基于CFD的汽车外流场数值模拟及优化

基于CFD的汽车外流场数值模拟及优化
钱娟;王东方;缪小东;苏国营
【摘要】以某客车车型为研究对象，利用CATIA和FLUENT软件结合进行三维外流场模拟分析及车型优化。

通过对汽车进行数值模拟计算，并对优化后的模型进行气动特性分析，减小了气动阻力系数并为汽车造型优化提供了基本的参考。

【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2016(038)004
【总页数】4页(P74-76,92)
【关键词】空气动力学;fluent;数值模拟;造型优化
【作者】钱娟;王东方;缪小东;苏国营
【作者单位】南京工业大学机械与动力工程学院，南京 211816;南京工业大学机械与动力工程学院，南京 211816;南京工业大学机械与动力工程学院，南京211816;南京工业大学机械与动力工程学院，南京 211816
【正文语种】中文
【中图分类】U461.1
0 引言
汽车空气动力特性是指在运动过程中与空气的作用力对汽车燃油经济性、操纵稳定性、舒适性等性能有重要影响[1]。

汽车空气动力学的研究通常是对汽车性能、汽车流场与压强、冷却系统等内容进行，可以降低气动阻力系数从而改善稳定性，可
以减小空气阻力来提高燃油经济性，可以通过改善内部空气流通散热提高乘坐舒适性[2]。

计算流体力学CFD（Computational fluid dynamics）广泛应用于各种数值计算，其基本思想是用一个离散的变量值的集合来代替原先在时间、空间域上连续的物理量场，并建立起能够代表变量关系的方程组，最后求解方程组得到变量近似解[3]数值。

计算CFD技术在模拟流场时的优势首先体现在利用CFD可以充分
模拟流动结构，为之后开发者有效的发现问题和改进方案；其次与试验相比缩短设计周期、节省试验开销。

1 数值模拟的基本控制方程
汽车空气流动的特性实质是流体流动、换热的问题，任何流体流动问题都要遵守基本物理守恒定律，本文可以用Navier-Stokes方程来描述，在笛卡尔坐标中x、y、z三分量上的动量方程：
式中：P—流体微元体所受压力；Fx、Fy、Fz—微元体中流体受到x、y、z三个方向上的体力。

标准k-ε模型在流动数值计算中应用最为广泛[4]。

湍流动能k和湍流耗散ε的偏
微分方程表达式分别为：
式中：ul为层流空气动力黏度系数；ut为湍流黏性系数；Cμ为湍流常数，C1z、
C2z为经验常数，一般分别取为：0.09，1.44和1.92。

2 建立外流场数值模拟计算模型
2.1 建立几何模型
本文按照某车型类比设计建模，采用1:1的比例选用整车的特征参数，用CATIA
建立了某客车模型。

模型的基本参数：轴距2907mm，轮距1650mm，最小离地间隙133mm，长1860mm，宽1760mm，高1500mm。

建模过程中，保留关
键特性基础上对模型进行适当简化。

简化轮腔、车轮等的细节形状，将车身简化成封闭壳体，一般认为这样的简化不会对汽车外流场的数值模拟有很大影响。

通过CATIA建模，最终生成的车身模型如图1所示。

图1 汽车车身模型
2.2 划分模型网格
根据经验，为了模拟汽车行驶状态，模拟使用长方形的计算域，取法为：设定汽车尺寸长×宽×高（L×W×H）,计算域尺寸应为10L×4W×5H
（46250mm×7416mm×6860mm）,计算域入口距车头距离为3L，出口处离车
尾长度为6L，宽度左右两侧距离车身距离分别为2W，高度为5H。

汽车底部距离地面间隙133mm。

本文在ANSYS前处理模块ICEM软件中采用八叉树（Octree）方法对计算域进行网格划分，图2为汽车的网格模型。

图2 汽车网格模型
2.3 设置边界条件
汽车外流场的边界条件主要包括入口、出口的边界条件、地面和固定壁面的边界条件。

入口边界设置速度入口（velocity-inlet），速度大小为30m/s；出口设置压
力出口（pressure-outlet）；地面边界设置无滑移条件（noslip）；壁面边界条
件设置固定无滑移条件（no slip wall）。

本文选择k-ε湍流模型，由经验公式可得：湍流动能k=0.03375，湍流耗散率
ε=0.00187。

3 汽车外流场模拟结果及分析
通过FLUENT后处理的模块，可以对汽车进行外流场进行可视化分析。

从图3和图4可看出，汽车车头前部、挡风玻璃底部、轮胎迎风处处于正压区。

这是因为当远方来流遇到车头时受阻此时在汽车前部形成正压区。

气流经过车头流向两个方向，一部分经过前风窗、车身上部流向车尾，在经过风窗时因为挡风玻璃
的阻力使得气流减弱，形成正压区，在到达车身最高点时，由于较大的气流速度需要急速转折因而在此形成吸力峰（负压区），同样在气流到达车尾时，由于转折的气流形成大的负气压区；另一部分的气流从车身底部中流向车尾，当来流遇到轮胎时，由于轮胎效应形成负压区，两股气流在汽车后方并未停止，而是形成了涡流，涡流也是形成气动阻力的影响因素。

同样我们可以看到，汽车车身前部与车身后部相比，前部主要集中正压，后部大部分是负压，从而形成较大的压力差，汽车行驶时所受气动阻力大部分来自于压力差，所以消除前后压力差是关键。

图5为汽车速度矢量图，可看到，拐角相对较大的地方，如车头底部、挡风玻璃
底部、车身顶部边缘及汽车尾部这些地方的流速相对较大。

与图3对比可知：在
流速大的地方的压力梯度较大，在汽车前部和尾部区域气流速度较低。

图6是车尾气流速度矢量图，汽车尾部结构是影响涡阻的主要影响力。

从图中可
以看出，尾部负压值较大，车身上部分的气流在边缘分离x行成一顺时针漩涡，
车身底部的气流向上形成一逆时针漩涡，漩涡紧贴于车身尾部。

是轻型客车尾部常常附着较多灰尘与泥水的原因[6,7]。

图3 优化前车身压力分布图
图4 对称面压力分布云图
图5 优化前车身速度矢量图
图6 车尾气流速度矢量图
本文主要通过阻力系数CD评价气动特性。

其中阻力值是通过fluent后处理输出，如图7所示。

从图中可以看到，气动阻力大小为826N，气动阻力系数为0.526。

图7 优化前气动力及其系数
通过对模拟结果的分析，明确了汽车车身前后压差以及汽车尾部的漩涡及长距离存在的涡系是形成气动阻力的主要因素，气流容易在拐角较大处发生分离，为减小气动阻力系数，可以对汽车车身造型进行局部优化。

4 基于空气动力学的汽车造型优化
4.1 优化方案
1）汽车车头高度降低，并设前翘脚为15o同时对前翘脚与车身前脸进行圆弧的过度处理；2）汽车底部上翘角度改变为4o；3）增加后扰流板。

最终生成的优化模型如图8所示。

图8 优化后车身模型
4.2 优化结果
图9是优化后的车身压力分布图，从图中可看出，车头部分仍然呈现正压区，但
通过优化，汽车前脸部分正压区最大值减小，且有利于气流的通过，气流变化平缓，减小阻滞区。

图10是优化后的对称面压力云图，可以看出，优化后的最大正压值从原先的
638MPa减小到590Pa，且原车顶后部的负压区减小。

图11是优化后的车身速度矢量图，从图中可看出，通过优化，在发动机盖与挡风玻璃交界处由于倾斜度不大，故气流最大值减小，且从汽车底部经过的气流速度突变减小，从而使得汽车气动升力可以得到减小。

图12是优化后车尾处速度矢量图。

从图中可看出：在车顶处，气流变化平缓，降低了汽车尾流区域能量耗散；在车身尾部，气流得到梳理，形成较弱的漩涡且分散向后方扩散。

相对来说，优化后模型表现出良好气动特性[8]。

图9 优化后车身压力分布图
图10 优化后对称面压力云图
图11 优化后车身速度矢量图
图12 优化后车尾气流速度矢量图
图13是优化后的气动力及其系数，从图中可以看出，优化后气动阻力大小为498.34N，阻力系数CD值为0.312，与原有模型气动阻力系数CD值0.526相比，
气动阻力减小了40.68%。

图13 优化后气动力及其系数
5 结论
本文结合优化方案对汽车外流场进行模拟，不仅验证了局部改型的可行性与正确性，同时也为车型进一步优化减阻打下基础。

通过对车身压力分布图、对称面压力云图、车身速度矢量以及车尾速度矢量图等的对比分析表明通过优化，模型表现出良好的气动性能，气动阻力系数均得到了一定程度的减小，故该模型是可取的。

参考文献：
[1] 印帅.流动控制在汽车空气动力学中的应用[D].南京:南京航空航天大学,2012.
[2] 傅立敏.汽车空气动力学[M].北京:机械工业出版社,2006.
[3] Kobayashi.T,K.Kitoh.A Review of CFD Methods and Their Application to Automobile Aerodynamics[J].SAE Paper,1992.
[4] 肖辉.高速汽车外场气动噪声分析与控制[D]长沙:湖南大学,2011.
[5] 贾志浩.基于不同湍流模型的汽车外场数值模型[D].郑州：郑州大学,2013
[6] 许建民,易际明,赵军,等.流线型轿车外流场的数值模拟[J].陕西科技大学学
报,2011,29(5):61-64.
[7] ShahyarPirzadehZ.Unstructured grid generation for complex 3D high-
lift configurations[C].SAE Paper,1999.
[8] 黄永辉.基于CFD的汽车外流场数值模拟及车身造型优化[D].长沙:湖南大
学,2011.。