汽车外流场分析以及流线型改进

刘进，蒋慧略，刘波，杜大伟

(1. 齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东 青岛 266001；2.山东省海洋仪器仪表科技中心，山东 青岛 266001)

现代汽车行业发展迅速，人们对汽车的性能要求也不断提高，计算流体力学(computational fluid dgnamic,CFD)在汽车空气动力学中得到了广泛的应用，同试验相比，其具有可预先研究、不受条件限制、成本低和周期短等特点。近年来，学者们开始研究优化汽车的车身[1]从而优化其气动特性，并改善汽车性能、节约研究资金、提高研究效率，已经获得了较为理想的研究成果。彭昌明[2]基于一款纯电动汽车车身模型进行了减阻优化研究，钱娟等[3]改进了客车外形从而优化汽车的气动特性，张震等[4]基于CFD对跑车的外形结构进行了局部优化。但是通过CFD对汽车外流场进行分析以及改进汽车流线型方面鲜有学者涉及。因此，本文分析一种微型汽车在改变流线型前后的外流场影响，基于CFD对两种流线型[5]的汽车整体进行速度矢量场、压力场、气动阻力[6]分析，以气动阻力值作为评价指标，对汽车流线型进行了改进。

1 几何模型

选用人们日常使用且便捷的微型车作为研究对象，通过CATIA软件建立汽车的几何模型。汽车大小参照其真实尺寸，见图1。其中图1(b)为改进流线型车，删除了汽车表面许多对车身外流场影响较小的细小结构。由于这些细小结构在模型建立网格[7]划分时很复杂，并且对计算机要求较高，计算时间长，计算效率低下，故用简化的模型。得到原车和改进流线型后的汽车如图1所示，汽车外形几何参数[8]见表1。

表1 汽车外形几何参数Table 1 Predominant parameters of the car

2 CFD模拟计算

假设该汽车模型长为L,宽为W，高为H。整体计算域为模拟风洞的长方体，根据车身气体流动状态和原理[9]，长度方向计算域取气体入口距离车头2.5L,气体出口距离车尾6L，宽度方向两侧取2.5W,高度为5H。如图2所示。

本文是用ICEM-CFD划分网格，采用四面体网格，由于车身表面是关键表面，因此采用较细的网格并且为了网格的连贯性设置了边界层。网格总数为516 517，得到的网格模型如图3所示。

图2 计算域模型Fig.2 Computational domain model

图3 网格模型Fig.3 Mesh model

本文的湍流模型采用 Realizable k-epsilon计算模型[10]，边界条件：进口速度为20 m/s、50 m/s;出口压力为大气压;车身为不可滑移壁面;地面是移动壁面，速度分别是20 m/s、50 m/s;近壁面处理采用标准壁面模型[10]。

3 流场结果分析

3.1 速度矢量分析

本文对原车和改进流线型车进行了CFD计算分析，模拟了在20 m/s的正常行驶速度和50 m/s的极限行驶速度下，原车和改进流线型车外流场的差异以及对汽车动力性能的影响。得到的速度矢量结果如图4、图5所示，并局部放大了车尾的速度矢量部分便于分析。

图4 原车和改进流线型车在20 m/s的速度矢量图Fig.4 Velocity vector diagram of cars before and after optimization at 20 m/s

图5 原车和改进流线型车在50 m/s的速度矢量图 Fig.5 Velocity vector diagram of cars before and after optimization at 50 m/s

通过对图4～5在相同车速下原车与改进流线型车的速度矢量图分析可得，无论是原车还是改进流线型车在20 m/s和50 m/s速度下速度矢量变化规律基本一致。两种流线型的车身前方来流，大部分都流向了车顶，小部分流向车底。通过观察原车与改进流线型车在局部放大的尾部速度矢量部分可以发现，原车在20 m/s和50 m/s速度下气流流至车身尾部时出现旋涡，产生的逆时针气流会造成汽车外流场的总压损失，车尾涡流造成能量消耗，增加气动阻力；而改进流线型车在20 m/s和50 m/s速度下均未产生明显的旋涡。流线型的设计有效控制了气流的局部分离现象，减少了能量消耗，提高了汽车的续航能力。

3.2 外流场压力分析

图6 原车和改进流线型车在20 m/s的压力云图 Fig.6 Pressure nephogram of cars before and after optimization at 20 m/s

图7 改进流线型车在50 m/s的压力云图 Fig.7 Pressure nephogram of cars before and after optimization at 50 m/s

通过图6～7，比较相同车速下原车与改进流线型车的外流场压力云图可得，原车与改进流线型车在车头的表面压力最大。这是由于远前方气流遇到车头而受到阻滞，使气流速度降低，因而在车头形成正压区。车头上缘角压力下降，这是由于上缘角曲率大，气流来不及转折而出现局部分离，这时气流速度也较大。在车身长度方向的压力分布影响着前后轮载荷的分布，进而影响驱动力。可以看出20 m/s和50 m/s速度下改进型车的对称面压力分布较为均匀，压力梯度相对原车变化平缓，改进流线型的载荷分布明显优于原车的载荷分布，这是因为流线型的设计使得车顶气流相对平缓，从而车顶部的空气压力小于车底部的压力，产生更多的升力，进而影响汽车的稳定性。

3.3 车身压力分析

为比较原车与改进流线型车在20 m/s和50 m/s速度下车身表面的压力分布，我们获取了原车与改进流线型车的车头区域、前挡风玻璃区域、车顶区域以及车尾区域的平均压力值，分别用A、B、C、D表示。车身前表面压力示意图如图8所示，车身后表面压力示意图如图9所示,得出的20 m/s和50 m/s各区域压力均值如表2～3所示。

图8 原车和改进流线型车的前车身压力示意图Fig.8 Pressure nephogram of simplified front body before and after optimization

图9 原车和改进流线型车的后车身压力示意图 Fig.9 Pressure nephogram of simplified rear body before and after optimization

表2 汽车在20 m/s时4个区域的压力均值Table 2 Mean pressure value of four areas at 20 m/s 单位：Pa

表3 汽车在50 m/s时4个区域的压力均值Table 3 Mean pressure value of four areas at 50 m/s 单位：Pa

从表2、表3可以看出，在20 m/s速度下A区域压力值最大。原车为255 Pa，改进流线车为252 Pa,气流流过引擎盖前缘由于气流分离，到B区域压力逐渐下降直至C区域变为负压，气流在D区域分离，形成负压区。其中，从A到C区域的压差值原车为435 Pa，改进流线型车为382 Pa。D区域原车的负压为-22 Pa,改进流线型为-2 Pa。

在50 m/s的极限行驶速度下，A区域仍然有最大正压力。原车为1590 Pa，改进流线车为1430 Pa,从A到C区域的压差值原车为2980 Pa，改进流线型车为2640 Pa。气流在D区域也形成负压区，原车的负压为-240 Pa,改进流线型为-133 Pa,发现无论在20 m/s还是50 m/s速度下，改进流线型车的压力差都低于原车的压力差。

因为在前风窗跟发动机罩之间流线型改变，使得改进流线型车的压力分布明显减小；而在空气的黏性作用下，气流在汽车前端的车盖上发生了局部分离，导致受到的压力降低。在车顶以及车的后部采用的流线型设计，使得空气的黏性作用让气流流动均匀，行驶过程中受到的风阻较小，对于汽车的动力性影响较小；在正常行驶速度20 m/s和极限行驶速度50 m/s下，改进流线型尾部的平均压强值也低于原车的压力值，因此车身模型的流线型改进后，改善了车尾部气动特性。

3.4 气动阻力分析

降低汽车的气动阻力是汽车气动造型改进的一个主要指标，原车和改进流线型车身模型在20 m/s和50 m/s速度下数值模拟计算后得到的气动阻力值见表4。

表4 汽车气动阻力值Table 4 Aerodynamic resistance of cars 单位：N

发现在20 m/s的速度下，改进流线型车的气动阻力值比原车型降低了6.67%；在50 m/s速度下，改进流线型车的气动阻力值比原车型降低了4.55%。这是因为合理地设计车身，即在车盖、车顶和尾部的流线型设计，减少了车头正压区和车尾负压区的压力，气流会流经车身表面，此时受到车身阻碍发生分离，分离后，气流再次附着车身向后流。因此，流线型设计产生的分离区越小，消耗的能量就越少，产生的气动阻力值就越低。

通过对比原车和改进流线型车20 m/s和50 m/s速度下的气动阻力值，发现无论在正常行驶速度还是极限行驶速度下，改进流线型车都能有效减小行驶过程中受到的气动阻力，表明改进方案有较好的减阻效果。

4 结论

本文基于某一微型车车身模型进行了减阻优化研究，结果表明无论是正常行驶速度20 m/s还是极限行驶速度50 m/s下，改进流线型车的压力分布均得到了有效改善，气动阻力在20 m/s时减阻率为6.67%，在50 m/s时依旧能减阻4.55%。该研究的气动阻力优化效果突出，为汽车流动减阻、结构设计提供了指导依据。本文采用数值模拟的方法，对实际车型进行了简化，并未考虑汽车复杂特征，在后续的研究中可以考虑更多汽车的局部结构细节特征，进一步完善优化结果，以期获得更好的汽车性能。