基于CFD的汽车空气动力特性分析

丁扬志，孙霁宇

(1.长春汽车工业高等专科学校汽车营销学院，吉林长春 130013；2.吉林大学生物与农业工程学院，吉林长春130000)

1 引言

汽车在行驶过程中，气流流经车身与其表面摩擦，产生摩擦阻力。同时由于车身外形的阻碍，气流改变了原有的流动状态，使得车身局部压力升高，也会对汽车的行驶产生阻力。受气流的影响，汽车在行驶过程中会产生障碍其运动的空气阻力，且这种阻力的影响随着车速的增加而增大。由于车身各部分受到的局部压力不一致，其压力产生的合力在垂直于汽车运动方向上还存在一定分量，改变汽车轮胎与地面的压力，使得汽车变得难于驾驶。

随着汽车工业的飞速发展，汽车的行驶速度越来越高，汽车的空气动力特性也变得越来越重要，研究汽车的空气动力特性，可以达到减阻、增压、增稳的目的。国内外的学者对汽车的空气动力特性进行了大量研究。李毓洲应用Ansys软件对汽车的空气动力特性进行了研究，并提出了优化汽车车型及改善汽车空气动力学特性的参考意见[1]。李华林应用Fluent分别对汽车行驶中的尾随工况、侧风工况以及超车工况进行了计算，并对行车安全以及汽车的优化给出了很多详细的建议[2]。张峰对汽车尾部的外流场进行计算，并通过在车尾安装扰流板以减缓汽车尾部涡流区的产生[3]。黄森仁应用STAR CCM++对SUV车型的阻力系数进行了计算，分别计算了汽车各部件的阻力，为后续汽车外形的优化提供了参考[4]。傅立敏应用动网格技术研究了汽车超车过程中被超车辆的阻力、侧向力以及横摆力矩的变化规律，其计算结果优于传统的稳态计算[5]。

本文对不同车型的汽车进行气动力计算，通过对比不同车尾外形、不同车前身外形的压力分布、流动状态，分析汽车外形对空气动力特性的影响。

2 计算域及网格无差别分析

控制方程为Navier-Stokes方程，采用PIM-PLE算法求解Navier-Stokes方程。采用基于有限体积的空间离散方法和空间二阶精度的线性插值方法，时间离散采用二阶精度的后向差分方法。计算域的入口和出口以及外壁都设为压力远场，汽车表面设置为无滑移壁面，由于k-ε湍流模型计算外流场较为精确，因此计算模型选取k-ε湍流模型[6-9]。k-ε湍流模型中需要求解的湍流k数学方程为

(1)

湍流耗散率ε方程为

(2)

式中，k为湍流动能，ε为湍流耗散率，ρ为大气密度，μ为动力粘度，μi为湍动粘度，C1、C2为经验数，σε、σk为普朗特数，xi、xj为空间坐标，G、Gε为湍流动能，其值为

(3)

(4)

μi可以由下式求得

(5)

k-ε湍流模型中的常数值为

σε=1.3，σk=1.0，C1=1.44，C2=1.92，Cu=0.09。

设汽车尺寸为4.5 m×1.8m×1.5 m，计算区域为23 m×10 m×5.3 m的长方体。来流风速为200km/h，方向沿X轴正方向。由于汽车前方流场对计算域流场影响较小，因此为了提高计算精度，同时又不增加网格数量，将汽车置于计算域的前下角，车头距离计算域前端3 m，如图1所示。边界层共设置6层，第一层网格厚度为10-6m。

图1 计算域示意图

设置的初始条件为高度0 km，压力p=0.101325Mpa，大气温度T=288.15K，入口来流马赫数Ma=0.163。则网格数量从201.2万至1411.5万变化时，网格数量与汽车阻力系数之间的关系如图2所示。

图2 气动力系数随网格的变化关系

气动力系数的求解公式如下所示

(6)

(7)

式中，Fd为气动阻力，F1为气动升力，Cd为阻力系数，C1为升力系数，V为汽车行驶速度，A为汽车迎风面积，对于本模型A=2.7。

由图2可知，当网格数量小于800万时，阻力系数随网格数的变化较为明显，而网格数由800万增加到1400万时，汽车的阻力系数仅从0.498减小到0.485，汽车的阻力系数下降的幅度较小，曲线趋于平稳。因此，为了兼顾计算速率计算精度，文中将计算域内的网格数量设置为812.3万。

3 不同车形的流场计算与分析

设网格和计算域的设置保持不变，本节主要应用CFD对不同外形的汽车进行外流场计算，分别计算车前部外形相同车尾变化和车尾外形相同车前部变化时，汽车的外流场压力分布以及流动状态。

2.1 车尾外形对流场的影响

1)流场计算

设汽车尺寸为4.5 m×1.8 m×1.5 m，汽车车前身外形不变，车尾形状分别如图3所示，汽车行驶速度为200km/h，计算得到的车身压力分布如图4所示。

图3 汽车外形图

图4 汽车压力分布图

2)气动特性分析

由图4的仿真可知，汽车车头部分对气流形成阻碍作用，使得车头的压力迅速上升，而车顶部分由于与汽车前后挡风玻璃形成向外的突起，导致气流流速增加压力降低。车尾部分产生强烈的脱体涡，脱体涡的出现会导致车尾后的气流变为紊流，扰乱流场状态增加全车阻力[10-11]。图4(a)和(c)中车尾的脱体涡较为明显，而图4(a)中脱体涡不明显，主要因为气流流经外形1的车前部分气流已经产生了严重的分离，而汽车尾部与后风挡之间又存在严重的阻碍作用，破坏了脱体涡的形成，最终导致图4(a)中的脱体涡不明显。因此，图4(a)-(c)中可知，汽车车头部分压力急剧升高，而车尾部分压力又存在不同程度的降低，导致整成在行驶过程中产生强烈的气动阻力。由于车顶部分气流流速增加，压力下降，因此汽车在行驶过程中还会产生向上的升力，使得胎压降低，汽车的操纵感变差。

由图4中的流线图可知，图4(a)-(c)中汽车的引擎盖和前挡风玻璃之间气流与车身均产生了较大的分离，这种分离现象破坏了车身表面的附面层，使得气流过早的与汽车车身产生分离。

图4(c)中汽车尾部部分流线仍然附着在车身表面，没有与后风挡完全分离，因此外形3的阻力系数最小，但是由于外形3尾部气流的附着现象，导致外形3的升力系数大幅增加，如表1所示。由于外形1的气流分离最为严重，导致外形1的气动阻力系数最大。

表1 不同外形的气动力系数

从表1中可以看出，外形1、外形2、外形3的气动阻力系数差距均不大，尽管外形3阻力系数最小，但是也仅比外形1减小了0.026。

由图4和表1的仿真结果可知，改变汽车尾部形状，汽车的阻力并没有明显的改变，造成上述原因的产生主要是因为汽车前部外形设计不佳，气流流经前风挡时已经与车身分离，因此车身后部的设计对整车的阻力的降低十分有限。

2.2 车前身外形对流场的影响

1)流场计算

设汽车尾部外形不变，车前身形状分别如图5所示。湍流模型和初始条件不变，汽车行驶速度为200km/h，应用CFD计算汽车的外流场，计算得到的车身压力分布和流动状态如图6所示。

图5 汽车外形轮廓图

图6 车身压力分布和流线图

2)气动特性分析

由图5可知，相比图5(b)中汽车前风挡与水平面之间的夹角更小，因此气流从引擎盖流向前风挡时气流流向变化更平稳。从图6的仿真结果可知，图6(a)中气流流经汽车前风挡时由于流动受阻，压力逐渐升高进而产生逆压梯度。气流在逆压梯度的影响下附面层附近的气流开始出现回流状态，在引擎盖与前风挡之间与远离附面层顺流的气流形成了一个脱体涡，进而使得流经汽车前部的气流产生流动分离现象。对比图6(a)和(b)的计算结果，图6(b)中产生的涡强度明显小于图6(a)，部分气流流经脱体涡后重新附着于前风挡。

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图6中两种外形的汽车其压力分布基本相同，计算汽车的气动力系数如表2所示。

表2 汽车气动力系数对比

由表2的计算结果可知，外形2的阻力系数明显低于外形1，而由于外形2的前风挡处部分气流重新附着，导致外形2的升力系数也存在一定的增加。

对比3.1和3.2的仿真结果，气流流经汽车前部如果已经存在较大的气动分离现象，则汽车后部无论怎么优化设计，汽车的气动特性都不能得到良好的改善。此时，设计汽车前部的外形反而更能够优化其气动特性。

4 流线型车形流场计算与分析

由3节中的仿真结果可知，汽车前部的外形设计对其气动特性影响十分重要。因此本章对3.1节中汽车的前部进行流线型处理，改变汽车前部的流场状态，减小气流分离现象，对比不同车尾外形汽车的气动特性，进而分析车尾设计对全车气动特性的影响。

对3.1节中汽车的外形进行流线型处理，处理后的汽车外形如图7所示。

为了最大程度的减少气流过早的与车身外表面分离，图7中对车身的前后部均进行了相应的处理，设流场的初始条件和计算域的设置保持不变，汽车行驶速度均为200km/h，则计算得到的汽车外流场压力分布如图8所示。

图7 汽车几何外形

由图8的仿真结果可知，经过流线型处理后，气流流经汽车前部时，外形1-外形3均没有出现明显的气流分离，车身表面流场流动状态良好。图8(a)中汽车尾部的脱体涡最小，主要由于其外凸的车尾阻隔了尾涡的汇集导致。图8(b)中气流在车顶后部产生分离，图8(c)中由于汽车尾部存在斜向下的导流外形，使得气流流经后分档前部开始分离。

图8 压力分布

由图9可知，经过流线型处理后，汽车的阻力系数明显下降，部分车型的升力系数存在一定的升高。经过处理后，外形1的阻力系数下降的最大，由于外形1存在外凸的尾部，不但能够将尾部气流引流到后风挡下部，减小汽车尾部的紊流区，其突出的尾部还能够阻挡脱体涡的提前形成[12]。而未经处理后，外形1的阻力系数最大，此时该车型的流动分离现象最为明显，气流在车顶后部就已完全分离，车尾外形的设计没有任何减阻的作用。因此，在汽车外形尺寸(长、宽、高)相同时，轿车车型相比其它车型能产生更小的阻力，其油耗更低。

图9 气动力系数对比

同时，经过流线型处理后，外形3中气流与车身表面分离最晚，因此其车顶低压区最大，升力系数提高的较多，在升力系数提升的同时也导致阻力增加。因此，外形3这种车型的气动阻力和升力都较大，非常不利于汽车的稳定驾驶。SUV车型大多与此外形相似，常用的优化设计是在车顶后部增加一小段尾翼，以此破坏气流的附着，大幅提升汽车的气动特性，如图10所示。

图10 SUV车型优化设计外形图

5 结论

本文应用CFD对汽车的空气动力特性进行了计算。对汽车的几何模型进行建模，设置了计算域的初始条件设置以及湍流模型的选取，并对计算域内的网格进行了无关性处理。然后，对不同尾部外形、不同车身前部的汽车空气动力特性进行计算，并将计算结果与车身经过流线型处理后的汽车进行对比。得到的主要结论如下：

1)气流进过车身前部若已经产生了严重的分离，车尾外形的设计对整车阻力的减小会十分有限。

2)气流进过车身前部若已经产生了严重的分离，车前身的设计更加重要。

3)车身经过流线型处理后会大幅减小气流分离现象。

4)气流经过车身前部若还保持良好的层流状态，车尾的外形设计对减小整车的阻力十分重要。

5)相同外形尺寸在的各型汽车，轿车的阻力较小。