基于CFD方法的轿车车身外围流场分析

采用三维非耦合隐式方程求解器Ｆｌｕｅｎｔ６．１．２２， 标准Ｉ｜｝一８湍流模型，定常流动，Ｔｇｒｉｄ自适应网格划分 法，采用六面体和四面体网格划分Ｈ】。可以手动设置 近车体表面细分网格，扩散等比例１．１，最小网格尺寸 为４０ ｍｍ，如图１所示。
图１分析区域内非结构化网络划分
３．２ ＣＦＤ分析具体参数设置 计算时参数选择：空气密度１．２２５ ｋｓ／ｍ３，空气动力
表１不同车速下模型气动阻力计算结果
模拟车速压差阻力粘性阻力气动升力正向投影面风阻系数
（ｍ／ｓ）
（Ｎ）
（Ｎ）
（Ｎ）（ｍ２）Ｃｄ
竺 ！！丝：兰！ｊ笪：丝 ！丝：墅 ！：丝 Ｑ：箜！
气动阻力系数ｃＤ是汽车空气动力学研究的主要 指标系数，由车辆的外形决定。根据公式：
耻嘉
其中，Ｐ为空气密度；移为车速；Ａ为车辆迎风面投影面
车辆气动性能的模拟属于求解湍流流动问题， Ｎａｖｉｅｒ．Ｓｔｏｋｅｓ方程是求解车辆流场模拟的控制方程， 它的微分形式是：
Ⅱ，Ⅶ¨讹，枷叱＋告一ｙ（ｕ。仙＂栅。）。０ １
”Ⅱ叱一，Ⅷ％＋告刊％＋％＋％）－０｝
叫。＋峨＋伽，－ｔ－ＷＷｚ＋石Ｐｚ一７（幻。＋埘∥＋ｔｔ，。）＝ｏＪ
（１）
其中，Ｈ、矽、埘是三维方向的速度分量；下标ｔ、名、Ｙ、ｚ代 表的是对ｔ、菇、ｙ、彳的变量导数。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｌｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ａｉｒｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｕｓｉｎｇ ＣＦＤ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ
ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃａｒ ｓｔｙｌｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｉｒｆｌｏｗ ｓｐｅｅｄ ｉＳ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ｕｓｉｎｇ ＦＬＵＥＮＴ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ａｉｒｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｗｅ ｃａｌｌ ｏｂｔａｉｎ ｓｏｍｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒ ｓｕｃｈ ａｓ Ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ａｎｄ ｄｉｓ－ ｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｉｓｅｂａｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｏｕｌｄ ｏｆｆｅｒ ｇｏｍｅ ｇｕｉｄｅ ｌｉｎｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｒ ｓｔｙｌｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＣＦＤ；ｃａｒ ｓｔｙｌｉｎｇ；ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｉｒｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ；ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
５０ ｍ／ｓ。
车身发动机盖、车顶方向以及车尾、后备箱等非迎 风面处于０一一３４２ Ｐａ的负压区内。由于湍流分布的 作用，车身顶端侧面、顶面以及尾端分别出现四个负压 集中区域，负压最大值超过了１０００ Ｐａ，但是其分布区 域很窄，存在于回转面的背风侧，如图３所示。负压集 中区域表面的空气流速最高值也达到５３ ｍ／ｓ，湍流作 用十分明显。
ＦＬＵＥＮＴ软件求解的步骤如下： （１）确定几何形状，生成计算网格（用网格划分工 具ＧＡＭＢＩＴ，也可以读入其他指定程序生成的网格）； （２）输入并检查网格，选择求解器（２Ｄ或３Ｄ等）； （３）选择求解的方程：层流或湍流（或无粘流）， 化学组分或化学反应，传热模型等； （４）确定流体的材料物性，确定边界类型及其边 界条件； （５）流场初始化； （６）求解计算［３］。
简称ＣＦＤ）是通过计算机数值计算和图像显示，对包
含有流体流动等相关物理现象的系统所作的分析， ＣＦＤ的基本思想可以归结为：把原来在时闻域以及空 间域的连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上 的变量值的集合来代替，然后建立各变量之间关系的 代数方程组——控制方程，求解之后获得场变量的近 似值…。 １．２控制方程
（４）计算ｙ轴弹簧刚度墨。最大弹簧力矩等于天线 对ｙ轴产生的最大重力转矩范围的中间值１４００ Ｎ·ｍ；
Ｋｙ＝１４００·１０００／（ＯＢ·ＯＡ）＝６．３６（Ｎ／ｍｍ）
（５）ｘ轴弹簧设计。由于弹簧平衡器承受载荷较
大，且安装空间受限制，所以设计时采用组合弹簧。组
４ｌ
等于２１００ Ｎ·ｍ。当ｙ轴转角为００时，ｘ轴所受最大力 矩等于最大重力矩与最大弹簧力矩的差值１４００ Ｎ·ｍ； 当ｌ，轴转角为９００时，Ｘ轴所受最大力矩等于最大弹 簧力矩与最大重力矩的差值一１４００ Ｎ·ｍ（负号代表 与重力矩相反方向）；
Ｋｘ＝２１００·１０００／（ＯＢ·ＯＡ）＝９．５４（Ｎ／ｍｍ）
０引 言
汽车车身外观形态直接影响着车辆的空气动力性 能，在兼顾美学原则和功能特性的同时，车辆气动性能最 为设计师所关注。通常汽车空气动力学研究以风洞试验 为主，虽然可以得到比较准确的风阻预测，但是其费用高 昂并且周期较长，试验手段十分复杂。随着计算机流体 动力学（ＣＦＤ）理论的发展和计算机性能的提高，运用车 身外围流场仿真分析的方法指导汽车车身设计已经得到 广泛应用，成为汽车空气动力学研究的重要方向。
ｐ 一吩 一毗 ，
＝０
＠）
其中，ｆ＿１、２、３表示坐标轴的三个方向；茗。是坐标的三 个分量‘２１。
ＣＦＤ方法是对汽车周围三维湍流流场的控制方 程用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点上求 其离散的数值解的一种方法。求解方程的数值方法主 要分为有限差分法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｍｅｔｈｏｄ ＦＤＭ）、有 限元法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ ＦＥＭ）及有限体积法 （Ｆｉｎｉｔｅ Ｖｏｌｕｍｅ Ｍｅｔｈｏｄ ＦＶＭ），这些方法之间的主要区 别在于对控制方程的离散方式。
·收稿日期：２００８—１０—１３
万方数据
电子机械工程
第２５卷
要完全求解Ｎ—Ｓ方程，由于计算机技术的限制， 目前还不容易实现，工程上通常广泛采用的是雷诺时 均方程，这种方法侧重于湍流引起的平均流场变化时 整体的效果。
¨ 一阮 ● 一吣 一地 々 ＝一吼∞
＋ ，Ｌ一 ｑ一 — ｙ 甲
一∞一ｐ
一地 ＋ ｌ～ｐ
粘度１．７８９４ｅ－０５ ｋｓ／（ｍ·ｓ），初始计算温度３００ ｋ，初 始大气压１０１３２５ ｐａ，为保证求解精度和收敛稳定性，湍流 方程采用二阶迎风离散格式，使用ＳＩＭＰＬＥ算法来进行数 值模拟，湍流动能和湍流消散率松弛因子均设置１。
。计算域内车头近端为进风口，进风口空气流速为 ３０ ｍ／ｓ（对应雷诺数为８．３６×１０５）；车尾端为出风口， 边界条件设为压力出口表压为０；计算域内侧为对称 边界，其他各面均设为壁面边界Ｈ Ｊ。 ３．３计算结果
文中应用了ＣＦＤ方法对经简化的ＣＡＤ试验模型 进行定量分析与计算，得到车身表面的压差阻力、摩擦 阻力、升力、表面静压分布等车辆气动性能的相关信 息，并用矢量轨迹图的方式描述了空气在车辆表面的 运动情况。
１ ＣＦＤ方法概述
１．１基本原理 计算流体动力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，
３ 轿车气动性能的ＣＦＤ数值模拟
３．１计算模型的建立与网格划分 文中所使用模型经过了简化，在不改变流体轨迹
整体走向的情况下，去除后视镜等突起部分，保证模型 整体平顺性。分析用试验模型基本尺寸：长４１００ ｍｍ， 宽（对称取半）８５０ ｍｍ，高１０００ ｍｍ。
首先将ＣＡＤ模型导入前处理软件Ｇａｍｂｉｔ，并建立风 洞数值模拟试验域空间。尺寸为１５０００ ｒａｉｎ×５０００ ＩＩＲｎ ×５０００ ｎＬｒｆｌ，（约３倍车长、５倍车宽、５倍车高），其中一面 定义为对称面，除了进气口和出口，其余均定义为墙面。
Ｒ 出 箍
矢量（ｍ）
图２ ３０ ｒａ／ｓ车速下车身表面静压变化曲线 通过上述定量以及定性分析，在车身造型设计过 程中应注意以下几点： １．尽可能减少车辆正向迎风面面积，即减少正压 区域； ２．避免车身各回转面的走向产生较大的突变而
产生风阻集中，使纵向车身表面光顺； ３．车身下端贴近地面以减少气动升力作用，增加
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃａｒ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ａｉｒｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＦＤ Ｍｅｔｈｏｄ
（洲ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＱＵ Ｚｈｅｎ，ＸＵＥ Ｃｈｅｎｇ·ｑｉ，ＨＡＮ Ｆｅｉ—ｔｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｗｅｒｓ丑ｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１８９，Ｃｈｉｎａ）
图２定量描述了３０ ｍ／ｓ的车速下纵向车身模型 表面的静压分布情况，可以发现在车头顶端和距顶端 １．２ ｍ以及距尾端０．５ ｍ的区域内产生了三个高压区 （图３中的红色区域），表压强最小为１５５ Ｐａ，车身正 向迎风面基本处在范围在７２．４ Ｐａ一６５２ Ｐａ的正压区， 特别在两个面的交接处平面的连续性产生突变的区域 内，出现了明显的高压，其峰值为６６９ Ｐａ。同时高压区 域表面的气流速度也远超过平均来流速度，达到
目前数值模拟主要的问题则是计算精度问题。网 格的形状与结构、采用的湍流模型和计算方法都对精 度有影响。
来自百度文库
２ ＣＦＤ方法分析步骤
文中以ＣＦＤ商用软件包ＦＬＵＥＮＴ为例，对ＣＦＤ分 析过程做简要介绍：
首先利用前处理软件ＧＡＭＢＩＴ进行流动区域几 何形状的构建、边界类型以及网格的生成，并输出用于 ＦＬＵＥＮＴ求解器计算的格式，然后利用ＦＬＵＥＮＴ求解 器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果后处理。
车辆稳定性； ４．车身各表面的交接处应过渡平缓，避免出现凹
陷或较大突起；
图３ ３０ ｍ／ｓ车速下车身对称面等压线分布
图４车身外围气流速度矢量 ５．在保证驾驶员视野的前提下减小挡风玻璃倾 斜角度，分散正面压力。
４ 结论
在相同的流场环境和边界条件下，应用ＣＦＤ方法 得到压差阻力、升力等计算结果，可以在不进行样车生 产的前提下。用数值模拟的方法模拟风洞环境，获得车 辆外围流场的车辆三维流场速度、压力分布、风阻系数 等信息，并能得到一些试验手段难以得到的过程数据 的和湍流运动的细节。
这种方法克服了传统汽车空气动力学中的很多局 限性，对气流运动得到更深刻更细致的认识。相较试 验手段而言，它更具有成本低，周期较短，不受外部条 件限制等优点。在产品开发中应用ＣＦＤ方法进行预 先研究和分析，用所得数据指导设计，已经成为车身设 计和造型改进的重要手段。 参考文献： ［１］ 王福军．计算流体动力学分析一ＣＦＤ软件原理与应用
万方数据
第１期
曲震。等：基于ＣＦＤ方法的轿车车身外围流场分析
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积，Ｄ为迎风面气动阻力。 在３０ ｍ／ｓ、４０ ｍ／ｓ、５０ ｍ／ｓ流速条件下，求解得到
风阻系数Ｃｄ值分别为０．５５８、０．５５４、０．５５１（见表１）。 ３．４车身表面阻力分布及其定量分析
根据车身表面各区域内压力变化的情况进行车身 设计的改进和方案评价，车身设计师与空气动力工程 师之间需要有良好的沟通与合作，对车身表面等压线 分布情况以及表面气流的特性也应有充分的认识，并 以此指导车身造型。
２００９年第２５卷第１期
电子机械工程
２００９．Ｖ０１．２５ Ｎｏ．１
Ｅｌｅｃｔｒａ—Ｍ∞ｈａｎｉｃｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
３３
基于ＣＦＤ方法的轿车车身外围流场分析’
曲震。薛澄岐，韩飞听 （东南大学机械工程学院，江苏南京２１１１８９）
摘要：用ＣＦＤ方法进行车辆外围流畅的数值模拟已经在汽车车身设计中得到广泛应用。文中使用 ＣＦＤ软件ＦＬＵＥＮＴ对三种不同车速下的轿车简化模型进行外流场数值模拟，根据计算结果对风阻系 数、车身等压线分布等气动性能相关信息分别进行定量分析，以此为车身造型设计提供参考依据。 关键词：ＣＦＤ方法；车身造型；流场分析；风阻系数 中图分类号：Ｕ２７０．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—５３００（２００９）０１—００３３—０３
［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４：１—２９ ［２］傅立敏．汽车空气动力学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，
２００６：２２—３４
［３］韩占忠，王敬，兰小平．ＦＬＵＥＮＴ流体工程仿真计算实 例与应用［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，２００４ （下转第４ｌ页）
万方数据
第１期
何翠瑜：Ｘ－Ｙ型天线座弹簧平衡器设计