基于CFD的SUV及房车在流场中的 气动性分析

张永勤

（兰州石化职业技术大学 汽车工程学院，甘肃 兰州 730060）

汽车在行驶过程中，会与周围空气产生相对运动，形成对流。汽车行驶速度越快，该气流对汽车造成的影响越大，汽车动力性及燃油经济性问题凸显。故汽车的设计过程必须考虑空气对汽车的作用，研究其对汽车性能的影响，指导新产品的造型设计结构设计。

随着高速公路的发展，汽车的动力特性在汽车行驶过程中占据主导地位，其对汽车的经济性、动力性、操纵稳定性、行驶噪声以及关键部位的热状态均能造成影响。众多国内外学者通过实地试验、数值模拟以及理论计算对汽车动力特性进行研究，其中汽车外流场分析尤为重要。随着计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的快速发展，流场分析在交通运输有着广阔的应用，其主要分析流体流过汽车外表面的流动规律，此分析会对汽车外形的优化设计提供可靠的数据支撑，且相较试验法更能降低成本。訚耀保等利用Fluent软件以及计算流体力学对某汽车减压阀进行了流体分析。张峰等结合三维建模软件UG和CFD得到了气动轿车的压力及尾部速度分布。

本文主要针对某一运动型多用途汽车（Sport Utility Vehicle, SUV）车型以及房车模型，选择Workbench建模并利用CFD分析，模拟对比了两车在同种工况下的压力、速度以及风场中的湍流动能，为后续两车的汽车车型优化设计提供参考和可靠的数据支撑。

1 SUV及房车的结构与参数

1.1 分析对象及其结构

本文选择某一SUV车型及房车简化三维模型，其结构如图1所示。整车模型中部件车身为壳单元部件，车身部件采用薄板金属材料。由于正面碰撞过程损伤破坏部位主要集中在前保险杠和挡风板，故基于建模的复杂性和提高计算效率，建模忽略了发动机、变速箱、转向拉杆、摆臂等结构。

图1 SUV及房车结构图

1.2 产品工况参数

在汽车正面撞击过程中，对整车的耐撞性起主要作用，并在碰撞中发生大变形的部件大多为薄板钢材。这些钢材的应力-应变关系应符合各向同性弹塑性的要求。所以材料的本构关系中应考虑到应变率效应。通常应用C-S应变率模型，该材料的本构关系体现了低碳钢高塑性变形下的应变率特性，其表达式为

式中，为应变率；、为应变率参数；初始屈服应力；为有效塑性应变；为等效弹性模量。

本文分析的SUV及房车车况参数如表1、表2所示，表3、表4为模型材料参数，其中为密度；为弹性模量；为泊松比；为屈服强度。

表1 SUV车况参数

表2 房车车况参数

表3 SUV材料参数

表4 房车材料参数

2 三维CFD流场模拟计算理论

CFD理论建立在Navier-Stokes基本控制方程（连续性方程、动量方程、能量方程）的基础之上，各方程如下：

连续性方程

3 流道模型建立及网格划分

为使模拟更加接近真实值，建立长为30 000 mm、宽6 000 mm、高8 000 mm的风场模型，其三维模型图如图2所示。将三维模型导入ANSYS Workbench DM中反向建模生成三维内部流道模型，为了划分四面体及六面体混合网格，需对流道模型预先进行切分如图3所示。

图2 风场模型

图3 流道模型切分

模型中介质选用空气，边界条件施加为速度入口及压力出口，入口施加介质流速为60 km/h，80 km/h，出口施加静压为大气压0.103 MPa。以连续性方程、三维雷诺平均N-S方程和标准k-ε双方程为控制方程组。对流项和湍流方程的离散格式采用high resolution格式。基于CEL对风场进出口质量流量进行监测。图4为模型的网格划分，SUV及房车附近流道模型复杂划分四面体网格，局部加密处理以使计算结果更加精确，其余区域划分六面体网格，以流量值为目标对网格进行无关性检验。

图4 流道模型网格划分及进出口示意图

4 不同工况下稳态流场计算结果分析

通过监测压力和速度等指标对汽车外流场进行可视化分析，将对两种车型的不同时速下的压力、速度以及湍流能进行对比研究。

4.1 压力场分析

图5为SUV及房车分别以60 km/h和80 km/h速度行驶的过程中风场内压力分布。汽车在行驶过程中车身表面压强的分布与汽车的外形相关联，并对汽车的动力性有直接影响。

图5 风场压力分布图

分析图5(a)(b)可知，房车顶部和底部区域压力分布均匀，大气压基本维持在0.1 MPa左右，房车的车头和尾部压强梯度较大，且尾部压力及作用区域更大。SUV的挡风玻璃和车头有较大的压强梯度，且车头的压力及作用区域更大，压力梯度越大造成的能量损失越大。SUV及房车四周压力分布不均匀，车前区域压力较高，车顶部流线型的设计易使其局部形成低压区，以60 km/h行驶的局部最大压力大于以80 km/h行驶的局部最大压力。

图6为SUV分别以60 km/h和80 km/h速度行驶的过程中SUV壁面压力分布，分析图6（a）（b）可知，SUV壁面各处压力分布不均，车身表面处于表面绕流中，在车头处，局部压力最高，这是由于风速与此区域垂直接触，所受阻力最大；又由于气体的接触，气流的流动以及能量的交换，致使处于车体迎风面的挡风玻璃压力较大，产生气体阻力；同时，由于轮胎旋转易产生复杂流场造成汽车轮胎处压力较大。

图6 SUV壁面上压力场分布

图7为房车分别以60 km/h和80 km/h速度行驶的过程中壁面压力分布，分析图7(a)(b)可知，房车壁面各处压力分布不均，车顶压力极小，由于车头区域风速与其垂直，车尾处受周围流场变化的影响，车头和在车尾区域压力均较高。对比SUV顶部的压力大小，可见车顶流线型的设计有利于减低车顶壁面局部压力。

图7 房车壁面压力场分布

4.2 速度场分析

图8为SUV及房车分别以60 km/h和80 km/h速度行驶的过程中风场内速度场分布，分析图8(a)(b)可知，在整个流动区域内速度场分布相对均匀，SUV及房车壁面四周区域，由于空气流动遇到阻力使其四周区域流速较低，特别是SUV尾部空气流速最低。在整个流域内以60 km/h行驶的局部最大介质流速为28.85 m/s，以80 km/h行驶的局部最大介质流速为38.47 m/s。

图8 风场速度分布图

4.3 湍流动能分析

流体的湍流动能是衡量湍流发展或衰退的指标，图9为SUV及房车分别以60 km/h和80 km/h速度行驶的过程中的湍流动能分布。

图9 风场中湍流动能分布

分析图9(a)(b)可知，在整个风场中，SUV及房车局部附近区域湍流动能发展充分，特别是SUV尾部及底盘区域湍流动能发展最充分，两车的行驶对整个模拟风场中的影响较小且湍流动能很小。以60 km/h行驶的局部最大湍流动能为4.137 m/s，以80 km/h行驶的局部最大湍流动能为6.677 m/s。

图10为SUV分别以60 km/h和80 km/h速度行驶的过程中SUV壁面湍流动能分布。分析图10(a)(b)可知，SUV尾部、顶部以及底部区域动能更大，且由于与气流接触更加充分，车轮与车头处的湍流动能达到最大。以60 km/h行驶的局部最大湍流动能为6.182 m/s，以80 km/h行驶的局部最大湍流动能为9.943 m/s。

图10 SUV壁面湍流动能分布

图11为SUV分别以60 km/h和80 km/h速度行驶的过程中房车壁面湍流动能分布。分析图11(a)(b)可知，由于车轮的运动以及周围复杂气流的变化，在房车前偏下一定区域及车胎区域附近湍流动能发展最充分，以60 km/h行驶的局部最大湍流动能为1.837 m/s，以80 km/h行驶的局部最大湍流动能为3.061 3 m/s。由于房车跟随在SUV后，SUV阻挡了一定的空气流速，因此，其局部区最大湍流动能相比SUV偏低。

图11 房车壁面湍流动能分布

5 结论

通过ANSYS Workbench建模和CFD模拟软件计算，分析SUV及房车的流场可得出，在SUV与房车前后及顶部一定区域内，压力、速度、湍流动能分布均匀，SUV及房车壁面车头及车尾处有压力集中现象，其附近压力、速度、湍流动能分布相差较大。两种不同速度（60 km/h、80 km/h）行驶工况下流场内各参数值分布规律在整个流域的分布区域大致相同，SUV以60 km/h行驶时的最大湍流动能为6.182 m/s，80 km/h时最大湍流动能为9.943 m/s；房车以60 km/h行驶时的最大湍流动能为1.837 m/s，80 km/h时最大湍流动能为3.061 3 m/s。以60 km/h行驶流场内的压力、速度、湍流动能整体小于以80 km/h行驶流场内的压力、速度、湍流动能。