基于CFD的车身外流场数值模拟研究

牛贝贝，邹 平，段传栋

（1.柳州五菱新能源汽车有限公司 技术中心，广西 柳州 545000； 2.广西柳工机械股份有限公司 装载机研究院，广西 柳州 545007）

在运动过程中，空气的流动对汽车的影响是不容忽视的。空气流动对汽车周围及内部的空气流动与汽车性能主要有以下三方面的影响：1）气动力，主要影响汽车燃油经济性、动力性能、操纵稳定性；2）压力分布，主要影响换气性能、冷却性能；3）流速分布，主要影响风噪声、刮水器上浮、灰尘泥土上卷、雨水流的路径[1]。而汽车空气动力学是研究汽车周围气流流动规律的一门学科。近年来我国汽车工业快速发展，汽车保有量处于不断上涨趋势，近期燃油价格猛涨、节能减排等问题逐渐成为全社会急需解决的问题。汽车外造型对其动力性、燃油经济性、操纵稳定性和舒适性能至关重要。汽车在低速行驶时，主要克服的阻力为滚动摩擦，当达到一定速度后，随着车速提高，行驶阻力主要为气动阻力，风阻是反映油耗的重要因素[2]。如何分析并优化汽车造型的风阻系数对改善汽车的操控性和燃油经济性有很重要的意义。

我国对汽车外形风阻的研究起步晚，技术相对落后，目前仍然比较依赖风洞试验，虽然其精确度可以达到90%以上，但成本高、周期长，还需要制作多个不同比例的试验模型，这使设计效率大打折扣。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术应用到汽车外流场数值模拟计算中，克服了风洞试验的局限性。但由于模拟方法不规范、精度较低、评价指标与维度也不明确。在现实的汽车造型设计过程中，传统的汽车全尺寸风洞试验并不能被CFD取代，仍然需要风洞试验来最终评价造型设计的合理性[3]。

本文面向车身外流场分析的全环节，对理论基础、模型处理、边界设定及分析、评价进行梳理与分析，能够对车身外流场的性能进行较高精度的预测，相比风洞试验不仅大大节约资金，并显著缩短了新车型的开发周期。

1 数值模拟

流体流动千变万化，但又存在一定的规律，要受物理守恒定律的支配，基本守恒定律包含：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。本文研究的是一个定常、不可压缩的三维流场，满足这三大定律的数学描述。

质量守恒定律反映了流体质量分布和流体运动的关系，通过某一个区域，单位时间流入与流出的质量差等于这个区域在单位时间内质量的减少量。质量守恒方程在推导过程中做了连续假设，因此，又被称为连续方程，质量守恒方程为[4]

式中，ρ为流体密度；t为时间；Vi、Vj、Vk分别为流体速度矢量在i、j、k三个方向的分量。

动量守恒方程表述的是流体运动和它所受的力之间的关系，微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。根据该定律，可以推出汽车行驶时，表面边界层单位体积流体运动方程分别为[5]

能量守恒方程可表述为一定空间内流体能量的增加量，等于作用于该空间上质量力和表面力做功加上进入流体内的热量。以温度T为变量的能量守恒方程如下[6]：

式中，T为温度；Cp为比热容；k为流体传热系数；Tt为粘性耗散项。

2 建立有限元模型

2.1 几何模型

据估计，平均每辆汽车由大约一万个不可拆卸的独立零件组成。汽车表面有许多细小结构，它们对车身外流场的影响比较小，如果对整个车身每一个结构都建立网格划分，那么划分的网格数量将极其庞大，仿真时所需的计算机性能要求也将非常高，占用较多的计算内存，计算效率低，所需计算时间也非常多[7]。因此，根据经验，我们搭建数模时不需要将所有的特征都创建，忽略对结果影响小的特征，把影响风阻的主要特征都划分出来即可。

本文中所用的模型为某汽车简化模型，分析所用模型仅包含车身外表面、后视镜，不包含前舱的冷却系统、动力总成、雨刮器等部件，前格栅也未开孔，车底为平面。汽车外表面的风阻占整车的比例较大，针对外表面的风阻的研究对整车风阻系数的研究有很重要的指导意义。本文中模型主要尺寸参数为总长L=3418 mm，总宽W= 1497 mm，总高H=1632 mm，轴距X=1317 mm，离地间隙Y=156 mm。

2.2 确立计算域

进行空气动力学数值仿真模拟，需确定一个合适的计算域，计算域的大小以汽车周围的扰动产生的误差可以忽略不计的最小区域即可。为使误差可以忽略不计，创建计算域时将阻塞比低于5%[8]。风洞试验b=S/SN，其中S为汽车的正投影面积；SN为计算域入口的面积。

本文计算域长L2=11、L1=45815 mm，计算域宽W2=11、W1=17875 mm，计算域高H2=6、H1= 9792 mm，所选仿真分析风洞阻塞比为b=1.5%，低于5%，符合风洞试验的要求。

2.3 搭建有限元模型

利用前处理HyperMesh和仿真分析软件创建整车有限元模型如图1所示。

图1 有限元网格模型

在有限元网格模型中，分别对车身与流场采用面单元和体单元网格类型进行前处理，面网格为非结构化网格，全部为三角形网格，体网格采用Trimmer类型。网格大小为10 mm×512 mm，其中，车身正面、车身背面及车顶网格尺寸为10 mm ×20 mm，车底部网格尺寸20 mm×40 mm，轮胎网格尺寸为10 mm× 20 mm，后视镜网格尺寸为5 mm× 10 mm。计算域车附近地面为40 mm，其他大的面为512 mm。为保证计算精度，采用三个加密区，分别为16 mm、64 mm、256 mm，大域为512 mm。有限元模型的网格总数为17607个。

3 设定求解边界

1）边界条件。将生成的面网格，导入到仿真分析软件中，生成体网格，设置相应的边界条件。其中，入口设置为速度入口，速度为120 km/h；出口设置为压力输出，压强为101325 Pa。计算域侧壁和顶壁设置为对称壁面，车体固定无滑移壁面，前后轮胎设置为旋转壁面，转速为140.65 r/s。

2）计算模型。本次计算采用物理模型高雷诺数、三维稳态、标准k-e湍流模型。计算采用二阶中心差分格式的项源和扩散项。采用标准壁面函数及SIMPLEC算法进行数值求解。

4 仿真分析结果

评价汽车空气动力学特性的重要指标为气动阻力系数CD。由气动阻力计算公式为

则气动阻力系数计算公式为

式中，D为气动阻力，N；CD为气动阻力系数；ρ为空气密度，kg/m³；A为汽车迎风面积，m²；V为汽车运行速度，m/s。

本模型的正投影面积为2.18 m²，阻力为D= 471.6 N，将数值带进公式中，仿真分析气动阻力系数CD=0.329。

采用稳态求解后，风阻系数是一条随着迭代步数变化的曲线，当残差值小于10-4，且在最后迭代步数500步内，波动值小于0.001，则可视为计算稳定。

4.1 流线分析

通过对车身周围速度流线的分析，可以观察气流流过车身外表面的情况。

图2为本文车身周围速度流线图，气流在车体前部和车身两侧流向都较稳定，基本上呈层流流动，没有明显的紊流，只是在前轮罩后部及车尾部出现漩涡。为了使整车阻力得到最优值，应设法避免气流的流动分离及局部涡流的产生。

4.2 风速分析

通过速度云图观察气流在车身周围是否有流动分离现象。由图3可知前风窗顶部有明显的气流分离现象，前脸顶部和车底也存在少量的气流分析，增大圆角可有效地降低风阻系数。

图3 Y=0速度云图

从图4—图5车身Z=0.5 m及Z=1.3 m截面速度分布云图可知，车前雾灯附近有少量的气流分离现象，图5中车身A柱附近有明显的气流分离现象。车尾相对气流分离不大，影响风阻的主要因素为雾灯及A柱，增大雾灯附近的圆角，压低A柱，可有效降低车身的风阻系数。

图4 Z=0.5 m速度云图

图5 Z=1.3 m速度云图

4.3 风压分析

根据仿真分析结果，输出整车表面压力分布云图。图6为表面压力系数分布图，车身表面正压力主要分布在车头前脸，前轮轮胎、车窗下部与引擎盖交汇处，负压出现在前风挡上部、A柱及车身后部。减小迎风正压区，增大逆风正压区，可有效降低整车风阻系数。

图6 车身表面压力系数分布图

图7 为车身附近的零总压等值面分布图，该图反映了汽车的纸面的大小及分布的形态。总压为零等值面反映流动分离区域的大小[9-10]，总压力为零等值面越小，汽车风阻呈现减小趋势。本车型零总压主要分布在前轮罩附近和后视镜附近，此处存在较大的能量耗散，是影响风阻的主要因素。

图7 车身表面零总压等值面分布图

5 结论

随着工业的快速发展，汽车外造型及气动特性也备受重视。汽车受到的气动阻力直接影响着燃油经济性，因此，一个设计师在设计初期就应该将风阻系数考虑进来，同时具备一定的空气动力学知识，对设计一款低油耗、优质操控性的汽车很重要，这将大大提高车企在市场竞争中的竞争力。

本文选用某汽车简易外表面模型，创建计算域及仿真分析模型，对其进行外流场三维仿真分析，得到整车速度迹线图、速度云图、压力系数云图等外流场数值模拟结果，指出了主要的气流分离区域，以及车身周围流场特性。通过数值模拟方法，得到迎风阻力及正投影面积，根据迎风阻力公式，计算出风阻系数。本模型风阻系数相对较低，如果增加雨刮器、门把手、前舱内部及底盘真实信息，风阻会有所提高。建议减少侧围突出的结构，装饰件等能够减小扰动及漩涡，可以有效降低风阻。