前擋傾角對(duì)整車外流場(chǎng)的影響規(guī)律研究

劉傳波，王正炬,彭 婧，彭立爭(zhēng)

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545005)

相關(guān)研究表明[1]：如能使傳統(tǒng)乘用車風(fēng)阻系數(shù)下降20%～25%，汽車的燃油消耗可減少8%～20%。電動(dòng)汽車風(fēng)阻系數(shù)每降低0.01，可將純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程提升15～20 km。汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能好壞主要由汽車形狀決定。在車輛研發(fā)的早期階段，一般通過風(fēng)洞試驗(yàn)衡量形狀對(duì)空氣動(dòng)力性能的影響，以便在最終定型之前適當(dāng)?shù)馗淖冃螤钜詽M足空氣動(dòng)力學(xué)目標(biāo)。由于風(fēng)洞試驗(yàn)昂貴又費(fèi)時(shí)，汽車制造商都希望減少車輛研發(fā)時(shí)間并降低開發(fā)成本，因此CFD(computational fluid dynamics)被廣泛應(yīng)用于汽車的研發(fā)設(shè)計(jì)中。

曹升平等[2]通過CFD計(jì)算分析了汽車A柱形狀變化對(duì)整車風(fēng)阻的影響。結(jié)果表明，增大A柱內(nèi)側(cè)面偏移量和減小A柱迎風(fēng)面與前擋玻璃面高度差可以有效降低風(fēng)阻，但柱內(nèi)側(cè)面與前擋玻璃交線偏移量的改變會(huì)加劇A柱區(qū)域氣流的分離情況，不利于整車風(fēng)阻系數(shù)的優(yōu)化。Guilmineau等[3]研究了Ahmed車型后擋風(fēng)玻璃傾斜角對(duì)尾流特性的影響。結(jié)果顯示，后窗的角度對(duì)尾流特性有重要影響，當(dāng)后窗角度為35°時(shí)阻力最小。楊志剛等[4]針對(duì)某三廂轎車，采用CFD數(shù)值計(jì)算方法，研究了車輪寬度對(duì)整車氣動(dòng)性能的影響，得出如下結(jié)論：車輪寬度每減小5%，單車輪模型風(fēng)阻約減小9.2%，整車風(fēng)阻約減小2%。方健等[5]以上汽通用公司兩款車型為研究對(duì)象，探討了車輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起風(fēng)阻系數(shù)變化的流場(chǎng)作用機(jī)理并根據(jù)流場(chǎng)分布特點(diǎn)提出車輪減阻優(yōu)化方案。張峰等[6]對(duì)某階背式轎車進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，安裝擾流板和導(dǎo)流板后模型尾部上方阻力明顯增大，升力同時(shí)減小。

筆者以某實(shí)際MPV車型為例，建立了該車型整車風(fēng)阻數(shù)學(xué)模型，在保證模型精度的前提下對(duì)前擋傾角(前擋風(fēng)玻璃與水平面夾角)對(duì)整車外流場(chǎng)的影響進(jìn)行了分析。采用Hypermesh軟件進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，采用STAR-CCM+軟件進(jìn)行體網(wǎng)格生成和模型求解計(jì)算。前擋傾角角度的變化通過Sculptor網(wǎng)格變形軟件實(shí)現(xiàn)，以預(yù)測(cè)不同前擋傾角下整車外流場(chǎng)的變化規(guī)律。

1 基礎(chǔ)流場(chǎng)模型

1.1 基本控制方程

計(jì)算流體力學(xué)的基本思想是：把原始在時(shí)間和空間上連續(xù)的物理量，用包含有限個(gè)離散點(diǎn)的集合替代，以一定方式對(duì)流動(dòng)的控制方程進(jìn)行離散，從而建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上的變量之間關(guān)系的方程組并求解其近似值。流體流動(dòng)必須遵循質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程為：

-div(ρu)=?ρ/?t

(1)

式中:ρ為空氣密度；u為速度矢量；t為時(shí)間。

動(dòng)量守恒方程為：

(2)

式中：u、v、w分別為速度矢量u在x、y、z方向上的分量；p為微元上的壓力；μ為流體黏度。

由于這里不考慮流體的熱交換問題，因此不考慮能量守恒方程。

1.2 湍流模型

目前大多CFD軟件的默認(rèn)湍流模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，但該模型對(duì)于存在旋轉(zhuǎn)流的問題計(jì)算存在較大誤差，Realizablek-ε模型和RNGk-ε模型很好地彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)，但是后者收斂速度太慢，對(duì)于形狀復(fù)雜的車身收斂更慢[7]，因此筆者選擇Realizablek-ε模型。在該模型中，湍動(dòng)能k和湍流耗散率ε是未知量，軟件默認(rèn)初始迭代值均為1。對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為：

Gk-ρε

(3)

(4)

式中：ui為時(shí)均速度；μ為動(dòng)力黏度；μt為湍流黏度；σk和σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；C1和C2為模型常數(shù)；E為時(shí)階應(yīng)變率；υ為運(yùn)動(dòng)黏度。

2 整車模型的建立與設(shè)置

2.1 整車三維數(shù)學(xué)模型

筆者采用的汽車模型為某實(shí)際MPV車型，考慮到只研究整車外流場(chǎng)分布，不涉及發(fā)動(dòng)機(jī)艙散熱問題，因此有必要對(duì)整車外流場(chǎng)沒有影響的部件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化以提升計(jì)算速度。清理工作主要包括：刪除駕駛艙內(nèi)后視鏡、座椅、方向盤等結(jié)構(gòu)；簡(jiǎn)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)空調(diào)壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)等結(jié)構(gòu)；刪除整車內(nèi)部螺栓螺紋結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)化后整車三維模型如圖1所示，具體外形參數(shù)尺寸如表1所示。

圖1 整車三維模型

2.2 計(jì)算域尺寸設(shè)定

在整車外流場(chǎng)仿真過程中，選取距離車身一定距離的區(qū)域，稱作計(jì)算域。計(jì)算域尺寸的設(shè)定首先要考慮風(fēng)洞的阻塞性。一般用阻塞比來表示風(fēng)洞的阻塞性大小。風(fēng)洞阻塞比表達(dá)式為：

表1 整車外形參數(shù)尺寸表

ε=A/AN

(5)

式中：ε為風(fēng)洞阻塞比；A為汽車的正投影面積；AN為計(jì)算域進(jìn)風(fēng)面積。

風(fēng)洞試驗(yàn)一般要求阻塞比小于5%[8]。車長(zhǎng)L、車寬W、車高H的計(jì)算域尺寸設(shè)置如圖2所示。經(jīng)計(jì)算可知，計(jì)算域尺寸符合要求。

圖2 計(jì)算域尺寸示意圖

(6)

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格類型大體分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。前者形狀上比較規(guī)范，網(wǎng)格往往成行或成列，但是與模型的貼合度太差，一般只適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的模型。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格雖然生成過程比結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格復(fù)雜，但是適應(yīng)性極好，貼合度也更高。對(duì)于汽車這種具有大量復(fù)雜零件的模型，選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行面網(wǎng)格劃分。

由于不同軟件對(duì)于面網(wǎng)格質(zhì)量檢查的標(biāo)準(zhǔn)不同，在Hypermesh里劃分完面網(wǎng)格之后，需要重新導(dǎo)入STAR-CCM+軟件進(jìn)行面網(wǎng)格質(zhì)量檢查。該軟件面網(wǎng)格質(zhì)量和面接近值默認(rèn)為0.1，為了提高計(jì)算精度，確保所有面網(wǎng)格質(zhì)量高于0.2，面接近值高于0.15，同時(shí)進(jìn)行表面修復(fù)工作保證沒有穿刺面、T型邊和自由邊。

對(duì)于汽車外流場(chǎng)的研究，不同體網(wǎng)格的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示[9]。綜合考慮，選擇切割體網(wǎng)格。

表2 不同類型體網(wǎng)格比較

汽車尾部空氣流動(dòng)特別復(fù)雜，因此需要對(duì)汽車尾部設(shè)置加密區(qū)。在車身周圍附近依次設(shè)置4個(gè)加密區(qū)，加密區(qū)尺寸分別為16 mm，32 mm，64 mm，128 mm，計(jì)算域最大尺寸為256 mm。在車身近壁區(qū)設(shè)置邊界層，邊界層延伸模式為厚度比，厚度比為1.1，層數(shù)為7層，總厚度為5 mm。圖3為汽車中截面處體網(wǎng)格示意圖。最終生成體網(wǎng)格數(shù)量為4 114萬。

圖3 整車中截面體網(wǎng)格示意圖

2.4 邊界條件設(shè)置

邊界條件設(shè)置如下：

(1)計(jì)算域入口邊界設(shè)置為風(fēng)洞速度入口，風(fēng)速為35 m/s。

(2)計(jì)算域出口為壓力出口，其值為0 Pa。

(3)計(jì)算域其他邊界均為壁面邊界，考慮到汽車行駛過程中地面的抽吸效應(yīng)，將計(jì)算域底部設(shè)置為滑移壁面；其他壁面均為非滑移壁面。

(4)空氣密度。由于流速小于0.3馬赫(1馬赫=1 225 km/h),因此空氣密度可視為常數(shù)，取默認(rèn)值ρ=1.225 kg/m3。

(5)輪胎旋轉(zhuǎn)速度經(jīng)計(jì)算后為109.375 rad/s。

2.5 仿真計(jì)算設(shè)置

筆者利用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散。建立離散方程的過程關(guān)鍵在于每個(gè)邊界上的物理量和導(dǎo)數(shù)通過插值方法求出，考慮到計(jì)算精度，選用二階迎風(fēng)格式。STAR-CCM+軟件提供兩種壓力修正算法：SIMPLE算法和PISO算法。SIMPLE算法通用性好，常用來求解穩(wěn)態(tài)問題；PISO算法適用于不可壓縮流體，對(duì)非定常流動(dòng)的求解比較好。現(xiàn)實(shí)中的流體無時(shí)無刻不在發(fā)生著變化，因此流動(dòng)問題原則上都是非定長(zhǎng)的，這方面來看PISO算法更好，但是該算法長(zhǎng)時(shí)間容易不收斂，對(duì)于某一具體工程問題，如果流場(chǎng)的變化幅度很小，則可以按照定常來處理。筆者選擇軟件默認(rèn)的SIMPLE算法進(jìn)行求解。

該模型迭代5 000步風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。Palaskar等[10]指出，風(fēng)阻系數(shù)的仿真精度一般要求在5%以內(nèi)。經(jīng)驗(yàn)證，該模型收斂，計(jì)算所得風(fēng)阻系數(shù)值為0.356，官方風(fēng)阻系數(shù)值為0.358，模型精確度為99.44%。

圖4 風(fēng)阻系數(shù)變化曲線圖

為探究不同前擋傾角對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)的影響，在Sculptor軟件中進(jìn)行角度變化，角度由30°變化為25°，28°，32°，35°，其他條件均保持不變。

3 結(jié)果與討論

3.1 仿真結(jié)果分析

前擋傾角變化引起的風(fēng)阻系數(shù)變化折線圖如圖5所示。

圖5 不同前擋傾角角度下的風(fēng)阻系數(shù)變化拆線圖

由圖5可知，隨著前擋傾角的增加，風(fēng)阻系數(shù)也增加。當(dāng)前擋傾角減小時(shí)，角度每減小1°，風(fēng)阻系數(shù)值平均減小0.000 2；當(dāng)前擋傾角增加時(shí)，角度每增加1°，風(fēng)阻系數(shù)值平均增加0.000 3?？梢娊嵌鹊脑黾右鸬娘L(fēng)阻系數(shù)值變化更大。

3.2 壓力場(chǎng)分析

原始車型、前擋傾角為25°和35°的壓力云圖如圖6～圖8所示。從圖6～圖8可知，壓力最大處在汽車前臉處。前擋傾角的變化主要引起前擋風(fēng)玻璃和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋上壓力的變化。隨著前擋傾角的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前端高壓區(qū)域有所增加，前擋風(fēng)玻璃和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋交界處高壓明顯增加。同時(shí)前擋風(fēng)玻璃下端高壓區(qū)域顯著增加，上端負(fù)壓值有所降低。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著前擋傾角逐漸增大，汽車后視鏡與車身連接處負(fù)壓區(qū)域也會(huì)增加，汽車頂蓋前段行李架處負(fù)壓有所增加。由以上分析可知，隨著前擋傾角的增加，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋和前擋風(fēng)玻璃壓力有所變大，同時(shí)行李架壓力增大，不利于汽車風(fēng)阻系數(shù)的降低以及高速下平穩(wěn)駕駛，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小前擋傾角。

圖6 原始車型壓力云圖

圖7 前擋傾角為25°的壓力云圖

圖8 前擋傾角為35°的壓力云圖

3.3 速度場(chǎng)分析

原始車型、前擋傾角為25°和35°的速度矢量圖如圖9～圖11所示。從圖9～圖11可知，隨著前擋傾角的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋前段高速區(qū)域有所減小，同時(shí)在前擋風(fēng)玻璃與發(fā)動(dòng)機(jī)蓋交界處速度有所增加。變化最明顯的是前擋風(fēng)玻璃與頂棚交界處，該區(qū)域流速過大，遠(yuǎn)高于空氣流速35 m/s,不利于汽車高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性。

圖9 原始車型速度矢量圖

圖10 前擋傾角為25°的速度矢量圖

圖11 前擋傾角為35°的速度矢量圖

4 結(jié)論

(1)基于CFD方法能準(zhǔn)確反映汽車外流場(chǎng)特性，通過整車中截面的壓力分布云圖和速度分布云圖能直觀地展現(xiàn)整車外流場(chǎng)的壓力和速度分布規(guī)律，觀察到壓力波動(dòng)和渦流分布等不穩(wěn)定流動(dòng)情況，對(duì)整車的性能預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

(2)隨著汽車前擋傾角的增加，整車風(fēng)阻系數(shù)會(huì)增加，不利于外形優(yōu)化。在汽車前期設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小前擋傾角。