基于FLUENT的汽车空气动力性能仿真与车身优化

2023-02-27秦洪艳

机械工程师 2023年2期

秦洪艳

（三江学院机械与电气工程学院，南京 210012）

0 引言

汽车车身外形具有良好的空气动力性能十分重要。合理的外形减小了空气阻力，不仅能改善汽车的动力性，而且提高了汽车的燃油经济性和空气动力学稳定性，既能使汽车高速运行，又能保证行车安全。因此，进行汽车的空气动力性研究很有必要。

本文针对特定车型，利用CATIA软件建立其车身外形的三维模型，并在GAMBIT网格划分的基础上，运用FLUENT软件对汽车车身周围流场进行仿真，计算车身受到的气动力及力矩，分析车身外流场特性，在分析结果的基础上修改车身模型，从而优化汽车空气动力学性能。

1 数值模拟基本理论

对于瞬态三维不可压缩黏性流动，动量守恒方程常表示为N-S方程：

根据计算流体力学的理论，求解流场首先要将流场相关物理量在空间上离散，常用的控制方程空间离散方法有有限差分法、有限元法和有限体积法等。FLUENT有分离求解器和耦合求解器两种求解器。为了兼顾求解速度和计算精度，选用SIMPLEC算法作为数值求解算法。

2 车身模型建立

行驶中的汽车挤压周围的空气，同时受到周围空气的作用力，在存在侧风的情况下，车身周围的流场变得不对称，车身受到的作用力更复杂。典型的车身外流场流动特征为三维、黏性、湍流、分离和非定常。在周围无风的环境下，本文针对在平坦路面上匀速直线行驶的汽车进行仿真。在不考虑侧风的情况下，车身外流场具有对称的特征，对称面为车身纵向中心平面。模拟中选择汽车的行驶速度为40 m/s，马赫数Ma=v/c=40÷340=0.12<0.15，根据流体力学理论，可以将外流场的空气流动作为不可压缩流动处理。对于不可压缩流动，可以忽略热量交换。使用CATIA建立车身曲面的几何模型如图1所示。

图1 某型车几何模型

式中：t为时间；vx、vy和vz分别为速度矢量v在x、y和z方向上的分量；ρ为密度。

3 求解分析

使用前处理软件GAMBIT划分网格，采用混合网格的网格形式，首先将计算域划分为几块不同的区域，然后对不同区域分别划分网格。计算域的最内层，车身被小的长方体包围着，该区域形状复杂，为了提高计算精度，在该区域采用密度稍大些的四面体混合网格，其它区域采用六面体结构网格，但网格密度由内而外依次降低，在保证计算精度的前提下尽可能地降低网格密度，减少网格数目，从而减少计算时间。仿真得到的车身表面压强分布如图2所示。

图2 车身表面压强分布

由图2、图3可以看出，在车身前部进气格栅部位存在很高的正压区，前方来流受到车身的阻挡，在进气格栅部位形成滞区，在发动机冷却系的设计中，充分考虑该滞区，将进气格栅设置于此，并将出风口设置在车身底部，利用进气格栅部位的高压和车身底部的负压形成发动机舱的冷却气流，给发动机充分地冷却。流动的滞区出现在发动机盖与前风窗交界处和后风窗与后行李箱交界处。来自前滞点的气流流过发动机盖时，流速增大，压强降低，形成负压区，然后撞击到前风窗，出现局部气流的分离，流速降低，压力升高，形成滞点。在车身顶部气流流动的方向与前方来流方向一致，流速很高，这里为负压区。气流流过后风窗后出现分离及大的湍流，这里流速降低，压力升高。车身底部也呈现明显的负压状态。通过车身纵向中心平面内的速度矢量图可以看出，尾流存在流动的分离，可以看出分离边界的位置，由车身尾部上下边剪切出来的反相涡，上面的涡为顺时针旋转，下面的涡为逆时针旋转，这对反向涡属于黏性涡，向着涡核处速度减小。

图3 车身纵向中心平面速度矢量图

图4尾流流线图中清晰地呈现了尾流中拖拽涡的形态，这一对拖拽涡是由车身后柱（C柱）处形成的，向下游逐渐发展，拖拽涡属于势流涡，除了涡核部分，向着涡核处速度是增大的，这对拖拽涡是产生诱导阻力的主要原因。

图4 车身尾部流线图

数值模拟得到的车身空气阻力系数为0.282，该车型属于低阻型车身，模拟得到的数值与该车型实际阻力系数接近，考虑到模拟精度和对车型的简化处理，该模拟结果具有一定的工程精度。数值模拟得到的空气升力及升力系数为-0.469，表示汽车行驶过程中，受到周围空气的下压力，增大了汽车附着力，有助于增强汽车的动力性和操作稳定性。计算得到的纵倾力矩为434.10 N·m，纵倾力矩系数为0.06，这使得行驶中的汽车由于受到车身外流场的作用，有一部分轴荷由后轴转移到前轴，在一定范围内，这种转移有助于提升前轮驱动的汽车的动力性和稳定性。

4 车身优化

为了优化给定车型车身结构，修改了车身尾部，将原来的折背式车身改为快背式车身，修改后的车身几何模型如图5所示。

图5 优化后的车身模型

对修改后的车身进行外流场计算得到的气动力和力矩如表1～表3所示，由表可知气动阻力、气动升力、纵倾力矩及其相应的系数均有不同程度的降低，而这些气动参数的降低主要来源于压强的变化。图6为车身纵向中心平面压强对比图，从图中可以看出，修改后的车身尾部压强高于原车身，这是由于修改后的车身后窗与尾部通过斜面连接，使得这部分的压强迅速升高，不会出现较大的分离区，压强不能迅速恢复，从而使得气动阻力及阻力系数降低。其次，由于快背式车身使得车身顶部的压强高于折背式车身，因此修改后的车身的升力、纵倾力矩及相应的系数也有所降低。