基于CFD的汽車空氣動(dòng)力特性分析

丁揚(yáng)志，孫霽宇

(1.長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校汽車營(yíng)銷學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130013；2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130000)

1 引言

汽車在行駛過(guò)程中，氣流流經(jīng)車身與其表面摩擦，產(chǎn)生摩擦阻力。同時(shí)由于車身外形的阻礙，氣流改變了原有的流動(dòng)狀態(tài)，使得車身局部壓力升高，也會(huì)對(duì)汽車的行駛產(chǎn)生阻力。受氣流的影響，汽車在行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生障礙其運(yùn)動(dòng)的空氣阻力，且這種阻力的影響隨著車速的增加而增大。由于車身各部分受到的局部壓力不一致，其壓力產(chǎn)生的合力在垂直于汽車運(yùn)動(dòng)方向上還存在一定分量，改變汽車輪胎與地面的壓力，使得汽車變得難于駕駛。

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車的行駛速度越來(lái)越高，汽車的空氣動(dòng)力特性也變得越來(lái)越重要，研究汽車的空氣動(dòng)力特性，可以達(dá)到減阻、增壓、增穩(wěn)的目的。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)汽車的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行了大量研究。李毓洲應(yīng)用Ansys軟件對(duì)汽車的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，并提出了優(yōu)化汽車車型及改善汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性的參考意見(jiàn)[1]。李華林應(yīng)用Fluent分別對(duì)汽車行駛中的尾隨工況、側(cè)風(fēng)工況以及超車工況進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)行車安全以及汽車的優(yōu)化給出了很多詳細(xì)的建議[2]。張峰對(duì)汽車尾部的外流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)在車尾安裝擾流板以減緩汽車尾部渦流區(qū)的產(chǎn)生[3]。黃森仁應(yīng)用STAR CCM++對(duì)SUV車型的阻力系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，分別計(jì)算了汽車各部件的阻力，為后續(xù)汽車外形的優(yōu)化提供了參考[4]。傅立敏應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)研究了汽車超車過(guò)程中被超車輛的阻力、側(cè)向力以及橫擺力矩的變化規(guī)律，其計(jì)算結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算[5]。

本文對(duì)不同車型的汽車進(jìn)行氣動(dòng)力計(jì)算，通過(guò)對(duì)比不同車尾外形、不同車前身外形的壓力分布、流動(dòng)狀態(tài)，分析汽車外形對(duì)空氣動(dòng)力特性的影響。

2 計(jì)算域及網(wǎng)格無(wú)差別分析

控制方程為Navier-Stokes方程，采用PIM-PLE算法求解Navier-Stokes方程。采用基于有限體積的空間離散方法和空間二階精度的線性插值方法，時(shí)間離散采用二階精度的后向差分方法。計(jì)算域的入口和出口以及外壁都設(shè)為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)，汽車表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面，由于k-ε湍流模型計(jì)算外流場(chǎng)較為精確，因此計(jì)算模型選取k-ε湍流模型[6-9]。k-ε湍流模型中需要求解的湍流k數(shù)學(xué)方程為

(1)

湍流耗散率ε方程為

(2)

式中，k為湍流動(dòng)能，ε為湍流耗散率，ρ為大氣密度，μ為動(dòng)力粘度，μi為湍動(dòng)粘度，C1、C2為經(jīng)驗(yàn)數(shù)，σε、σk為普朗特?cái)?shù)，xi、xj為空間坐標(biāo)，G、Gε為湍流動(dòng)能，其值為

(3)

(4)

μi可以由下式求得

(5)

k-ε湍流模型中的常數(shù)值為

σε=1.3，σk=1.0，C1=1.44，C2=1.92，Cu=0.09。

設(shè)汽車尺寸為4.5 m×1.8m×1.5 m，計(jì)算區(qū)域?yàn)?3 m×10 m×5.3 m的長(zhǎng)方體。來(lái)流風(fēng)速為200km/h，方向沿X軸正方向。由于汽車前方流場(chǎng)對(duì)計(jì)算域流場(chǎng)影響較小，因此為了提高計(jì)算精度，同時(shí)又不增加網(wǎng)格數(shù)量，將汽車置于計(jì)算域的前下角，車頭距離計(jì)算域前端3 m，如圖1所示。邊界層共設(shè)置6層，第一層網(wǎng)格厚度為10-6m。

圖1 計(jì)算域示意圖

設(shè)置的初始條件為高度0 km，壓力p=0.101325Mpa，大氣溫度T=288.15K，入口來(lái)流馬赫數(shù)Ma=0.163。則網(wǎng)格數(shù)量從201.2萬(wàn)至1411.5萬(wàn)變化時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量與汽車阻力系數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)力系數(shù)隨網(wǎng)格的變化關(guān)系

氣動(dòng)力系數(shù)的求解公式如下所示

(6)

(7)

式中，F(xiàn)d為氣動(dòng)阻力，F(xiàn)1為氣動(dòng)升力，Cd為阻力系數(shù)，C1為升力系數(shù)，V為汽車行駛速度，A為汽車迎風(fēng)面積，對(duì)于本模型A=2.7。

由圖2可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量小于800萬(wàn)時(shí)，阻力系數(shù)隨網(wǎng)格數(shù)的變化較為明顯，而網(wǎng)格數(shù)由800萬(wàn)增加到1400萬(wàn)時(shí)，汽車的阻力系數(shù)僅從0.498減小到0.485，汽車的阻力系數(shù)下降的幅度較小，曲線趨于平穩(wěn)。因此，為了兼顧計(jì)算速率計(jì)算精度，文中將計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為812.3萬(wàn)。

3 不同車形的流場(chǎng)計(jì)算與分析

設(shè)網(wǎng)格和計(jì)算域的設(shè)置保持不變，本節(jié)主要應(yīng)用CFD對(duì)不同外形的汽車進(jìn)行外流場(chǎng)計(jì)算，分別計(jì)算車前部外形相同車尾變化和車尾外形相同車前部變化時(shí)，汽車的外流場(chǎng)壓力分布以及流動(dòng)狀態(tài)。

2.1 車尾外形對(duì)流場(chǎng)的影響

1)流場(chǎng)計(jì)算

設(shè)汽車尺寸為4.5 m×1.8 m×1.5 m，汽車車前身外形不變，車尾形狀分別如圖3所示，汽車行駛速度為200km/h，計(jì)算得到的車身壓力分布如圖4所示。

圖3 汽車外形圖

圖4 汽車壓力分布圖

2)氣動(dòng)特性分析

由圖4的仿真可知，汽車車頭部分對(duì)氣流形成阻礙作用，使得車頭的壓力迅速上升，而車頂部分由于與汽車前后擋風(fēng)玻璃形成向外的突起，導(dǎo)致氣流流速增加壓力降低。車尾部分產(chǎn)生強(qiáng)烈的脫體渦，脫體渦的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致車尾后的氣流變?yōu)槲闪?，擾亂流場(chǎng)狀態(tài)增加全車阻力[10-11]。圖4(a)和(c)中車尾的脫體渦較為明顯，而圖4(a)中脫體渦不明顯，主要因?yàn)闅饬髁鹘?jīng)外形1的車前部分氣流已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的分離，而汽車尾部與后風(fēng)擋之間又存在嚴(yán)重的阻礙作用，破壞了脫體渦的形成，最終導(dǎo)致圖4(a)中的脫體渦不明顯。因此，圖4(a)-(c)中可知，汽車車頭部分壓力急劇升高，而車尾部分壓力又存在不同程度的降低，導(dǎo)致整成在行駛過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣動(dòng)阻力。由于車頂部分氣流流速增加，壓力下降，因此汽車在行駛過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生向上的升力，使得胎壓降低，汽車的操縱感變差。

由圖4中的流線圖可知，圖4(a)-(c)中汽車的引擎蓋和前擋風(fēng)玻璃之間氣流與車身均產(chǎn)生了較大的分離，這種分離現(xiàn)象破壞了車身表面的附面層，使得氣流過(guò)早的與汽車車身產(chǎn)生分離。

圖4(c)中汽車尾部部分流線仍然附著在車身表面，沒(méi)有與后風(fēng)擋完全分離，因此外形3的阻力系數(shù)最小，但是由于外形3尾部氣流的附著現(xiàn)象，導(dǎo)致外形3的升力系數(shù)大幅增加，如表1所示。由于外形1的氣流分離最為嚴(yán)重，導(dǎo)致外形1的氣動(dòng)阻力系數(shù)最大。

表1 不同外形的氣動(dòng)力系數(shù)

從表1中可以看出，外形1、外形2、外形3的氣動(dòng)阻力系數(shù)差距均不大，盡管外形3阻力系數(shù)最小，但是也僅比外形1減小了0.026。

由圖4和表1的仿真結(jié)果可知，改變汽車尾部形狀，汽車的阻力并沒(méi)有明顯的改變，造成上述原因的產(chǎn)生主要是因?yàn)槠嚽安客庑卧O(shè)計(jì)不佳，氣流流經(jīng)前風(fēng)擋時(shí)已經(jīng)與車身分離，因此車身后部的設(shè)計(jì)對(duì)整車的阻力的降低十分有限。

2.2 車前身外形對(duì)流場(chǎng)的影響

1)流場(chǎng)計(jì)算

設(shè)汽車尾部外形不變，車前身形狀分別如圖5所示。湍流模型和初始條件不變，汽車行駛速度為200km/h，應(yīng)用CFD計(jì)算汽車的外流場(chǎng)，計(jì)算得到的車身壓力分布和流動(dòng)狀態(tài)如圖6所示。

圖5 汽車外形輪廓圖

圖6 車身壓力分布和流線圖

2)氣動(dòng)特性分析

由圖5可知，相比圖5(b)中汽車前風(fēng)擋與水平面之間的夾角更小，因此氣流從引擎蓋流向前風(fēng)擋時(shí)氣流流向變化更平穩(wěn)。從圖6的仿真結(jié)果可知，圖6(a)中氣流流經(jīng)汽車前風(fēng)擋時(shí)由于流動(dòng)受阻，壓力逐漸升高進(jìn)而產(chǎn)生逆壓梯度。氣流在逆壓梯度的影響下附面層附近的氣流開(kāi)始出現(xiàn)回流狀態(tài)，在引擎蓋與前風(fēng)擋之間與遠(yuǎn)離附面層順流的氣流形成了一個(gè)脫體渦，進(jìn)而使得流經(jīng)汽車前部的氣流產(chǎn)生流動(dòng)分離現(xiàn)象。對(duì)比圖6(a)和(b)的計(jì)算結(jié)果，圖6(b)中產(chǎn)生的渦強(qiáng)度明顯小于圖6(a)，部分氣流流經(jīng)脫體渦后重新附著于前風(fēng)擋。

俄羅斯的旅游市場(chǎng)發(fā)展水平良好。旅游產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為最快的發(fā)展產(chǎn)業(yè)之一。自2010年全國(guó)旅游產(chǎn)業(yè)收益達(dá)到全國(guó)的30%左右，旅游產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了各類附加產(chǎn)業(yè)的運(yùn)營(yíng)發(fā)展，約有1萬(wàn)旅行社為全球各地來(lái)俄羅斯旅游的游客提供服務(wù)，俄羅斯已經(jīng)成為世界的旅游主要地點(diǎn)。

圖6中兩種外形的汽車其壓力分布基本相同，計(jì)算汽車的氣動(dòng)力系數(shù)如表2所示。

表2 汽車氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)比

由表2的計(jì)算結(jié)果可知，外形2的阻力系數(shù)明顯低于外形1，而由于外形2的前風(fēng)擋處部分氣流重新附著，導(dǎo)致外形2的升力系數(shù)也存在一定的增加。

對(duì)比3.1和3.2的仿真結(jié)果，氣流流經(jīng)汽車前部如果已經(jīng)存在較大的氣動(dòng)分離現(xiàn)象，則汽車后部無(wú)論怎么優(yōu)化設(shè)計(jì)，汽車的氣動(dòng)特性都不能得到良好的改善。此時(shí)，設(shè)計(jì)汽車前部的外形反而更能夠優(yōu)化其氣動(dòng)特性。

4 流線型車形流場(chǎng)計(jì)算與分析

由3節(jié)中的仿真結(jié)果可知，汽車前部的外形設(shè)計(jì)對(duì)其氣動(dòng)特性影響十分重要。因此本章對(duì)3.1節(jié)中汽車的前部進(jìn)行流線型處理，改變汽車前部的流場(chǎng)狀態(tài)，減小氣流分離現(xiàn)象，對(duì)比不同車尾外形汽車的氣動(dòng)特性，進(jìn)而分析車尾設(shè)計(jì)對(duì)全車氣動(dòng)特性的影響。

對(duì)3.1節(jié)中汽車的外形進(jìn)行流線型處理，處理后的汽車外形如圖7所示。

為了最大程度的減少氣流過(guò)早的與車身外表面分離，圖7中對(duì)車身的前后部均進(jìn)行了相應(yīng)的處理，設(shè)流場(chǎng)的初始條件和計(jì)算域的設(shè)置保持不變，汽車行駛速度均為200km/h，則計(jì)算得到的汽車外流場(chǎng)壓力分布如圖8所示。

圖7 汽車幾何外形

由圖8的仿真結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)流線型處理后，氣流流經(jīng)汽車前部時(shí)，外形1-外形3均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的氣流分離，車身表面流場(chǎng)流動(dòng)狀態(tài)良好。圖8(a)中汽車尾部的脫體渦最小，主要由于其外凸的車尾阻隔了尾渦的匯集導(dǎo)致。圖8(b)中氣流在車頂后部產(chǎn)生分離，圖8(c)中由于汽車尾部存在斜向下的導(dǎo)流外形，使得氣流流經(jīng)后分檔前部開(kāi)始分離。

圖8 壓力分布

由圖9可知，經(jīng)過(guò)流線型處理后，汽車的阻力系數(shù)明顯下降，部分車型的升力系數(shù)存在一定的升高。經(jīng)過(guò)處理后，外形1的阻力系數(shù)下降的最大，由于外形1存在外凸的尾部，不但能夠?qū)⑽膊繗饬饕鞯胶箫L(fēng)擋下部，減小汽車尾部的紊流區(qū)，其突出的尾部還能夠阻擋脫體渦的提前形成[12]。而未經(jīng)處理后，外形1的阻力系數(shù)最大，此時(shí)該車型的流動(dòng)分離現(xiàn)象最為明顯，氣流在車頂后部就已完全分離，車尾外形的設(shè)計(jì)沒(méi)有任何減阻的作用。因此，在汽車外形尺寸(長(zhǎng)、寬、高)相同時(shí)，轎車車型相比其它車型能產(chǎn)生更小的阻力，其油耗更低。

圖9 氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)比

同時(shí)，經(jīng)過(guò)流線型處理后，外形3中氣流與車身表面分離最晚，因此其車頂?shù)蛪簠^(qū)最大，升力系數(shù)提高的較多，在升力系數(shù)提升的同時(shí)也導(dǎo)致阻力增加。因此，外形3這種車型的氣動(dòng)阻力和升力都較大，非常不利于汽車的穩(wěn)定駕駛。SUV車型大多與此外形相似，常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)是在車頂后部增加一小段尾翼，以此破壞氣流的附著，大幅提升汽車的氣動(dòng)特性，如圖10所示。

圖10 SUV車型優(yōu)化設(shè)計(jì)外形圖

5 結(jié)論

本文應(yīng)用CFD對(duì)汽車的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)汽車的幾何模型進(jìn)行建模，設(shè)置了計(jì)算域的初始條件設(shè)置以及湍流模型的選取，并對(duì)計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行了無(wú)關(guān)性處理。然后，對(duì)不同尾部外形、不同車身前部的汽車空氣動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與車身經(jīng)過(guò)流線型處理后的汽車進(jìn)行對(duì)比。得到的主要結(jié)論如下：

1)氣流進(jìn)過(guò)車身前部若已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的分離，車尾外形的設(shè)計(jì)對(duì)整車阻力的減小會(huì)十分有限。

2)氣流進(jìn)過(guò)車身前部若已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的分離，車前身的設(shè)計(jì)更加重要。

3)車身經(jīng)過(guò)流線型處理后會(huì)大幅減小氣流分離現(xiàn)象。

4)氣流經(jīng)過(guò)車身前部若還保持良好的層流狀態(tài)，車尾的外形設(shè)計(jì)對(duì)減小整車的阻力十分重要。

5)相同外形尺寸在的各型汽車，轎車的阻力較小。