基于CFD軟件汽車外流場(chǎng)數(shù)值模擬的發(fā)展概述

王瑞麗　王倩

摘要：在提升汽車行駛性能的研究過程中，由于車身外部的空氣會(huì)對(duì)汽車的行駛產(chǎn)生非常重要的影響，所以對(duì)汽車外流場(chǎng)進(jìn)行有效的分析能夠更有針對(duì)性的提升汽車的行駛性能，為此，本文對(duì)其進(jìn)行了實(shí)踐分析和研究。

關(guān)鍵詞：CFD;汽車外流場(chǎng);數(shù)值模擬;技術(shù)發(fā)展

一、汽車外流場(chǎng)分析概述

分析汽車運(yùn)行過程中的外流場(chǎng)特性，優(yōu)化汽車空氣動(dòng)力學(xué)外形。研究開發(fā)的內(nèi)容是從簡(jiǎn)化的汽車模型出發(fā)，基于CFD軟件進(jìn)行汽車模型網(wǎng)格劃分，利用仿真計(jì)算軟件進(jìn)行三維模擬計(jì)算，最后，利用后處理軟件，分析汽車運(yùn)行過程中的外流場(chǎng)特性，提出汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性的外形設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。擬采用計(jì)算機(jī)輔助三維模擬計(jì)算的研究路線，

二、汽車外流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

2.1汽車模型的建立

在進(jìn)行汽車外流場(chǎng)進(jìn)行氣流狀況數(shù)值模擬的過程中，由于不同車型的外形存在差異，所以首先需要對(duì)于汽車的實(shí)際外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量，在其基礎(chǔ)之上完成實(shí)車參數(shù)的簡(jiǎn)化之后建立能夠有效表現(xiàn)汽車特征的汽車數(shù)學(xué)三維模型，確保模型能夠有效表現(xiàn)出汽車的尺寸，第二步是建立三維氣流和空間參數(shù)模型。之后基于前期的分析得出的汽車外部氣流變化數(shù)學(xué)模型以及參數(shù)的確定，通過對(duì)計(jì)算機(jī)三維軟件完成汽車三維模型的組建以及周圍空間氣流的模擬工作;在之前的基礎(chǔ)上通過CFD軟件對(duì)建立模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。之后利用仿真計(jì)算軟件，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，對(duì)汽車運(yùn)行過程進(jìn)行模擬計(jì)算。最后利用后處理軟件，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析研究。相關(guān)汽車外流場(chǎng)的研究表明，在阻力情況下，尾翼與車身之間的干涉比升力情況更為復(fù)雜，無(wú)法用風(fēng)洞試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)充分解釋，這些數(shù)據(jù)包括后窗和后備箱上的力測(cè)量和油流顯示。這表明了 CFD 計(jì)算的重要性，它提供了非常廣泛的信息流。本文對(duì)本田 CR-X del Sol 的流動(dòng)特性進(jìn)行分析和研究，這是一種塔爾加頂部的幾何形狀，具體示意圖如下圖1中的圖（a）所示，圖（b）為在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)汽車的模型以及側(cè)面圖：

這款車型具有半敞篷車車身類型與可移動(dòng)的屋頂。在本田 CR-X 德爾索爾的情況下，車頂是硬的，而一些汽車有一個(gè)柔軟的頂部織物制成。應(yīng)該注意的是，由于流體-結(jié)構(gòu)相互作用的發(fā)生，軟頂可以與流動(dòng)相互作用并影響空氣動(dòng)力性能。這種車身類型最顯著的流動(dòng)特征是從車頂后緣開始的回流區(qū)，其大小取決于車身的確切尺寸和車頂?shù)男螤睢１咎?CR-X del Sol 有一個(gè)相對(duì)較高的后窗，客艙伸出后備箱0.28米，而客艙后面的車身水平部分的總長(zhǎng)度幾乎為1米長(zhǎng)。車頂有一個(gè)尖銳的后緣，導(dǎo)致流動(dòng)分離，而在一些可轉(zhuǎn)換的汽車的情況下，車頂是圓形的，因此不可能正確地預(yù)測(cè)分離從哪里開始，僅僅通過視覺檢查車身的幾何形狀。之所以選擇這款車，是因?yàn)樗闹饕卣髋c最近開發(fā)的波蘭超級(jí)跑車 Arrinera Hussarya 的早期原型相似。為了保證數(shù)值計(jì)算能夠正確預(yù)測(cè)關(guān)鍵的流動(dòng)特性，本文的研究包括了 CFD 結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。通過對(duì)實(shí)測(cè)氣動(dòng)系數(shù)和表面流動(dòng)顯示的比較，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的正確性。為了進(jìn)一步了解車體模型的流動(dòng)特性，利用 CFD 結(jié)果獲得了車體模型的壓力和速度分布、三維流動(dòng)顯示和氣動(dòng)力的部分載荷。

2.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

汽車車身的后視圖與數(shù)值計(jì)算的可視化結(jié)果如圖2所示。汽車前部具有典型車身的流動(dòng)特征，包括保險(xiǎn)杠和引擎蓋末端的壓力積累。氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)罩的前緣以及側(cè)面和擋風(fēng)玻璃頂部加速，這些區(qū)域?qū)?yīng)于汽車車身上較低的壓力。流動(dòng)的特點(diǎn)在后方是獨(dú)特的塔爾加頂部類型的幾何形狀。流體在屋頂?shù)暮缶壏蛛x，在圖2的對(duì)稱面上的速度輪廓上可以看到，回流區(qū)幾乎延伸到汽車尾部的圓形部分。但是，應(yīng)該注意的是，該區(qū)域的流動(dòng)是高度三維的，回流區(qū)在其他截面上并不長(zhǎng)。

2.3汽車外流場(chǎng)模型的實(shí)際應(yīng)用

汽車的車聲外部氣流對(duì)于汽車的行駛性能具有十分明顯的影響，在通過汽車外流場(chǎng)對(duì)汽車的數(shù)值模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上能夠?qū)ζ嚨耐庑芜M(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而優(yōu)化汽車性能，這樣的設(shè)計(jì)研究模式在賽車的設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的在汽車外部配備的車身空氣動(dòng)力學(xué)部件有1989年?yáng)|京車展上推出的三菱 HSR II 概念車配備的可移動(dòng)的空氣動(dòng)力元件，例如擾流板、后部下襟翼、和后襟翼，根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)使用主動(dòng)空氣動(dòng)力元件來增強(qiáng)制動(dòng)時(shí)，風(fēng)阻系數(shù)增加了0.21，升力系數(shù)減少了0.42。布加迪凱龍跑車將其風(fēng)阻系數(shù)從最高速度模式下的0.36改為增加空氣制動(dòng)器后的0.60，導(dǎo)致風(fēng)阻系數(shù)增加了，相當(dāng)于0.24。這款車的前身，布加迪威龍16.4 Super Sport ，不僅有一個(gè)作為空氣制動(dòng)器的尾翼，而且還有一個(gè)擾流板放置在它下面，這使得風(fēng)阻系數(shù)更大的增加了0.347。

到目前為止，這種討論只涉及高性能車輛。將主動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)引入乘用車的概念并不新鮮。1984年的阿爾法羅密歐90配備了可移動(dòng)的擾流板，而1990年的三菱3000GT 有可移動(dòng)的前后擾流板。近年來，采用各種主動(dòng)空氣動(dòng)力裝置的汽車越來越多。主動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)在客車領(lǐng)域影響力上升的最重要的原因是追求風(fēng)阻系數(shù)的減少。文獻(xiàn)[1]中對(duì)這類元素進(jìn)行了回顧。主動(dòng)格柵百葉窗是最普遍的裝置之一，它們關(guān)閉時(shí)，通過散熱器的流量可以受到限制。主動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)元件的另一個(gè)用途是它們能夠隱藏在車身內(nèi)部，并在車開始移動(dòng)或達(dá)到一定速度時(shí)收回，以提高汽車的操縱性，如奧迪 A7。其他一些有效的空氣動(dòng)力學(xué)元件，例如用于改善敞篷車舒適性的裝置，然而，直到今天，乘用車還沒有配備有效的空氣剎車裝置。在文獻(xiàn)檢索過程中，人們認(rèn)識(shí)到，盡管前面提到了賽車和跑車的專利和實(shí)施，但是對(duì)于乘用車空氣動(dòng)力制動(dòng)增強(qiáng)的研究還很缺乏。關(guān)于這一主題的最新文獻(xiàn)包括為方程式 SAE賽車開發(fā)的空氣動(dòng)力制動(dòng)增強(qiáng)裝置，而諸如文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[5]等研究則提出了利用主動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)元素來增強(qiáng)摩托車空氣動(dòng)力制動(dòng)的可能性，另一個(gè)例子是文獻(xiàn)[2]，它處理了簡(jiǎn)化賽車車身形狀（艾哈邁德車身）的空氣動(dòng)力制動(dòng)問題，這些實(shí)例足以說明制動(dòng)的空氣動(dòng)力學(xué)增強(qiáng)的重要性和潛力。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在本文的研究過程中，為了能夠基于本文前期的對(duì)汽車外流場(chǎng)數(shù)字化模擬的計(jì)算基礎(chǔ)提出改善汽車制動(dòng)時(shí)空氣動(dòng)力特性的可能方法，文研究了當(dāng)尾翼處于低迎角以增加下壓力時(shí)，以及當(dāng)尾翼處于高迎角時(shí)，由于產(chǎn)生的阻力大大增加而起到空氣動(dòng)力制動(dòng)的作用，從而提高了操縱性和制動(dòng)性。

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