于Fluent分析的节能车外形设计与优化

马明辉，靳红玲，石复习

（西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100）

引言

Honda节能车竞技大赛是将参赛团队设计制作的汽车在规定时间、规定线路，行驶一定距离后，由此换算出车辆消耗一升油所能行驶的公里数，耗油量少者胜出的一项赛事，参赛车辆搭载由本田公司开发的四冲程发动机。在发动机、汽车底盘确定的情况下，车辆的外壳减阻性能对节省油耗有巨大意义，如何设计车壳的形状进行减阻成为历届参赛团队重点解决问题。

本设计通过参考汽车车身减阻方面的研究文献和参考其他优秀参赛车队的外形设计，构思并设计西北农林科技大学Honda节能车竞技参赛用车车壳的造型，应用 CATIA和ANSYS ICEM软件分别对车壳进行三维造型和网格划分，最后通过ANSYS fluent软件对其进行流场分析，利用仿真结果（压力云图，速度矢量图，迹线图）分析产生压力较大位置和涡流位置的原因，并对这些位置的造型进行优化设计以减小车辆的压差阻力。

1 车壳三维造型设计

考虑到节能车前轴采用两个从动轮、后轴采用一个驱动轮的布置形式，车身设计成前宽后窄的造型方案。根据空气动力学理论，任一运动物体所受到的气动合阻力(包含形状阻力、干扰阻力、内循环阻力、诱导阻力、摩擦阻力)与其受到的动压及它的参考面积(对于汽车常取其迎风正投影面积)成正比，该比例系数为空气阻力系数CD，对于车身的阻力主要来于车辆前后的压差阻力[1]，另外，有研究表明，车身从上方看呈近似菱形形状，在实验风速为30m/s，侧滑角从0度到15度，其阻力系数随侧滑角的变化为0.27～0.30，而普通汽车在同等条件下其阻力系数随侧滑角的变化为0.31～0.52[2]，同时将后扰流板延长并下压会逐渐降低整车阻力系数[3]，对其进行模仿创新，将尾部延长并下压。综合以上设计思路本设计车身三维造型如图1所示（包含俯视图）。

图1 车身三维造型

2 有限元分析

2.1 划分网格

因为进行流场分析，故而先设置入口面、出口面、壁面以及body。根据经验，为了模拟汽车行驶状态，模拟使用长方形的计算域，设汽车尺寸长 × 宽 × 高（L×W×H），计算域尺寸应为 10L×4W×5H[5]。采用Tetra/Mixed方法和Robust(Octree)算法建立全局网格，对不重要的区域适当降低网格密度，对关心的区域进行局部网格加密，从而在能得到较精确结果的前提下，减轻计算机计算量[6]，故对进出口以及周围区域适当降低网格密度，对关心的车身及周边区域进行局部网格加密。检查网格质量网格未出现畸变。

2.2 定义计算模型及监视器

节能车在良好赛道上行驶，没有横风作用，车速平均在25km/h，故本研究选用工程上常用的k-e湍流RNG模型来封闭控制方程组，湍流模型如下[7]。

式中Gk——由平均速度梯度引起的湍动项；

Gb——由于浮力影响引起的湍动能项；

YM——可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响；

设定风速为15m/s模拟瞬时最快速度的情况，设置气动阻力监测曲线和气动升力监测曲线，用以反应前后压差大小以及升力大小[8]。

2.3 实验结果与分析

由车尾速度矢量图（见图 2）可知，空气速度由 15m/s左右通过车身中部过渡到车尾减小至0.9m/s左右，减小过快，可见车前对空气阻力较大，即空气对车身阻力较大，且车前速度方向似从一点发出，分析可能存在奇点。由图3所示的压力云图可见，车前最大压强为 135Pa，车尾最大压强约为32.6Pa（车尾部受负压），车身前后所受压强较大，车尾空气由左右两个方向汇入，导致车尾速度方向混乱，形成较大涡流，从而使车尾产生较大负压。

图2 车尾速度矢量图（m/s）

图3 压力云图（Pa）

查看整车受力报告，在010方向即车辆行驶方向（以下简称010方向），总的压差阻力为9.1N，总的表面摩擦阻力为9.9N，两者总和为19.1N。在001方向即车辆与地面垂直的方向（以下简称001方向）所受气动升力为-59.2N（负号代表方向，下同）。

为确保实验数据的可信度，从理论上粗略计算总的压差阻力（Pressure）：

汽车在行驶过程当中，其所受到的空气阻力一般计算公式为：

其中，CD为气动阻力系数；ρ为空气的密度，取ρ=1.2258N.s2m-4；A为汽车的迎风面积，单位为 m2；ur是相对速度，在无风状况下即汽车的行驶速度(m／s)。

按照典型汽车的参数，取 CD=0.3，A=0.225m2（取节能车实际迎风面在竖直方向上的投影为迎风面），ur=15m/s，算得Fw=9.3N，与仿真结果相近，故仿真结果可信。

3 优化设计

由对实验结果的分析，尾部湍流较大，受到较大的负压，以及车架尺寸不可改变这一实际因素考虑，针对减小尾部湍流尺寸，使湍流远离车身，以及破坏湍流形成，提出两个优化尾部的方案。

方案一：

在尾部增加扰流板，如图 4，使分离的气流重新在扰流板上附着，减少涡流的产生[9]。如图5优化后车尾速度矢量图，尾部涡流尺寸明显减小并且远离车身。

图4 尾部增加扰流板

图5 尾部增加扰流板后车尾速度矢量图（m/s）

由尾部增加扰流板后整车受力报告可得，在010方向总的压差阻力为6.7N，与优化前相比降低26 %，在001方向总的气动升力为-44.7与优化前相比降低24.5%。虽然目标是减小尾部湍流，但是001方向的气动升力也随之减小，相当于车身对地面的正压力也减小了，等效为车身自重的减小，在行驶相同距离时，除了自重减小，其他条件不变的情况下可以更加省油。

方案二：

运用仿生学原理，在尾部增加“鲨鱼鳍”如图 6；汽车尾后方为湍动能的主要耗散区域，因此在该区域安装附加装置，抑制附面层增厚和气流分离，可降低气动阻力[9]。根据上文仿真结果，空气由车身左右以及下方汇入，又因为“鲨鱼鳍”作用是抑制附面层增厚和气流分离，综上重新设计“鲨鱼鳍”形状以及个数及摆放位置，个数为3个，均匀摆放在空气主要流经区如图7尾部增加鲨鱼鳍后，大的涡流被破坏。

图6 尾部增加鲨鱼鳍

由尾部增加“鲨鱼鳍”后整车受力报告可得，在010方向总的压差阻力为2.2N，与优化前相比降低75.7%，在001方向总的气动升力为-22.6N与优化前相比降低61.8%。同方案一中，在方案二，001方向气动升力也出现了下降。

图7 尾部增加鲨鱼鳍后速度矢量图（m/s）

由图8三种方案受力比较可见，尽管整车整体形状由于车架尺寸的限制，没有做出改变，空气流过车身后依然由15m/s减小到一个较小值，但是通过在尾部增加扰流板，减小尾部湍流的大小以及增大湍流中心与尾部表面的距离，或在尾部湍流中心增加鲨鱼鳍，破坏湍流的形成依然有减阻效果。

图8 三种方案受力比较

4 结论

本文通过对节能车车壳的设计，以及通过有限元的分析计算及结果分析，完成了节能车空气动力学分析，得到了不同尾部结构下的车身在正常行驶状态下的风阻和气动升力，以及其速度矢量图，压力云图。通过观察车身尾部的气动分布，以及所得的压差阻力，得出车身的优化设计方向，即通过改变车尾结构以减小或破坏车身尾部的湍流，可以在一定程度上降低车辆行驶过程受到的空气阻力，达到节能的目的。