前挡倾角对整车外流场的影响规律研究

2021-12-25刘传波王正炬彭立争

数字制造科学 2021年4期

刘传波，王正炬,彭婧，彭立争

(1.武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545005)

相关研究表明[1]：如能使传统乘用车风阻系数下降20%～25%，汽车的燃油消耗可减少8%～20%。电动汽车风阻系数每降低0.01，可将纯电动车续航里程提升15～20 km。汽车的空气动力学性能好坏主要由汽车形状决定。在车辆研发的早期阶段，一般通过风洞试验衡量形状对空气动力性能的影响，以便在最终定型之前适当地改变形状以满足空气动力学目标。由于风洞试验昂贵又费时，汽车制造商都希望减少车辆研发时间并降低开发成本，因此CFD(computational fluid dynamics)被广泛应用于汽车的研发设计中。

曹升平等[2]通过CFD计算分析了汽车A柱形状变化对整车风阻的影响。结果表明，增大A柱内侧面偏移量和减小A柱迎风面与前挡玻璃面高度差可以有效降低风阻，但柱内侧面与前挡玻璃交线偏移量的改变会加剧A柱区域气流的分离情况，不利于整车风阻系数的优化。Guilmineau等[3]研究了Ahmed车型后挡风玻璃倾斜角对尾流特性的影响。结果显示，后窗的角度对尾流特性有重要影响，当后窗角度为35°时阻力最小。杨志刚等[4]针对某三厢轿车，采用CFD数值计算方法，研究了车轮宽度对整车气动性能的影响，得出如下结论：车轮宽度每减小5%，单车轮模型风阻约减小9.2%，整车风阻约减小2%。方健等[5]以上汽通用公司两款车型为研究对象，探讨了车轮转动引起风阻系数变化的流场作用机理并根据流场分布特点提出车轮减阻优化方案。张峰等[6]对某阶背式轿车进行研究发现，安装扰流板和导流板后模型尾部上方阻力明显增大，升力同时减小。

笔者以某实际MPV车型为例，建立了该车型整车风阻数学模型，在保证模型精度的前提下对前挡倾角(前挡风玻璃与水平面夹角)对整车外流场的影响进行了分析。采用Hypermesh软件进行面网格划分，采用STAR-CCM+软件进行体网格生成和模型求解计算。前挡倾角角度的变化通过Sculptor网格变形软件实现，以预测不同前挡倾角下整车外流场的变化规律。

1 基础流场模型

1.1 基本控制方程

计算流体力学的基本思想是：把原始在时间和空间上连续的物理量，用包含有限个离散点的集合替代，以一定方式对流动的控制方程进行离散，从而建立起关于这些离散点上的变量之间关系的方程组并求解其近似值。流体流动必须遵循质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。

质量守恒方程为：

-div(ρu)=∂ρ/∂t

(1)

式中:ρ为空气密度；u为速度矢量；t为时间。

动量守恒方程为：

(2)

式中：u、v、w分别为速度矢量u在x、y、z方向上的分量；p为微元上的压力；μ为流体黏度。

由于这里不考虑流体的热交换问题，因此不考虑能量守恒方程。

1.2 湍流模型

目前大多CFD软件的默认湍流模型是标准k-ε模型，但该模型对于存在旋转流的问题计算存在较大误差，Realizablek-ε模型和RNGk-ε模型很好地弥补了这一缺点，但是后者收敛速度太慢，对于形状复杂的车身收敛更慢[7]，因此笔者选择Realizablek-ε模型。在该模型中，湍动能k和湍流耗散率ε是未知量，软件默认初始迭代值均为1。对应的输运方程为：

Gk-ρε

(3)

(4)

式中：ui为时均速度；μ为动力黏度；μt为湍流黏度；σk和σε为经验常数；Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；C1和C2为模型常数；E为时阶应变率；υ为运动黏度。

2 整车模型的建立与设置

2.1 整车三维数学模型

笔者采用的汽车模型为某实际MPV车型，考虑到只研究整车外流场分布，不涉及发动机舱散热问题，因此有必要对整车外流场没有影响的部件进行适当简化以提升计算速度。清理工作主要包括：删除驾驶舱内后视镜、座椅、方向盘等结构；简化发动机舱内空调压缩机和发电机等结构；删除整车内部螺栓螺纹结构。简化后整车三维模型如图1所示，具体外形参数尺寸如表1所示。

图1 整车三维模型

2.2 计算域尺寸设定

在整车外流场仿真过程中，选取距离车身一定距离的区域，称作计算域。计算域尺寸的设定首先要考虑风洞的阻塞性。一般用阻塞比来表示风洞的阻塞性大小。风洞阻塞比表达式为：

表1 整车外形参数尺寸表

ε=A/AN

(5)

式中：ε为风洞阻塞比；A为汽车的正投影面积；AN为计算域进风面积。

风洞试验一般要求阻塞比小于5%[8]。车长L、车宽W、车高H的计算域尺寸设置如图2所示。经计算可知，计算域尺寸符合要求。

图2 计算域尺寸示意图

(6)

2.3 网格划分

网格类型大体分为结构化网格和非结构化网格。前者形状上比较规范，网格往往成行或成列，但是与模型的贴合度太差，一般只适用于结构简单的模型。非结构化网格虽然生成过程比结构化网格复杂，但是适应性极好，贴合度也更高。对于汽车这种具有大量复杂零件的模型，选用非结构化网格，采用三角形网格进行面网格划分。

由于不同软件对于面网格质量检查的标准不同，在Hypermesh里划分完面网格之后，需要重新导入STAR-CCM+软件进行面网格质量检查。该软件面网格质量和面接近值默认为0.1，为了提高计算精度，确保所有面网格质量高于0.2，面接近值高于0.15，同时进行表面修复工作保证没有穿刺面、T型边和自由边。

对于汽车外流场的研究，不同体网格的优缺点如表2所示[9]。综合考虑，选择切割体网格。

表2 不同类型体网格比较

汽车尾部空气流动特别复杂，因此需要对汽车尾部设置加密区。在车身周围附近依次设置4个加密区，加密区尺寸分别为16 mm，32 mm，64 mm，128 mm，计算域最大尺寸为256 mm。在车身近壁区设置边界层，边界层延伸模式为厚度比，厚度比为1.1，层数为7层，总厚度为5 mm。图3为汽车中截面处体网格示意图。最终生成体网格数量为4 114万。

图3 整车中截面体网格示意图

2.4 边界条件设置

边界条件设置如下：

(1)计算域入口边界设置为风洞速度入口，风速为35 m/s。

(2)计算域出口为压力出口，其值为0 Pa。

(3)计算域其他边界均为壁面边界，考虑到汽车行驶过程中地面的抽吸效应，将计算域底部设置为滑移壁面；其他壁面均为非滑移壁面。

(4)空气密度。由于流速小于0.3马赫(1马赫=1 225 km/h),因此空气密度可视为常数，取默认值ρ=1.225 kg/m3。

(5)轮胎旋转速度经计算后为109.375 rad/s。

2.5 仿真计算设置

笔者利用有限体积法对控制方程进行离散。建立离散方程的过程关键在于每个边界上的物理量和导数通过插值方法求出，考虑到计算精度，选用二阶迎风格式。STAR-CCM+软件提供两种压力修正算法：SIMPLE算法和PISO算法。SIMPLE算法通用性好，常用来求解稳态问题；PISO算法适用于不可压缩流体，对非定常流动的求解比较好。现实中的流体无时无刻不在发生着变化，因此流动问题原则上都是非定长的，这方面来看PISO算法更好，但是该算法长时间容易不收敛，对于某一具体工程问题，如果流场的变化幅度很小，则可以按照定常来处理。笔者选择软件默认的SIMPLE算法进行求解。

该模型迭代5 000步风阻系数计算结果如图4所示。Palaskar等[10]指出，风阻系数的仿真精度一般要求在5%以内。经验证，该模型收敛，计算所得风阻系数值为0.356，官方风阻系数值为0.358，模型精确度为99.44%。

图4 风阻系数变化曲线图

为探究不同前挡倾角对整车风阻系数的影响，在Sculptor软件中进行角度变化，角度由30°变化为25°，28°，32°，35°，其他条件均保持不变。

3 结果与讨论

3.1 仿真结果分析

前挡倾角变化引起的风阻系数变化折线图如图5所示。

图5 不同前挡倾角角度下的风阻系数变化拆线图

由图5可知，随着前挡倾角的增加，风阻系数也增加。当前挡倾角减小时，角度每减小1°，风阻系数值平均减小0.000 2；当前挡倾角增加时，角度每增加1°，风阻系数值平均增加0.000 3。可见角度的增加引起的风阻系数值变化更大。

3.2 压力场分析

原始车型、前挡倾角为25°和35°的压力云图如图6～图8所示。从图6～图8可知，压力最大处在汽车前脸处。前挡倾角的变化主要引起前挡风玻璃和发动机盖上压力的变化。随着前挡倾角的增加，发动机盖前端高压区域有所增加，前挡风玻璃和发动机盖交界处高压明显增加。同时前挡风玻璃下端高压区域显著增加，上端负压值有所降低。同时发现，随着前挡倾角逐渐增大，汽车后视镜与车身连接处负压区域也会增加，汽车顶盖前段行李架处负压有所增加。由以上分析可知，随着前挡倾角的增加，汽车发动机盖和前挡风玻璃压力有所变大，同时行李架压力增大，不利于汽车风阻系数的降低以及高速下平稳驾驶，因此设计时应适当减小前挡倾角。