某型新能源輕卡氣動阻力分析與研究

宗奕彤 郭磊 石巖 李耀 秦子強

1.南京航空航天大學 民航學院 江蘇省南京市 211106 2.徐州徐工汽車制造有限公司技術中心 江蘇省徐州市 221000 3.南京市公安局交通管理局科研室 江蘇省南京市 210000

1 引言

隨著能源危機的加劇以及國際對于環(huán)境污染的重視，新能源汽車越來越受到人們的關注，但是續(xù)航時間短等問題一直制約著新能源汽車的發(fā)展。因為汽車在行駛過程中，很大一部分能源的消耗都是用來克服氣動阻力，所以在電池技術短時期內無法突破的現(xiàn)實情況下，有效的降低汽車行駛時的空氣阻力成為提高新能源汽車續(xù)航能力的有效方法之一。本文通過優(yōu)化汽車造型來降低氣動阻力，從而減少能源的消耗，對整個汽車行業(yè)的節(jié)能減排有重要意義。當前對汽車空氣動力學的研究方法主要有實驗法和數(shù)值模擬兩種方法。而實驗法存在對硬件的要求高，易受環(huán)境因素干擾等的缺陷。隨著計算機和數(shù)值仿真方法的迅速發(fā)展，屬于新興交叉學科的汽車計算流體力（CFD）得以迅速發(fā)展，CFD數(shù)值模擬技術為汽車空氣動力學的研究開辟了新的途徑。現(xiàn)在新的汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中，對其空氣動力學的研究基本上都是采用數(shù)值模擬與試驗相結合的方法。

文獻[1]研究了SUV車底氣動附件對于整車減阻的能力。文獻[2][3]研究了不同兩方程湍流模型對于汽車外流場模擬能力的強弱，結果都表明Realizable k-ε模型具有良好的收斂性和精確性。文獻[4]研究了汽車尾部增加擾流板及棱紋仿生結構對于減阻的影響，結果表明具有2.59%的最大減阻率。文獻[5]研究了廂式車廂體平板表面氣流摩擦理論與減阻方法，并取得了一定的減阻效果。這些研究可以對氣動阻力優(yōu)化方向提供參考，但是大多數(shù)研究都沒有系統(tǒng)考慮輕卡外型，本文的主要工作就是對穩(wěn)態(tài)分析結果中出現(xiàn)的高壓區(qū)、氣流分離區(qū)以及尾渦區(qū)進行結構地優(yōu)化與改進。

2 基本理論

2.1 汽車受力分析

汽車在行駛過程中，受到的力分為汽車車輪與地面之間的摩擦力和汽車整個車身受到的空氣阻力和力矩。來自空氣的阻力是本算例需要研究的重點。汽車受到來自X，Y，Z三個方向垂直的力和來自這三個方向的力矩。通常所說的氣動阻力指的是受到來自X方向的力。

2.2 CFD數(shù)值模型

本文算例模型屬于三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮湍流流場，鑒于以往汽車外流場分析經(jīng)驗及理論基礎，本文選用Realizable k-ε湍流模型來計算流場。Realizable k-ε湍流模型[6]引入部分雷諾應力數(shù)學約束，湍動能k及耗散率ε基本方程為：

式中，Gk為平均速度梯度引起的湍動能K產(chǎn)生項；σκ和σε分別表示湍動能K和耗散率ε對應的Prandtl數(shù)。

3 仿真模型

3.1 幾何模型

在汽車行駛過程中，氣流經(jīng)過汽車前臉，一部分流過發(fā)動機罩，再經(jīng)過前擋風玻璃，最后順著導流罩，到達汽車上部與后面貨箱前面接觸。與貨箱接觸后的氣流一部分流入汽車前部與貨箱之間的空隙，另一部分繞過貨箱流向后方。還有一部分氣流是從前方流經(jīng)汽車底部的。最終上下兩部分氣流到達貨箱后某一距離處回合形成漩渦。在汽車側面也有氣流經(jīng)過。左右兩側的氣流經(jīng)過汽車駕駛室，直接撞擊在汽車貨箱的側部。所以在汽車貨箱前部，形成了一片高壓區(qū)。汽車的氣動阻力有超過一半來自于壓差阻力[7]。所以對汽車貨箱前面進行改造很有必要。

待分析的幾何模型分為原始方案與四種優(yōu)化方案。通過使用抽取、包面等技術，確保整個模型是封閉腔體，并且忽略對計算結果沒有影響的細節(jié)特征，如底盤平整化處理，完成幾何腔體仿真模型的建立，如圖1：

圖1 仿真幾何模型

圖2 側導流板

上面四種優(yōu)化方案與原方案的區(qū)別在于：

3．1．1 方案 1 與原方案

方案1與原方案相比在駕駛室側面增加了側導流板。根據(jù)分析，氣流經(jīng)過側面會直接撞擊在貨箱上，對汽車形成的阻力較大。加上導流板后，側面氣流會順著導流板往后方流去，減少氣流直接撞擊在貨箱前面。

3．1．2 方案 2 與方案 1

貨箱結構由波浪板型式更改為平滑板。原貨箱表面是波浪式的，相當于粗糙表面，氣流流經(jīng)這種表面時，會受到較大阻力，即對汽車產(chǎn)生較大阻力。改為平滑表面后，更利于氣流往后流動，減少阻力。

3．1．3 方案 3 與方案 2

貨箱邊緣處倒50mm圓角。由于原箱體邊緣處是直角，更容易形成氣流分離，產(chǎn)生回流區(qū)。將直角改成圓角后，可以減少氣流分離。

圖3 倒圓角

3．1．4 方案 4 與方案 3

廂體左上右上增加凸包；尾部增加尾平板。氣流流經(jīng)導流罩后，一部分到達上部，撞擊在貨箱上，形成高壓區(qū)，但最主要的部位是在左右兩側角上。所以在左右角上加上凸包，使得氣流不是直接撞擊在左右角上，而是繞過凸起，流向車后方。

圖4 凸包

圖5 尾平板

3.2 網(wǎng)格生成

采用Trim體網(wǎng)格，車體表面法向生成邊界層網(wǎng)格，分三層進行局部加密。由于CFD仿真計算的精度與計算網(wǎng)格的大小密切相關，但受到硬件的限制，只能對模型進行局部細化處理來控制網(wǎng)格數(shù)量，其他對計算精度影響不大的區(qū)域設置較粗的網(wǎng)格尺寸。在STAR CCM+中首先進行包面處理，消除細小的邊和干涉等錯誤，保留模型的幾何特征，提取計算模型最大的外表面，然后再生成網(wǎng)格。圖8是汽車整體網(wǎng)格，從中可以看出，網(wǎng)格很好地捕捉了幾何表面特征，與實際情況較為符合。圖7是局部網(wǎng)格的展示，其中邊界處生成了加密邊界層。因為在汽車表面速度變化梯度較大，生成高密度高質量的網(wǎng)格，可以讓計算結果更加精準。圖8是整體網(wǎng)格的截面圖，從中可以看出，網(wǎng)格分為了三層，從外部流場一直到汽車，逐步加密，在汽車表面密度最高。這樣既可以提高計算精確度，也可以節(jié)省計算機硬件資源。

圖6 整體網(wǎng)格

圖8 網(wǎng)格截面

圖9 整車外流場速度云圖

3.3 邊界條件

汽車在行駛時，作用在車身表面的流體是空氣，仿真是在標準大氣壓下進行。研究氣動阻力的車速為一定值20m/s，由于該速度遠小于聲速，此時可以把流場區(qū)域內的空氣假設為不可壓氣體進行處理[8]，湍流模型選用Realizable K-Epsilon模型。詳細設置如下：

（1）入口設置為速度入口，速度大小為20m/s。

（2）出口為壓力出口，設置壓力為0Pa。

（3）地面設置為移動壁面，并且速度與空氣速度相同。因為汽車相對于空氣是移動的，而空氣相對于地面是靜止的，如果設置底面為非移動壁面，就會產(chǎn)生氣流邊界層，與實際情況不符。

（4）車體邊界設置為固定無滑移壁面，其余邊界設置為滑移壁面。

4 計算結果

4.1 車身外流場分析

計算收斂后，截取對稱面，查看對稱面以及車身表面速度分布情況，結果如下：

通過整車外流場速度云圖，可以發(fā)現(xiàn)整車車廂由波浪板更改為平滑板之后，車廂處氣流分離情況有所改善；車廂倒圓角后，車廂前緣兩側氣流分離情況有了明顯改善。

通過圖10，可以看到添加過側導流板后的方案1的車廂兩側氣流更加順暢，避免了氣流經(jīng)由車身流過直接撞擊到車廂前緣兩側。

由圖11可知，車廂邊緣倒圓角后，氣流貼著車廂流動的概率顯著提高，避免了直角引起的流動分離，降低了能量損失。

由于車廂寬于駕駛室，綜合考慮后，導流罩在設計過程中無法全方位覆蓋車廂前緣迎風面積，所以，在高速行駛中，無可避免會在該處區(qū)域形成高壓低速區(qū)，增加空氣阻力。通過上圖可以觀察到，增加凸包結構后，氣流通過凸包側面流過，沒有撞擊在前緣兩側，減少了動量消耗，從而達到降低風阻的作用。

圖10 原始方案與方案1對比

圖11 方案2、方案3

圖12 加凸包流線圖

4.2 各方案計算結果對比

迭代進行1400步，發(fā)現(xiàn)各方案計算均已達到收斂條件，阻力系數(shù)不再隨迭代次數(shù)的增加而出現(xiàn)較大的波動，如圖13所示。

通過表1和圖13可以發(fā)現(xiàn)，前緣倒角對于降風阻效果最明顯，約為13%；凸包與貨箱表面平滑板效果差距不大，分別為3.6%與3.9%；側導流板約為2.3%，阻力系數(shù)變化趨勢與云圖等結果吻合。結果表明運用CFD技術，能夠有效分析計算汽車阻力系數(shù)的變化趨勢，這對新能源汽車設計具有良好的指導意義。

5 結語

本文運用CFD方法，對某輕卡外流場進行了仿真分析。根據(jù)流場分析的結果，對輕卡的氣動外型做出改進，降低了輕卡的阻力系數(shù)，最終得到以下結論：

（1）在駕駛室側面加側導流板可以有效防止側面氣流直接撞擊到貨箱上，從而減少了阻力。在貨箱左上角和右上角加凸包，可以減少因為導流罩范圍不夠大引起的貨箱上部高壓區(qū)，使得氣流更加流暢。

（2）原貨箱直角邊緣，動量消耗較大，在貨箱邊緣加倒角，可以減少氣流分離的情況，降低動量消耗。氣流經(jīng)過車身在倒角處會順著貨箱壁面流過，而不是在直角情況下的直接分離。

（3）將波浪式貨箱壁面改成平滑壁面，使得壁面表面速度分布更加均勻，一定程度上降低了阻力。

（4）四種方案相互比較后發(fā)現(xiàn)，加倒角阻力系數(shù)降低的效果最為明顯；加凸包與貨箱壁面改為平滑壁面對降低阻力系數(shù)值的作用基本相同；加側導流板的減阻效果最弱。

表1 各方案風阻系數(shù)

圖13 阻力系數(shù)變化曲線