汽车车身外流场计算模型及仿真

汽车车身外流场计算模型及仿真

文章利用计算流体力学方法，基于Fluent软件平台分析研究汽车的空气动力性能。通过对作为边界的车身外表面以及流场的网格划分，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，从而了解汽车周围流速、压力等的分布情况，进而确定汽车的气动特性与參数。

标签：计算流体力学；Fluent；外流场；网格划分；数值模拟

引言

汽车在行驶的过程中不可避免的要与周边空气发生相互作用，随着车速的增加，这种相互作用会愈加的剧烈。空气对在行驶中的汽车施加力和力矩，从而影响汽车的行驶。所以，在汽车开发过程中，研究并优化汽车的空气动力性能非常重要。另外，汽车的空气动力学性能不仅影响着汽车的燃油经济性，同时也对汽车的动力性、稳定性和操作性等方面有着巨大的影响，所以现代汽车设计越来越关注汽车的空气动力性能研究。

随着计算机技术的迅猛发展，对汽车结构分析的技术已基本成熟，且对更为复杂的流动问题的模拟计算也在不断的发展，其中计算流体力学（Computational Fluid Dynamics 简称CFD）受到了越来越多的关注。计算流体力学已从定性的分析发展到定量的计算，其应用也从最初的航空领域不断的扩展到包括汽车在内的多个领域[1-3]。新车型的开发过程中，空气动力性能分析是必不可少的。利用数值模拟的方法对汽车行驶中的外流场进行分析能够用来预测或解决一些理论及实验都无法处理的复杂流动问题，并能取代部分实验环节。但要求对问题的物理特性有足够的了解，才能建立合适的数学方程及相应的初始、边界条件等，这些都离不开实验和理论方法的支持。目前，数值方法主要是应用欧拉方程和纳维-斯托克斯方程。在汽车设计的研究分析领域，数值方法与传统的研究方法相结合，能够有效地改善汽车性能、节约研究资金、提高研究效率。汽车车身外流场计算模型及仿真是计算流体力学在汽车外流场分析方面的应用研究之一[4-8]。本文通过建立汽车车身外流场的计算模型，利用计算流体力学方法和适当的矩阵代数算法，基于Fluent仿真平台，分析研究汽车车身的空气动力性能。

1 汽车车身绕流的数学模型

流场运动中，流场运动基本方程是根据基本物理定律质量守恒、动量守恒、能量守恒定律按一定的流体流动模型推导的。对于空气来说，当风速小于三分之一声速时，也就是风速小于408km/h，可以认为是不可压缩气体。而对汽车来说，最高速度一般都小于400km/h，因此汽车空气动力学研究可以把周围的气体考虑成不可压缩的。轿车绕流问题一般为定常、等温、不可压缩的三维流场，由于复杂外形会引起气流的分离，由于计算机技术的限制，目前还不能实现，现在工程中应用最广泛的方程是雷诺时均N-S方程，为使方程封闭这里采用可实行的K-？着模型。

汽车外流场的控制方程如下：

式中，u0为流体动力粘性系数；ut为涡粘性系数；i，j=1，2，3；X1=x；X2=y；X3=z；u1=U；u2=V；u3=W；G主要取决于流场的涡流特性，是流场空间位置的函数。

2 汽车模型K-？着参数确定

由数模可以得到车长L=3.916m；车速定为v=20m/s；雷诺数Re= =5.21×106（其中空气在20℃时的密度？籽=1.205kg/m3，动力粘性系数？滋=1.81×10-5kg/ms）。根据雷诺准则，这是一个雷诺数问题，适用于K-？着模型。

3 Fluent求解

在Fluent中选择合适求解小车外流场的求解器。选择基于压力的求解器，这适合于不可压缩的流动。同时选择隐式求解器，网格单元内的未知量用临近单元的已知量和未知量来计算。因此，每个未知量会不只在一个方程中出现，这些方程必须同时求解才能解出未知量。另外，通过设置，确定选择的是三维稳态的计算模型，速度场是绝对的，并且按压力梯度计算。

然后设置求解控制参数，进一步确定使用SIMPLE型求解器，在求解过程中联立流动方程和湍流方程，求解方法采用“求解压力耦合方程组的半隐式求法”。为了提高计算结果的可靠性，我们选择二阶离散精度。事实上，为了使结果尽快收敛，前半部分使用一阶离散精度，迭代330次后，使用二节离散精度，继续求解。对于欠松弛因子，选用默认值即可。

设置收敛判据，选中Check Convergence复选框，表示当每个变量的值到达Convergence Criterion文本框中的规定的值时，求解器就认为计算已经收敛。

图1 Fluent的求解的收敛过程

图1中，在迭代到330次时，改为二阶迎风离散精度，继续求解。最终在445次迭代时收敛。

4 汽车风阻系数和升力系数

该辆小轿车在20m/s的速度下行驶，受到的空气阻力由Fluent计算得到Fп=170.28N，其迎风面积S=2.25m2，根据求解空气阻力系数的公式：

同样，由Fluent计算得到，该辆小轿车在20m/s的速度下行驶，受到的空气升力为FT=14.95N。根据如下求解空气阻力系数的公式：

5 车外流场的后处理及分析

对Fluent求解器得到的数据，只是对应于每个网格的相关物理量的数值大小和方向等信息。为了整体的把握小轿车外流场的特点和直观地呈现出计算结果，需要对其进行后处理，转化为图像来描述结果。

由图2可知，在汽车头部，气流受到垂直方向的阻滞，速度降为零，气流压力升高。在发动机罩和挡风玻璃之间存在一个比较大的正压区；同时，在挡风玻璃与汽车顶盖以及汽车顶盖与后窗之间存在一个绝对值比较大的负压区；而汽车底盘下面为一个变化缓慢的负压区域。前轮外侧边缘有一绝对值很大的负压区，不过面积不大。

Fluent在车顶盖的最大流速为26.4m/s，求得的速度最小值都在车头和车尾，约为0。接近流场速度的数值模拟求得的极值。由于汽车底部的气流离开尾部后，就迅速上扬和来自汽车后挡风玻璃的气流相互冲撞，导致汽车尾部形成漩涡，产生能量耗散。

6 结束语

本文利用计算流体力学方法，使用Fluent软件平台分析研究了汽车的空气动力性能，包括汽车周围流速、压力等的分布情况，从而确定了汽车的气动特性与参数。仿真分析结果表明该方法在分析研究汽车空气动力特性，辅助和优化汽车车身设计方面的有效性。

参考文献

[1]张奇，赵又群，杨国权.基于CFD的汽车外流场数值模拟的发展概述[D].南京：南京航空航天大学能源与动力学院，2005.

[2]师奇威，贾代勇，贾建伟.CFD简介及其应用研究[J].北京：解放军理工大学，2007.

[3]沈俊，傅立敏，黎妹红，王靖宇.CFD软件及其在汽车领域的应用[D].吉林：吉林工业大学，2000.

[4]黄向东.汽车空气动力学与车身造型[M].北京：人民交通出版社，2000.

[5]宁燕，辛.汽车外流场的数值模拟[J].北京：中国农业大学，2004.

[6]吕明忠，高敦岳，傅立敏.计算机数值仿真在汽车外流场分析方面的应用研究[N].北京：人民交通出版社，2002.

[7]贾海庆，王成玲.汽车流场数值模拟[J].北京：国家计算流体力学实验室，2007.