基于空氣動(dòng)力學(xué)的汽車車身優(yōu)化改進(jìn)研究

李 易，廖臻彥

(蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

自1886年世界上第一輛汽車誕生以來，汽車作為交通工具極大地改善了人們的出行便利性。汽車行業(yè)的發(fā)展越來越快，隨著車身造型的逐漸演變，形成了汽車的空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)科，其有助于更好地分析汽車空氣阻力。車身造型與汽車的速度有十分緊密的聯(lián)系[1]。從20世紀(jì)80年代開始，歐美研究人員逐漸將計(jì)算流體學(xué)(CFD)應(yīng)用到汽車氣動(dòng)特性的研究中[2]。將空氣動(dòng)力學(xué)運(yùn)用在汽車領(lǐng)域，逐漸發(fā)展出有限差分法、有限體積法和有限元法[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)于汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究起步較晚。汽車車身造型設(shè)計(jì)一般包括外形設(shè)計(jì)、室內(nèi)設(shè)計(jì)、色彩設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)以及標(biāo)志設(shè)計(jì)等[4]。本文將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)融合到汽車造型優(yōu)化中，基于空氣動(dòng)力學(xué)，對(duì)汽車車身進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 汽車空氣動(dòng)力學(xué)基本理論

1.1 車身表面的壓力分布

汽車的車身表面壓力系數(shù)Cp計(jì)算公式為：

(1)

式中：p為車身表面壓力；p0為大氣壓力；V為車身的氣流速度；ρ為流體處于海平面大氣壓下、溫度為15 ℃時(shí)的密度。由車身表面的壓力分布狀況可以確定駕駛室及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻氣流進(jìn)出口的空氣阻力，通常會(huì)在前水箱面罩和發(fā)動(dòng)機(jī)罩的附近打開氣流入口，以減少空氣阻力[5]。具有較好流線形的汽車，其后柱、頂蓋后端的負(fù)壓較高，相比之下，流線形差的汽車會(huì)因?yàn)闅饬鞣蛛x點(diǎn)前移造成后風(fēng)窗出現(xiàn)高負(fù)壓，導(dǎo)致空氣阻力增大。汽車車身造型多樣，因此汽車不同位置的壓力系數(shù)不同[6]，后柱處Cp為-1.0～-0.3，后窗下部Cp為-0.3～0.1，頂蓋后端Cp為-0.6～-0.3，底板下部Cp為-0.1～0.1。

1.2 流體的基本方程

在流體力學(xué)中，流體的基本方程主要包含連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程以及伯努利方程[7]。其中連續(xù)性方程如下：

ρ1V1A1=ρ2V2A2=C1

(2)

式中：C1為常數(shù)；ρ1，ρ2分別為與流體方向垂直的截面1，2上的平均密度；V1，V2分別為截面1，2上的平均流速；A1，A2分別為截面1，2的截面積。流體在變截管中的流動(dòng)示意圖如圖1所示，截面是與圓柱體母線垂直的圓面,管道的任意截面1，2之間流體質(zhì)量不變。流體力學(xué)中，流體速度與流體壓強(qiáng)存在緊密的聯(lián)系，可用伯努利公式表示：

(3)

在流動(dòng)條件下，對(duì)于不可壓縮流體，機(jī)械能保持守恒，即：

圖1 流體在變截管中的流動(dòng)

(4)

式中：p1，p2分別為截面1，2處的壓強(qiáng)。也就是說，忽略質(zhì)量力的理想不可壓縮流體作為定流體流動(dòng)時(shí)，在流場(chǎng)中任一點(diǎn)的單位體積的流體總機(jī)械能不變。對(duì)于低流速、動(dòng)能小的地方，壓力能必然很大[8]。

1.3 汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值理論

汽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的常用方法是數(shù)值模擬，即計(jì)算流體力學(xué)。對(duì)于流體力學(xué)的描述可以采用偏微分方程或積分方程來表達(dá)，然后采用離散化的方法得到數(shù)值解。

對(duì)汽車車身進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并利用湍流模型進(jìn)行模擬計(jì)算。湍流模型的分類如圖2所示，汽車車身的流體力學(xué)仿真的準(zhǔn)確性主要取決于汽車湍流模型的準(zhǔn)確性。

圖2 CFD中湍流模型的分類

2 基于Fluent的數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格處理技術(shù)

Fluent軟件是專門用來處理流體力學(xué)、熱力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)模型的程序軟件，具備良好的網(wǎng)格自適應(yīng)能力[9]。該軟件包括基于壓力的分離求解器、基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD求解器、網(wǎng)格生成器GAMBIT等[10]。仿真軟件采用有限元體積法，其主要目的是用來解答N-S方程組[11]。在進(jìn)行數(shù)值模擬前，首先對(duì)車身造型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最佳網(wǎng)格尺寸大小和網(wǎng)格疏密度主要是依賴于仿真計(jì)算區(qū)域的最小幾何尺寸。合適的幾何尺寸既可以避免因網(wǎng)格尺寸過大而導(dǎo)致網(wǎng)格劃分不規(guī)則的問題，又可以避免因網(wǎng)格尺寸過小而導(dǎo)致網(wǎng)格過密從而增加計(jì)算量的問題，如圖3所示。為了保證相鄰曲面的公共邊具有相同的節(jié)點(diǎn)數(shù)，可以進(jìn)行合并小網(wǎng)格或拆分大網(wǎng)格的操作，具體如圖4所示。最后可以適當(dāng)?shù)卦黾舆叀嚎s邊以及刪除個(gè)別硬點(diǎn)，保證劃分的網(wǎng)格更整齊，質(zhì)量更高，如圖5所示。三維網(wǎng)格中四面體網(wǎng)格較易生成，而且能夠很好地填充網(wǎng)格區(qū)域[12]。

圖3 網(wǎng)格尺寸與網(wǎng)格質(zhì)量

圖4 網(wǎng)格的拆分與合并

圖5 網(wǎng)格質(zhì)量改善方法

2.2 汽車車身造型可優(yōu)化特征

汽車車身可以分為3個(gè)部分，以前后軸為邊際，后軸之后的部分為后段，前軸之前的部分為前段，中間的剩余部分為中段，其分段圖如圖6所示。接下來依次分析不同車身段的可優(yōu)化特征。

圖6 汽車車身的分段圖

2.2.1前段可優(yōu)化特征

前段可優(yōu)化部分集中在車頭。為了減小空氣阻力，應(yīng)盡可能地使汽車車頭前段圓角圓滑，讓車頭造型更趨向于流線形。冷卻進(jìn)風(fēng)口的格柵應(yīng)盡量小，使得空氣阻力盡量減小，但同時(shí)要保證足夠的進(jìn)氣量[13]。可以通過增大發(fā)動(dòng)機(jī)罩的斜度以及與前風(fēng)窗的夾角，達(dá)到減小氣動(dòng)阻力的目的。

2.2.2后段可優(yōu)化特征

汽車車身后段的優(yōu)化對(duì)象主要為后風(fēng)窗傾角、車輪擋泥板、車尾底部斜度、車尾端擾流上翹角、車尾橫向收縮角以及車輪?？梢酝ㄟ^增大車尾底部斜度來減少車尾渦流，進(jìn)而降低氣動(dòng)阻力。通過適當(dāng)圓化車輪擋泥板，可以減小其突出距離，保證氣流的順暢，從而達(dá)到減小氣動(dòng)阻力的目的。

2.2.3中段可優(yōu)化特征

對(duì)于汽車車身中段，主要優(yōu)化對(duì)象為前風(fēng)窗。通過增大前風(fēng)窗的傾角，使得前風(fēng)窗與發(fā)動(dòng)機(jī)罩夾角增大，讓車身造型過渡更順暢，從而減小氣流分離區(qū)，有利于減小氣動(dòng)阻力。對(duì)于汽車A柱的優(yōu)化，主要是將A柱周圍的車身部分做成圓弧過渡的形狀，并向內(nèi)傾斜收縮。這種A柱造型由于穩(wěn)定控制了空氣渦流，導(dǎo)致氣動(dòng)分離程度進(jìn)一步下降，進(jìn)而減小了氣動(dòng)阻力。

3 車身6種特征優(yōu)化仿真模擬

3.1 原始模型仿真

通過上述分析，總結(jié)出6種優(yōu)化車身特征。這6種特征分別是發(fā)動(dòng)機(jī)罩斜度、車頭底部斜度、前風(fēng)窗傾角、后段部分的后風(fēng)窗傾角、車尾底部斜度以及車身離地間隙。首先對(duì)汽車車身模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化方法為：1)選用一半車身；2)將進(jìn)氣的格柵用光滑的曲面填平；3)將車底簡(jiǎn)化成光滑平面；4)除去細(xì)小結(jié)構(gòu)，如門手柄、雨刮等。處理后的簡(jiǎn)化模型如圖7所示，原始模型特征尺寸見表1。

圖7 簡(jiǎn)化模型

表1 原始模型特征尺寸

對(duì)幾何模型進(jìn)行仿真計(jì)算區(qū)域劃分，如圖8所示，全部計(jì)算區(qū)域距離車頭3個(gè)車長(zhǎng)，距離車尾5個(gè)車長(zhǎng)，總高度為4個(gè)車高，總寬度為3.5個(gè)車寬。為了得到精準(zhǔn)的仿真數(shù)據(jù)，從總計(jì)算區(qū)域中劃分出一塊小區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，小區(qū)域長(zhǎng)度為5 m，寬度為2 m，高度為2 m。把汽車車身模型按幾何特征進(jìn)行細(xì)分處理。

圖8 仿真計(jì)算區(qū)域的劃分

面網(wǎng)格劃分好后，將面網(wǎng)格模型導(dǎo)入Tigrid軟件中進(jìn)行邊界層生成和體網(wǎng)格劃分。邊界層總共有4層，初始層厚度為0.7 mm，增長(zhǎng)率為1.1，根據(jù)邊界層劃分體網(wǎng)格，得到總體網(wǎng)格數(shù)為1 440 371個(gè)。網(wǎng)格劃分參數(shù)見表2。

3.2 優(yōu)化方案仿真

將6個(gè)車身特征上下浮動(dòng)5%數(shù)值作為單因素優(yōu)化方案，修改后的車身模型發(fā)動(dòng)機(jī)罩斜度增大、車頭底部斜度增大、前風(fēng)窗傾角發(fā)生改變、后風(fēng)窗傾角增大、車尾底部斜度減小、離地間隙增大。上述這些特征參數(shù)的變化有利于減小該車的氣動(dòng)系數(shù)。特征參數(shù)變化對(duì)整車氣動(dòng)系數(shù)的影響見表3，由表可知，離地間隙的變化對(duì)整車氣動(dòng)系數(shù)影響最大，其次是發(fā)動(dòng)機(jī)罩斜度。

表2 網(wǎng)格劃分參數(shù)表

表3 特征參數(shù)變化對(duì)整車氣動(dòng)系數(shù)的影響

將汽車車身的離地間隙特征參數(shù)數(shù)值向下變化5%的壓力云圖與原始模型壓力云圖進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示，其速度流線圖如圖10所示。從圖中可以看出，相對(duì)于原始模型，優(yōu)化模型的前車窗部、側(cè)窗部氣動(dòng)阻力減小。從表4中的數(shù)據(jù)可知，相比原始模型，優(yōu)化模型的氣動(dòng)系數(shù)下降1.85%，升力系數(shù)下降12.92%。

圖9 壓力云圖

圖10 速度流線圖

表4 優(yōu)化前后車身參數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車車身造型的優(yōu)化有利于提升汽車的性能。本文首先分析了空氣動(dòng)力學(xué)的研究現(xiàn)狀，并將流體力學(xué)應(yīng)用到汽車車身造型上。然后研究了數(shù)值模擬基礎(chǔ)理論，詳細(xì)歸納了車身造型前、中、后段對(duì)車身氣動(dòng)阻力的影響。在對(duì)汽車車身劃分的可優(yōu)化特征中，歸納出6種特征對(duì)汽車空氣動(dòng)力特性影響程度最大，利用流體仿真軟件對(duì)6種可優(yōu)化特征進(jìn)行建模分析，研究特征參數(shù)變化對(duì)整車氣動(dòng)系數(shù)值的影響。在未來的研究中，將進(jìn)一步提高迭代計(jì)算的精度，更加細(xì)致地對(duì)汽車車身進(jìn)行網(wǎng)格處理，以獲得更好的優(yōu)化結(jié)果。