某轻客后视镜的CFD分析与改进

陈桂均

(南京依维柯汽车有限公司， 南京 211806)

研究表明：因汽车表面各附件和孔眼、凹槽及缝隙所引起的气流干扰而导致的阻力约占总空气阻力的5%～16%[1]，其中后视镜作为钝体以较大的结构完全突出于车身外，所以对后视镜进行合理设计以降低整车气动阻力十分必要[2-5]。本文利用CFD软件首先对某轻型客车外部流场进行了仿真计算，并和风洞试验结果对比，然后重点研究后视镜形状对整车风阻系数的影响。

1 整车CFD仿真分析及验证

1.1 网格与边界条件

根据该车型的三维CAS模型，在CATIA中进行模型的前处理，对车身数模进行一定的简化，忽略车门把手、刮水器、排气管和天线等部件对风阻的影响。简化后的车身模型长为5 990 mm, 宽为2 000 mm，高为2 350 mm,车身裙边离地面距离取为390 mm。在车的外部建立一个长方形空腔计算区域，模拟汽车周围空气的流动区域，为了尽量减小长方体空腔的壁面对汽车外部流场的影响，将计算域取为长方体[6]，尺寸为41 930 mm×10 000 mm×12 140 mm,即车前方为2倍车长，车后方为4倍车长，车上方约为4倍车高，两侧各为2个车宽，如图1所示。

图1 整车CFD计算模型

应用前处理专业软件HyperMesh对带后视镜的整车模型及计算区域进行网格划分，网格数量为3 962 616个，然后再将划分好网格的有限元模型导入Gambit(流体力学模拟基础软件)中，建立边界条件，最后导入Fluent(CFD软件包)中进行求解计算并进行结果后处理[7]。

由于实际情况下地面是不存在附面层的，为了消除由于数值仿真而产生的地面边界层，仿真时用移动壁面边界条件，研究表明[8]，这种方法切实可行。

计算域边界条件设置如下：

1) 计算域前端：速度入口，给定入口风速33.33 m/s(120 km/h)，与风洞测试条件一致。

2) 计算域后端：压力出口，设置为标准大气压101 325 Pa。

3) 计算域顶面、地面和侧面：移动壁面(moving wall)，速度v=120 km/h。

4) 车身表面、后视镜：固定壁面(stationary wall)。

5) 其他：空气密度1.181 5 kg/m3，Realizablek-ε湍流模式。

1.2 仿真结果

设定好计算域边界条件后，利用Fluent对v=120 km/h的高速工况进行CFD仿真计算，结果表明，该模型车头前端中心处的压力最大。这是由于气流在到达车头部位时，来风被分为上部、下部、侧面气流，而在车头前端中心处速度降低最明显，出现滞流区，导致这里的压力显著增大，约为710 Pa。当气流到达发动机罩盖板和前挡风玻璃的交界处时，由于挡风玻璃的存在，气流速度降低，同时由于发动机罩盖板与前挡风玻璃之间凹角的存在，在凹角处形成一个滞流区，该区具有正压力，约为440 Pa。

车尾部压力区的很大面积几乎都为负值，中心部位约为-60 Pa，边缘部位约为-110 Pa，由于大尺度漩涡的存在，能量快速而大量地在这里消耗，从而使尾流压力减小，引起较大的前后压力差值，导致气动阻力较大。

根据Fluent计算结果，提取正向行驶阻力Fd和正面投影面积A，由公式Cd=2Fd/ρv2A计算出该车型带后视镜时在风速V=120 km/h、偏角为0°时的风阻系数Cd1为0.423。

1.3 风洞试验的验证

本次风洞试验安排在气动-声学风洞进行，气动-声学风洞配备有高精度的六分量气动天平、五带式道路模拟系统和多种测量设备，可以对整车进行空气动力学及气动声学性能测试。其中，六分量气动天平用于测量平均的气动阻力、侧力、升力以及翻滚、俯仰和横摆力矩；五带式道路横拟系统较为真实地模拟了汽车实际运行状况中车底的路面状态。

试验结果显示，风速V=120 km/h，偏角为0°时，汽车模型的风阻系数为0.421，不带后视镜的模型风洞试验值为0.388，试验值与仿真值相差不大，说明仿真方法是有效可行的，可用于后续的研究分析。

2 后视镜流场分析及改进

2.1 后视镜对整车风阻系数的影响

为分析后视镜对整车风阻系数的影响，在前文已经验证过的整车CFD仿真模型中去除后视镜，再次建立不带后视镜的计算模型，经仿真计算，在Fluent软件中求出其风阻系数Cd2为0.390，带后视镜的仿真值Cd1为 0.423，通过公式K=(Cd1-Cd2)/Cd1计算得出后视镜对整车风阻系数的贡献值为7.8%。故后视镜对整车风阻系数的影响不容忽视，针对其进行CFD分析,对指导设计、改进或选型等都具有十分重要的意义。

2.2 后视镜流场分析

在前文1.1和1.2所述的整车模型CFD分析结果中，截取后视镜表面压力及周围流线分布，结果如图2所示。

(a) 压力分布云图 (b) 后视镜处流场分布图2 后视镜流场分布图

图2 (a)为后视镜表面的压力分布云图，从图中可以看出，后视镜内侧压力最大，外侧压力最小，且为负压。图2(b)为后视镜处周围三维流场分布，从图中可以清楚地看到后视镜后部存在大量的回流区，形成了一个明显的分离涡系，该漩涡不会立刻消散，而是沿着车身表面向后运动，最后汇入汽车尾部的纵向涡系，相互作用直至消失。后视镜尾涡同样会增加汽车尾部的涡量消耗，增加整车所受的气动阻力[9]。

2.3 后视镜造型改进

从上述分析可知，后视镜使整车气动阻力增加主要有两方面的原因：一方面后视镜突出于车身之外，增加了整车的迎风面积，形成了压差阻力[10]；另一方面由于其尾部出现了明显的气流分离，使侧窗附近以及车尾流场更加紊乱，增加了整车的涡量损耗。而这两方面的影响是相互制约的。为了探讨汽车后视镜的形状对整车风阻系数的影响，根据对后视镜原始方案的仿真结果提出以下改进方案：将后视镜迎风面按流线分布做得更加圆润，同时后视镜臂座开一个矩形凹槽，以降低湍流和整车的涡量损耗[11-12]，如图3所示。

将改进后的后视镜与车身模型进行装配，建立几何模型，重复1.1的CFD计算过程，进行CFD仿真分析，结果如图4所示。

由图4可以看出，改进后的后视镜的压力梯度较改进前小，所受平均压强降低，更有利于减小整车的风阻系数。截取CFD分析的后处理结果可知，相对于原始方案，后视镜改进方案能使整车风阻系数仿真值由0.423降至0.407，降幅达3.8%。

3 结束语

汽车后视镜作为重要的外部件,其外形直接影响整车风阻等气动特性，本文利用CFD软件对某轻型客车外部流场进行仿真分析，对比风洞试验结果可知，本文所建立的计算模型及所采用的仿真方法有效可行，可以满足工程要求。对后视镜气动干涉阻力特性进一步分析计算与改进设计，结果表明后视镜的形状是影响气动干涉阻力特性的主要参数，通过对后视镜造型和结构进行优化，有效地降低了整车的风阻系数，获得了满意的结果。