在汽车气动特性研究中的应用

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第３期

薛劲橹，等：Ｆｌｕｅｎｔ在汽车气动特性研究中的应用

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添加轮子，并生成一个长１０ｍ、宽２ｍ、高３ｍ的流场区域，由于车体沿中纵剖面对称，故只对～半车体建模，以简化计算。可沿流场中纵剖面将计算区域分开，将中纵剖面设为对称面边界，在后处理过程中可观看完整流场。Ｇａｍｂｉｔ具有很强的非结构化网格生成功能，利用Ｇａｍｂｉｔ中的ｍｅｓｈ模块，对已经建立的汽车流场３Ｄ模型进行网格划分，如图３所示。

图３划分网格

汽车外流场的数值模拟是在有限区域内进行的，因此在计算区域边界上要设置合适的边界条件。具体设置如表２所示。

表２区域边界设置

２．４求解过程

将Ｇａｍｂｉｔ生成的ｍｅｓｈ文件导人Ｆｌｕｅｎｔ进行求解运算。本研究设置汽车８０ｋｍ／ｈ的相对行驶速度，此时空气流场属于三维定常不可压黏性流动。使用非耦合隐式算法进行求解，离散格式使用二阶迎风格式，湍流模型使用ｋ－ｅ方程。分别用稳态和非稳态２种求解器进行计算，稳态计算速度较快，瞬态计算精度较高。２种计算方法结果对比如表３（以模型１为例）所示。

表３计算方法对比

根据文献［３］，小轿车的阻力系数范围是０．３５～０．５５，升力系数范围是０．１—０．２，说明本文所建模型以及计算结果均符合工程实际。通过表３可知：本文所述问题用稳态和瞬态２种求解器所得解基本一致，故在做类似简单计算时可选择稳态求解器，可以大大节省计算时间。图４为２种方法残差曲线，其中稳态计算迭代１５０步可收敛，而瞬态计算

迭代１６００余步可收敛。

樊蜷辐娶

迭代次数（ａ）瞬态方法

（ｂ）稳态方法

图４计算结果对比

２．５计算结果后处理

利用Ｆｌｕｅｎｔ的后处理功能，可以绘制出车身表面的压力分布图以及外流场速度分布图，如图５—９

（以模型１为例）所示。

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３６装甲兵工程学院学报第２３卷

２．６气动特性分析

１）车身表面压力分析。由压力等值线图（图５）和压力剖面图（图６）可知：汽车头部表面压力最大，这是由于气流速度与车头相遇，气流遇到车头而受到阻滞，使气流速度大大降低，因而在车头形成正压区。之后，气流分绕上、下表面，流向汽车上方的气流，在流经车头上缘角时，由于上缘角曲率大，气流来不及转折而出现局部分离，这时的气流速度也较大，因而在此处形成负压峰值。然后气流又重新附着于发动机罩上，发动机罩通常有一定的斜度，其上气流仍然较快，故压力仍为负值，形成负压区。当气流继续流向前风窗时，由于前风窗的阻挡，气流在发动机罩和前风窗玻璃的凹角处会发生分离与再附着的现象，该区为正压区。在气流到达前风挡上缘时，

结构上又是一个转角，因而会在此处再次形成一个负压区。之后，气流流动较为顺畅，流速较快，压强为负值。当气流达到后行李箱盖时，由于后行李箱盖的存在，会对气流产生阻挡作用，因而在后行李箱盖上形成较小的正压区。气流顺着后行李箱盖流动速度加快，并沿后行李箱盖后端上表面切向流出，又形成负压区。流向汽车下方的这部分气流，在流经车头下缘角时，同样由于下缘角曲率大，气流将出现局部分离而在此处形成负压区。然后，气流进入地面与车底之间的间隙，由于地面的存在，气流通道狭窄，气流较快，故压强基本为负值。

２）气流流向分析。图７为某轿车外部流场速度矢量图，从图７，９可看出：气流从车头绕过下缘的时候即发生分离，但是由于前方来流的影响，很快又附着在车体上；由于受到这一大的扰动影响，车体下表面边界层很快地发展成湍流边界层，并且迅速增厚，达到可与底部通流空间高度相比拟的程度。流向发动机罩的气流，由于前挡风玻璃与发动机罩之间形状的突变，加上气体的黏性作用，气流在发动机罩上的某一位置发生分离，其后的气流为紊流。当气流继续流动，到挡风玻璃上的某一位置，气流再次附着在车身上，继续流向顶盖，流向顶盖的气流是比较均匀的，基本上是呈层流流动。到了上表面气流在绕过顶盖后缘之后，由于过大的曲率导致的逆压梯度的作用，很快就在后车窗上分离，最后在汽车的尾部形成２个大的涡流（图８），这些涡流对尾部压力的损失产生很大的影响，压力损失大，进而使汽车前后的压差增大，汽车的阻力增大，同时也会影响汽车操纵稳定性，所以，可通过加装扰流器等附加装置来控制这些涡流的形成并降低形成强度，提高汽车整体性能。扰流板的作用是：破坏在车后部即将形成的强大的尾涡，致使高速气流被滞缓，使汽车的尾流结构由大的漩涡变成由一些不规则的小漩涡构成的湍流，强大的尾涡减弱了，湍流损失也随之减少，从而降低了压差阻力。

３）为了将车身形状对空气阻力和升力的影响进行对比，笔者建立了２种模型，如图ｌ，２所示。对２种模型分别作计算，可得出计算收敛时的阻力系数和升力系数，如表４所示。

表４阻力系数和升力系数　万方数据

第３期薛劲橹，等：Ｆｌｕｅｎｔ在汽车气动特性研究中的应用３７

由表４可知：改变汽车的流线型，汽车空气阻力系数减小。这是因为模型ｌ在车头以及发动机罩与挡风玻璃的交界处有２个高压区，而模型２只在车头存在一个高压区，从而减小了整车的压差阻力。模型ｌ和模型２车身表面压力分布对比如图１０。该结论可启发我们在今后的车型设计中，可考虑设计类似模型２车型的新概念车型。

图ｌＯ２种模型车体表面压力对比

由表４可见：２种车型行驶中均有较大升力。为此，在车后箱盖上加扰流板进行计算，结果如图１１（以模型１为例）所示。表５给出了加扰流板前升力系数值和阻力系数值。

图ｌｌ加扰流板的模型ｌ表面压力分布

表５加扰流板前后升力系数和阻力系数

由表５可知：加扰流板后汽车升力系数大大降低，增强了地面附着性。在实际车型设计中，应寻找一条综合考虑阻力和升力的最优路径。

笔者对汽车模型的建立没有依据已有车型，为此，将分析结果与文献［３］作比较，所得结论相同，说明利用Ｆｌｕｅｎｔ仿真手段分析汽车行驶气动特性是可行的。３结论

本文利用Ｆｌｕｅｎｔ软件对汽车外形进行三维流场计算，得到了其阻力系数、升力系数等空气动力学数据，以及车身表面压力分布、三维流场速度分布等结果，并通过图形化功能将这些结果直观地表现出来，对高速行驶的汽车进行了气动特性的分析。

利用Ｆｌｕｅｎｔ对汽车气动特性的分析可用于汽车外形设计等领域，摆脱了以往仅仅靠风洞试验的单一手段获得汽车外形空气动力学性能，再来指导汽车外形设计的局面，对于汽车外形开发设计部门早期掌握产品性能、节省试验经费、缩短开发周期、提高产品的自主开发设计具有重要意义，为汽车外形设计开辟了一条值得探索的途径。

但由于实际空气流动特性较为复杂，利用ＣＦＤ软件对汽车行驶的流场进行模拟与实际情况有不可避免的偏差，因此在解决空气动力学的实际问题中，需要风洞试验和软件仿真相配合和补充，取得符合实际的精确结果。

参考文献：

［１】喻凡，林逸．汽车系统动力学［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００５：６９—８６．

［２］王福军．计算流体动力学分析——ｃＦＤ软件原理与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社。２００４：７一１１．

［３］小林明．汽车工程手册［Ｍ］．汽车工程手册编译委员会，译．北京：机械工程出版社，１９８４：１６４—１７２．

（责任编辑：张瑞清）　万方数据