上流过的气流速度仍然较快，所以在引擎盖起缘处压力仍为负值，导致该处负压区的产生。当气流到达引擎盖和前挡风玻璃相交处，挡风玻璃的存在致使气流速度降低，形成一个滞区。而且在滞区中有内部涡流的产生，所以该区具有正压力。后风窗处由于顶部的气流受到行李厢的阻碍，所以受到阻力增大，形成局部正压区。

（3）头部气流

由矢量图可以看出，气流在受到车头阻挡后，速度下降很快，几乎到接近于零，并导致阻滞区的形成。速度急速下降后的气流在此处分为两股，一股经引擎盖向上流动，并在前风窗与引擎盖的相交处发生分离，阻滞区再次形成。由于上翘角影响到车身底部与车头前端的过渡区域的气流，致使车身底部气流通过速度较小。

图15 车头对称面速度分布图

（4）尾部气流

在车身尾部存在有两个旋涡，在车身上面形成的大旋涡按顺时针方向旋转，在车身下方形成的小旋涡按逆时针方向旋转。这是因为当远方的气流流经整个车身后，两股气流中的大部分气流会在身后很远处交汇成一股气流，所以在交汇之前有一段很长的负压区。受负压区的压力影响，从车身顶部和车身底部流出气流中的各一部分气，会被吸进负压区。从而产生了这两个按不同方向旋转的旋涡，这也是气动阻力的最主要来源。

图16 车尾对称面速度分布图

由图17可以看出，湍流动能基本集中于汽车的尾部分离区域，虽然流速较低，但由于受到分离扰动的影响，气流流动紊乱，从而湍流动能比较大，致使湍流耗散率也相对较大，湍流动能最后都转化为热能耗散掉，这也使汽车克服空气阻力多做功。因此要改善汽车的气动性，就应该控制尾涡系数的强度，减弱它的湍流程度，降低气流的湍流能量消耗。

图17 汽车尾部对称面湍流动能分布图

4.3 结果计算

由图9、图10，得到原始模型的结果数据为：

利用CATIA软件得到在y方向的投影面积，如图18。即迎风面积为：

图18 车身模型在y方向的投影面

阻力系数：

根据企业报道，该款实车阻力系数为0.321。

误差为：（0.321-0.317）/0.321=1.2%。满足工程分析需要。

5 优化方案

对汽车空气动力学性能影响因素有：前部上翘角（A），前风窗角（B），后风窗角（C），尾部上翘角（D）。其中前部上翘角主要影响汽车车身底部的气流分布；前风窗角主要影响在车身上部的气流分离点；后风窗角主要影响汽车车身的尾部气流分布，尾部上翘角主要影响气动阻力大小。对A、B、C、D四因子分别提取大、中、小三种水平，生成车身三维模型。构造正交实验表，如表4。

表4 正交实验表

借鉴了相关研究经验[9]，在此范围分为大、中、小三段，分别取代表值。数据的参数分类如下：

A：4-8，9-11，12-16。取7、10、14计算。

B：25-28，29-32，33-36。取27、30、34计算。

C：21-24，25-27，28-31。取22、26、30计算。

D：5-9，10-12，13-17。取7、11、15计算。

由此得到的参数数据如表5所示。

表5 模型计算数据表

根据表5的影响车身气动性的相关参数建立车身模型。图19为选定第1组数据建立的参数化模型。

图19 第1组参数化模型

将模型导入数值仿真软件，得到各个参数模型所受到的气动阻力和气动升力整理如表6所示。由公式计算得到车身模型阻力系数和升力系数，整理后如表7所示。

为了尽可能的降低燃油消耗和增加附着力，所以要选择阻力系数和升力系数都相对较小的参数组合。对比可知第 4组和第7组系数值较小。

表6 参数化车身模型计算结果

表7 参数化车身所对应的阻力和升力系数值

可知，四个关键参数的取值范围为：A是 10～14°，B是27°，C是26～30°，D是11～15°。

选定A为12°，B为27°，C为28°，D为13°。对该优化后的模型进行数值计算。选定上述参数后的优化车身曲面如图20所示。

图20 优化后车身曲面模型

数值计算结果显示，优化后模型车身外流场气动性能得到了较大改善。

优化后结果数据为：

升力系数：

6 结论

（1）在车身上部分的气流在引擎盖端缘开始加速。在前风窗与车顶相接处达到最大值。当气流到达车顶与后风窗相接处的时候，气流速度减小，并发生分离现象，在车身尾部形成了一个涡流区。

（2）在车身下部分的气流则从车身底部和路面之间强制通过，气流并未在车身尾部直接流走，而是沿汽车尾部与车身上表面的气流汇合，并形成涡流区域，因此产生很大的阻力。

（3）由压力云图显示，前风窗角影响重大。可采用大倾角设计。

（4）要改善汽车的气动性，就应该控制尾涡系数的强度，减弱它的湍流程度，降低气流的湍流能量消耗。

（5）通过正交实验，得到优化模型。即：A为12°，B为27°，C为28°，D为13°。

参考文献

[1] 张国忠,赖征海.汽车空气动力学与车身造型研究最新进展[J].沈阳大学学报,2005（6）:40-43.

[2] 陈振明,尹华鑫.改善汽车空气动力学性能的措施[J].公路与汽运.2007（5）:4-6.

[3] 徐永康.汽车气动升力的实验与仿真研究[D].长沙:湖南大学,2014.

[4] 徐勋,许涛.汽车外流场的数值模拟[J].内燃机,2012（3）:26-28.

[5] 李学志,李若松.CATIA实用教程[M].北京:清华大学出版社,2011.

[6] Guilmineau E. Numerical simulations of flow around a realistic gene-ric car model[J].SAE International Journal of Passenger Cars Me-chanical Systems,2014（2）:646-653.

[7] 张伟.EQ1118GA 运输车外流场的数值模拟与分析[D].杭州:浙江大学,2006.

[8] 安震,李旭,李居莉.某轿车外流场数值模拟与分析[J].农业装备与车辆工程,2012（12）:48-52.

[9] 龙钢.某车型车身造型设计及空气动力学仿真研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.