FLUENT在某轿车外流场中的应用

2009年第9期农业装备与车辆工程doi ：10．3969／j．issn．1673－3142．2009．09．003FLUENT 在某轿车外流场中的应用李萍锋，张翠平，李红渊，武玉维（太原理工大学机械工程学院，山西太原030024）摘要：汽车空气动力学的特性在很大程度影响着汽车的动力性、经济性和操纵稳定性。

利用Pro/E 软件对某轿车进行三维建模，并且利用大型计算流体动力学(CFD)分析软件FLUENT 对轿车的外流场进行数值模拟，同时，对其求得结果进行可视化分析。

该仿真的数据对进一步进行汽车空气动力学分析具有一定的参考价值。

关键词：汽车空气动力学；CFD ；外流场；FLUENT 中图分类号：U461．1文献标识码：A文章编号：1673-3142（2009）09-0010-03Application on FLUENT in the External Flow Field of Some CarLI Ping－feng ，ZHANG Cui－ping ，LI Hong－yuan ，WU Yu－wei（College of Mechanical Engineering ，Taiyuan University of Technology ，Taiyuan 030024，China ）Abstrac t ：Vehicular aerodynamics greatly influence the power performance ，economic efficiency and the operatingperformance of vehicles．In this paper ，three－dimensional model of some car is set up by Pro ／E ，and numerical simulation to its external flow field is processed by the CFD analysis software FLUENT．Meanwhile ，visualized analysis is done on the results．The simulated data could be of some value for further analysis of the automotive aerodynamic properties．Keywords ：vehicular aerodynamics ；CFD ；external flow field ；FLUENT收稿日期：2009－05－21基金项目：重型载重汽车环境指标控制研究（800104／02990005）作者简介：李萍锋（1985－），男，浙江诸暨人，在读硕士，研究方向：汽车现代设计与理论。

农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT &VEHICLE ENGINEERING2009年第9期（总第218期）No．92009（Totally 218）引言汽车空气动力学是研究汽车与周围空气作相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的科学，它属于流体力学的一个重要组成部分。

汽车行驶时与空气产生复杂的相互作用，这对汽车的行驶状态影响很大，特别是汽车高速行驶时会承受强大的气动力作用。

众所周知，汽车行驶时受到的气动力是与汽车速度平方成正比，而汽车克服气动阻力所消耗的功率和燃料是随车速的三次方急剧增加的。

因此，使汽车具有良好的形状以降低汽车的气动阻力，不但可以提高汽车的动力性，而且还可以提高汽车的燃料经济性。

对于高速汽车来说，空气动力稳定性是汽车高速安全行驶的前提。

1空气动力学的研究方法汽车空气动力学研究的方法可分为理论分析、数值计算和实验三大类，三种方法相互补充、相互促进。

随着计算机技术的发展，汽车的计算机辅助空气动力学CAA(Computer Aided Aerodynamics)近年来发展迅猛，已经和理论分析计算及实验具有同等的重要性。

目前对流体或流场进行有效数值计算的CFD (Computational Fluid Dynamics)方法，已经能够用来预测或解决一些理论解析法及实验法难以处理的复杂流动问题，模拟部分风洞实验环节等优点。

同时，CFD 方法被越来越多地应用到了汽车设计中。

汽车CFD 方法的实质，就是通过对作为边界的车身外表面以及流场的网格划分，把这些偏微分方程或积分方程离散化，即变成大型代数方程组使之代数化，并采用适当的矩阵代数算法，得到汽车外部流场的近似数值解，以便了解汽车周围流速、压力等的分布情况，进而确定汽车的气动特性与参数。

汽车CFD 按其采用的数值解题方式可以归有限差分法、有限元法和边界元法。

2汽车的实体建模和网格划分研究采用Pro/E 软件来建立轿车三维模型（图1）。

模型参考原车的基本参数：车长3920mm ，车宽1680mm ，车高1499mm ，轴距2480mm ，轮胎185/图1轿车三维模型10··2009年9月60R14；对汽车实体表面作了简化处理，省略了刮雨器、门把手、后视镜等附件，同时对汽车底部等作了相应的平整处理，这些改变不但给建模带来了方便，而且对流场总体特性并没有很大的影响，却缩短了设计时间，提高了计算效率。

把建立的三维汽车CAD 模型，以STP 格式导入FLUENT 软件的前处理软件Gambit 进行网格划分。

在网格划分之前，首先要确定的是一个与壁面不相邻的计算域，计算域一般采用规则的长方体。

此长方体的各个侧面平行都将垂直于坐标轴，这对于控制网格的生成具有很重要的作用。

根据国内外学者的研究经验，流场仿真计算时所取的计算域达到一定范围时,汽车的外流场就不再受计算域范围的限制，或者说可以忽略其影响。

网格划分在进行数值计算中具有非常重要的意义，生成网格质量的好坏将直接影响模拟结果的精度和所消耗的CPU 处理的时间，网格太稀就不能有效地捕捉到流场的一些重要信息，甚至可能导致不收敛，网格太密也会使耗用的CPU 时间急剧增加。

复杂模型的网格划分需要花费大量的时间和精力，迫切需要功能完善的网格自动生成器。

为此，近十多年来CFD 领域发展了不少新的分区结构网格和非结构网格方法。

经过反复分析和试验，本文在前处理中采用四面体网格单元对模型划分了159万多的网格（图2）。

3边界条件确定与数值仿真一个物体，如汽车在静止空气中以匀速V 向左直线运动(坐标系取在静止空气中)，引起的流体运动是不定常的，但让汽车静止不动，由远处来流以等速V 向右流过汽车(坐标系取在静止汽车上)，则流线与迹线重合，如图3所示，成为定常流。

这样就比非定常流减少了一个时间参量，当然处理问题起来就简单多了。

实际中的大多数是非定常流问题，其分析十分复杂，许多问题至今没有得到完满的解答。

因此仿真作某些假设或简化，转换成定常流来讨论是有必要的。

汽车外流场的数值模拟是在计算域内进行的仿真处理的，因此在此区域的边界上要给定一些与实际相近或相似的边界条件。

汽车外流场的数值模拟的边界条件一般为：进口边界、出口边界、壁面边界等。

其中本文采用进口边界：给定速度10m ／s ；出口边界：压力出口；对称面：对称边界条件；其余：壁面边界；初始条件：以进口条件给定。

考虑到所研究汽车运动的实际情况，认为汽车外流场是三维、等温、定常、不可压的粘性湍流流动，控制方程组采用雷诺平均N-S 法(RANS)，并在标准κ-ε模型、RNG κ-ε模型、可行性κ-ε模型等模型中选择RNG κ-ε湍流模型。

RNG κ-ε湍流模型是RANS 法中经常使用的计算汽车外部流场的湍流模型。

这是由于κ-ε湍流模型适应于二维的流场模拟，对于三维的流场就并不是很准确。

基于这个原因，在标准κ-ε湍流模型的基础上进行改进变形后得到了RNG κ-ε紊流模型。

在结构上它基于标准κ-ε模型，不同点在于：RNG κ-ε湍流模型在ε方程增加了限制条件，可以显著地提高湍流的准确度，RNG κ-ε湍流模型增加了涡流对湍流的影响，同时，也提高了涡流计算的准确度。

RNG k-ε湍流模型动能方程：坠坠t (ρk )+坠坠x i(ρku i)=坠i (αk μeff 坠k j)+G k +G b -ρε-Y M +SK4外流场仿真的结果与分析计算结果收敛后，可以得到汽车所受到的各个气动力及汽车外流场任意界面上的流速图、流速矢量图和压力分布图等。

从图4轿车对称面周围的基本外流场流速矢量图和图5轿车对称面周围的基本外流场压力分布图可以看出。

包围汽车的空气流在汽车最前端有一个驻点，由于来流速度与汽车车头部相遇，气流遇到汽车头部而受到阻滞，使气流速度大大降低，而在驻点附近气流产生分支，从上、下而形成对车身的绕流。

因此在驻点周围的一个区域内，压力都高于未受扰动气图2FLUENT中模型网格图3轿车对称面流线李萍锋等：FLUENT 在某轿车外流场中的应用11··2009年第9期农业装备与车辆工程流的压力，形成一个高的正压区。

流向汽车上方的气流，气流需要加速拐过车头的“鼻部”，由于这部分曲率大，气流来不及转折而出现局部分离，这时的气流速度也较大，会产生一个低压区（有时甚至可以观察到，汽车在低温潮湿大气中行驶，由于车头“鼻部”附近足够大的压降而产生水蒸汽冻结成一层薄冰的自然现象）。

气流继续向上运动，理论上是气流无法紧贴发动机罩的廓线流动，而在风窗与发动机罩的某点出现脱体流动，气流在位于前风窗上部某点又重新附着，在分离点与附着点之间形成一个相对较稳定且具有明显涡旋的区域，称为“分离气泡”，从而形成死水区，该区内为正压区。

由于本文在设计中对这个区域采用了较大的过渡圆角，在很大程度上减小了涡旋，而在现实汽车的设计中往往是在前风窗底部开设车内通风格栅。

在汽车顶棚处，由于流速较高，重新出现了较低的压力。

压力的分布取决于顶棚的总体形状和曲率。

不论怎样，在车顶后部流速总会减慢下来，使压力趋于升高，形成了产生气流分离和出现尾涡流的条件。

而在顶棚与车尾交界处出现了一个较大的负压区，在汽车外形一定的情况下，想要减小汽车的气动阻力，就要设法减小分离气流产生的涡流。

在气流到达风窗上边缘时，有一个又较大的转角，在此形成了一个吸力峰，之后，气流到达汽车顶棚，流动较为通畅，流速也较快，产生一个负压区。

当气流达到车尾时，由于汽车顶棚与车尾过渡角度较大，气流很难向车尾下部运动，并沿汽车顶棚上表面切向流出，形成一个负压区。

不论怎样，在车顶后部流速总会减慢下来，使压力趋于升高，形成了产生气流分离和出现尾涡流的条件。

从图6中我们可以清楚地看出在汽车周围存在两个大的涡流区：汽车前部和车尾后部。

汽车前部涡流区的产生是因为在这个区域存在显著的气流分离现象，前部涡流区的产生是因为驻点的存在，而车尾后部涡流区的产生是因为从汽车底部和汽车顶部绕过的两股气流重新汇合造成的。