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      汽車空氣動(dòng)力特性分析

      2015-07-07 07:05:44杜子學(xué)王成杰
      制造業(yè)自動(dòng)化 2015年6期
      關(guān)鍵詞:尾渦車尾空氣阻力

      杜子學(xué),王成杰

      (重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院,重慶 400074)

      0 引言

      在汽車開(kāi)發(fā)造型階段,整車氣動(dòng)性能是必不可少的關(guān)注環(huán)節(jié)。在整車開(kāi)發(fā)的外造型階段,氣動(dòng)性能主要關(guān)注車輛的阻力系數(shù)[1]。氣動(dòng)力學(xué)的的研究方法主要有兩種[2],一種是風(fēng)洞試驗(yàn),另一種是數(shù)值計(jì)算。由于整車風(fēng)洞試驗(yàn)在外流場(chǎng)的分析中存在著費(fèi)用昂貴、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、不能任意捕捉細(xì)節(jié)上的流動(dòng)氣流等問(wèn)題;而利用數(shù)值計(jì)算的方法具有費(fèi)用小、周期短、可再現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn),因此應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文使用Star-ccm+模擬車輛的氣動(dòng)特性,找出氣流變化較突出的地方,然后優(yōu)化汽車外造型獲得更加流暢的流場(chǎng),從而降低車輛的阻力系數(shù)。

      1 湍流模型選取

      目前,CFD軟件中普遍應(yīng)用的兩方程模型有以下兩種:

      1.1 標(biāo)準(zhǔn)Κ-ε模型

      標(biāo)準(zhǔn)Κ-ε模型是由湍動(dòng)能Κ-ε和湍流耗散率ε表征的二方程湍流模型。

      湍動(dòng)能Κ方程為:

      湍流耗散率ε方程為:

      標(biāo)準(zhǔn)Κ-ε模型通過(guò)假設(shè)雷諾應(yīng)力與速度平均梯度的線性關(guān)系建立,針對(duì)湍流發(fā)展充分的高雷諾數(shù)模型,因而對(duì)分子粘性比較大的壁面層流不適用,特別是應(yīng)用于弱剪切層,就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。目前應(yīng)用較少,一般在分析湍流脈動(dòng)影響比較大的模型中,需結(jié)合壁面函數(shù)等處理層流問(wèn)題。

      1.2 RNGΚ-ε模型

      RNGΚ-ε模型把高雷諾數(shù)方程與壁面函數(shù)結(jié)合起來(lái),修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響,考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)情況。RNGΚ-ε模型的Κ、ε方程為:

      RNGΚ-ε模型對(duì)壁面雷諾數(shù)較低的區(qū)域模擬有很大誤差,但可以解決流線彎曲較大的波動(dòng)。

      1.3 SSTΚ-O模型

      SSTΚ-O模型是由湍動(dòng)能和湍流脈動(dòng)渦量的均方值組成的兩方程湍流模型。

      湍動(dòng)能方程為:

      ω方程為:SSTΚ-O湍流模型在低雷諾數(shù)的壁面層流區(qū)采用Κ-O模型,而在高雷諾數(shù)的湍流區(qū)采用k-ε模型,從而考慮了分子粘性與脈動(dòng)的雙重影響。SSTΚ-O湍流模型不僅適用于近壁區(qū),而且能夠較好的捕捉高Re數(shù)區(qū)域的流動(dòng),故本文模擬中使用的是SSTΚ-O湍流模型。

      2 數(shù)值模擬過(guò)程

      2.1 轎車模型的建立

      研究中建立的轎車外CAS三維造型,包括車燈、門把手、后視鏡等局部細(xì)節(jié)。主要參數(shù)為:車長(zhǎng)4316mm,車寬1975mm,車高1463mm??紤]到計(jì)算硬件的限制及計(jì)算收斂性,利用STAR-CCM+的包面工具對(duì)車體的造型細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化:將汽車底部做成光滑曲面;保證格柵外形的條件下,在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部補(bǔ)封格柵區(qū);簡(jiǎn)化輪腔,去掉輪輞等結(jié)構(gòu)復(fù)雜件。轎車數(shù)模如圖1所示。

      圖1 轎車幾何模型

      2.2 計(jì)算域的確定及網(wǎng)格劃分

      理論上講,汽車行駛的空間是無(wú)限的,但實(shí)際計(jì)算時(shí),需要確定一個(gè)有限的空間范圍,既能夠減小風(fēng)洞試驗(yàn)中的阻塞效應(yīng),還能達(dá)到不浪費(fèi)計(jì)算資源的目的[3]。由于車體沿中縱剖面對(duì)稱,故只取半車體建模,以簡(jiǎn)化計(jì)算[4]。計(jì)算域?yàn)椋喝肟诰嚯x車頭最前端為2倍車長(zhǎng),出口距離車尾末端為4倍車長(zhǎng),整體計(jì)算域?qū)挾葹?.5倍車寬,整體高度為5倍車高。

      體網(wǎng)格在車頭、車尾、車頂、車底及后視鏡等五部分做了局部加密,其他部分采取漸變的網(wǎng)格布局,生成共735萬(wàn)單元規(guī)模的六面體核心Trim網(wǎng)格。

      總之,小學(xué)教師情緒勞動(dòng)管理是本研究的重要目的之一,也是研究的實(shí)踐意義所在。基于對(duì)小學(xué)教師情緒勞動(dòng)管理的相關(guān)訪談,從教師角度、學(xué)校組織角度、教育行政部門角度提可以得出適切、可行的結(jié)論與建議。

      2.3 物理?xiàng)l件的設(shè)置

      本文所分析的汽車外流場(chǎng)為定常流場(chǎng),故初始條件不必設(shè)定。湍流模型選擇使用SST k-ω模型,設(shè)定湍流強(qiáng)度為0.5%,長(zhǎng)度尺度為0.1。其他邊界條件設(shè)定為速度入口:100Km/h,壓力出口,移動(dòng)地面:100Km/h,車輪轉(zhuǎn)速:92.56radian/s。

      3 結(jié)果分析與針對(duì)性造型優(yōu)化

      3.1 氣動(dòng)力系數(shù)

      本車型計(jì)算空氣阻力系數(shù)為0.256,汽車升力系數(shù)計(jì)算值為0.147。各細(xì)部風(fēng)阻系數(shù)貢獻(xiàn)率如表1所示。

      從車身細(xì)部空氣阻力系數(shù)占比來(lái)看,頭部造型、尾部造型以及車身造型對(duì)氣動(dòng)阻力的影響較大,符合汽車氣動(dòng)特性規(guī)律中,汽車高速行駛時(shí)的主要阻力來(lái)源為車頭與車尾的壓差阻力的描述。

      3.2 車身速度場(chǎng)與造型優(yōu)化

      從圖2Z=0.05截面速度矢量圖可以看出,因車身側(cè)圍造型特征原因(凸凹特征)出現(xiàn)線條曲率變化過(guò)大,由此帶來(lái)此處(圖中虛圈部分所示)氣流分離顯著,形成負(fù)壓區(qū),該負(fù)壓區(qū)造成的結(jié)果是車身阻力系數(shù)有所偏大;其次,由于車身氣流分離比較顯著,此負(fù)壓區(qū)延續(xù)至尾流區(qū),造成汽車尾部尾渦區(qū)的橫向截面變大,尾渦體積較大,也是造成整車空氣阻力系數(shù)偏大的主要原因之一。

      鑒于以上原因,我們需要協(xié)調(diào)造型特征和氣動(dòng)特性之間關(guān)系,對(duì)此處的造型進(jìn)行調(diào)整,為了避免曲率變化過(guò)大引起氣流的顯著分離,把車身側(cè)圍外凸曲線改動(dòng)成更加平滑流暢的特征造型,如圖2紅色圈所示。

      圖2 車身Z=0.05截面速度矢量圖與改型示意圖

      3.3 車尾速度場(chǎng)與造型優(yōu)化

      由前表1可知,車尾對(duì)整車空氣阻力系數(shù)的貢獻(xiàn)占32%,對(duì)力系數(shù)的貢獻(xiàn)最大。我們仔細(xì)觀察圖3縱截面尾渦處速度矢量圖可知,來(lái)自于頂部氣流向下沖向地面與流經(jīng)車底與側(cè)面的氣流在尾部匯合并形成復(fù)雜的汽車尾流場(chǎng),尾流場(chǎng)中產(chǎn)生的渦,渦心偏上,隨著尾流的發(fā)展渦強(qiáng)減弱、渦心降低并逐漸趨近于地面??傮w來(lái)講尾渦縱截面較大,拖尾較長(zhǎng),導(dǎo)致尾渦體積偏大。這也是造成整車空氣阻力系數(shù)偏大的又一主要原因。

      表1 轎車各細(xì)部風(fēng)阻系數(shù)及占比

      因此我們需要對(duì)汽車尾部造型做一些調(diào)整,以期望來(lái)減小尾渦體積,減小空氣阻力系數(shù)。主要手段是增大車身離去角及后保險(xiǎn)杠圓弧半徑,如圖3所示。

      圖3 車尾縱截面尾渦處速度矢量圖與改型示意圖

      3.4 優(yōu)化車型仿真結(jié)果

      通過(guò)前表1與表2各項(xiàng)數(shù)值對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn):優(yōu)化車型的計(jì)算空氣阻力系數(shù)0.248、升力系數(shù)為0.137,原車型的計(jì)算空氣阻力系數(shù)0.256、升力系數(shù)0.147,阻力系數(shù)下降了0.008,升力系數(shù)略降。從各細(xì)部阻力系數(shù)來(lái)看,車身阻力系數(shù)下降了0.005、車尾下降了0.003,車身與車尾是下降最明顯的地方。

      圖4 Z=0.05橫截面速度矢量圖對(duì)比(上為優(yōu)化車型,下圍原車型)

      圖5 縱截面尾渦處速度矢量圖對(duì)比(左側(cè)優(yōu)化車型,右側(cè)原車型)

      從圖4可以看出,優(yōu)化車型車身側(cè)圍處(圈1中部分)的氣流分離的截面積明顯小于原車型,車身湍流負(fù)壓區(qū)延伸到汽車尾部形成汽車尾渦,由于車身湍流橫面積變窄,導(dǎo)致車尾尾流場(chǎng)的橫面積明顯小于原車型的尾流場(chǎng)(圈2中部分)。渦流橫面積變小說(shuō)明體積就會(huì)變小,空氣阻力系數(shù)自然會(huì)降低。

      表2 優(yōu)化車型各細(xì)部風(fēng)阻系數(shù)及占比

      圖5顯示,優(yōu)化車型比原車型的尾渦橫向與縱向長(zhǎng)度都有所減小,尾渦體積變小,車尾處渦流強(qiáng)度減弱,渦量損耗區(qū)域減小,使得負(fù)壓區(qū)減小,則車頭正壓區(qū)與尾渦負(fù)壓區(qū)形成的壓差阻力減小,從而減小了空氣阻力系數(shù)。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      本文結(jié)合某轎車車型開(kāi)發(fā),運(yùn)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)開(kāi)展造型優(yōu)化,主要研究及成果如下:

      1)詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析了轎車各細(xì)部風(fēng)阻系數(shù)及占比。

      2)通過(guò)觀察分析流場(chǎng)截面矢量圖,分析找出使流場(chǎng)氣動(dòng)力系數(shù)過(guò)大的局部湍流,找出造型與湍流的關(guān)系,通過(guò)修改造型來(lái)降低氣動(dòng)力系數(shù)。所以說(shuō)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果是造型優(yōu)化的依據(jù),只有通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行和理性分析才能有針對(duì)性對(duì)造型提出更合理的優(yōu)化。

      3)對(duì)汽車各細(xì)部進(jìn)行空氣力系數(shù)劃分,以具有良好空氣動(dòng)力學(xué)的車型各部分力系數(shù)的占比作為標(biāo)桿,可將新車型分力系數(shù)占比過(guò)高的細(xì)部進(jìn)行針對(duì)性造型優(yōu)化。

      [1]許建民,易際明.流線型轎車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2011,10:61-64.

      [2]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

      [3]谷正氣,姜樂(lè)華,吳軍,方剛.汽車?yán)@流的數(shù)值分析及計(jì)算機(jī)模擬[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2000.

      [4]賀德馨,等.風(fēng)工程與工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

      [5]覃群,黎仕增,等.基于STAR-CCM+的某汽車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012.04:151-153.

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