张克鹏_基于Virtual Wind Tunnel的某重型牵引车外气动性能分析

基于Virtual Wind Tunnel的某重型牵引车外气动性能分析Aerodynamic Performance Analysis of a Heavy TractorBased on Virtual Wind Tunnel张克鹏（陕西重型汽车有限公司陕西西安710200）摘要：车辆在高速行驶过程中，大部分的动力都要用来克服空气阻力，而空气阻力与整车的风阻系数成正比。

因此，降低整车风阻系数就成了整车设计过程中考虑的主要因素。

文章利用Altair公司有限元软件HyperWorks中的Virtual Wind Tunnel模块进行某重型车整车外流场分析，相比较传统CFD分析前处理工具，Virtual Wind Tunnel 采用为汽车外流场定制的流程化建模策略，能够避免很多其他因素干扰。

根据分析结果提出增加导流罩来优化整车外气动性能，结果表明：增加导流罩后整车风阻系数较原来有显著降低，该方法为某重型车气动性能优化设计提供理论依据。

关键词: Virtual Wind Tunnel 重型牵引车气动性能流程化优化Abstract:Most of the power is used to overcome air resistance when vehicles are in the process of high speed, and the drag force is proportional to the wind drag coefficient. Therefore, to reduce the drag coefficient of the vehicle is the main factor in the design process of the vehicle. The flow field is analyzed by using Virtual Wind Tunnel (VWT) in HyperWorks suite of Altair Company. Compared with the traditional tools for CFDpre-processing, Virtual Wind Tunnel provides a highly automated modeling strategy specifically designed for vehicle external aerodynamics analyses. The results indicate that the coefficient of drag decreased significantly when adding the fairing, and thus improve the external aerodynamic performance of the vehicle. Key words:Virtual Wind Tunnel，heavy tractor，aerodynamic performance，process，optimized1概述近年来，全世界的汽车制造商都依赖于耗时的风洞试验和计算流体动力学（CFD）仿真来研究汽车的空气动力学性能[1]。

今天，快速的计算机系统和尖端的数值方法允许人们在短时间内来研究复杂的流动结构。

在汽车的研发过程中，风洞试验仍然是一个不可或缺的过程，同时CFD风洞仿真也越来越受欢迎，它的运用大大的减小了实际所需的风洞试验次数[2]。

完成汽车风洞试验仿真不是一个简单的任务。

从模型的准备，到网格划分和CFD求解器设置，再到计算和后处理，这整个工作流程是复杂且耗时的。

汽车外流场仿真的特点是几何（如发动机舱）、边界条件（如旋转轮胎和滑移地面）和复杂流场结构都比较复杂，特别是汽车的尾迹区。

然而，流程定制化的环境，加上可靠的精确性，以及可扩展和稳健性的CFD求解器，将成为风洞仿真高效和主流方式。

文章利用Altair公司高度流程定制化的CFD工具Virtual Wind Tunnel对某重型车进行整车外流场CFD模拟，并通过增加车辆辅助装置对其外气动性能进行优化，优化后该车型整车风阻系数有明显降低，为整车降油耗提供设计方向。

2 Virtual Wind Tunnel工具简介Virtual Wind Tunnel的核心技术是Altair先进的计算流体动力学（CFD）求解器——AcuSolve。

它是一款通用的、基于有限元技术的CFD求解器，因而在求解速度、可扩展性、精确性和稳健性方面有着独特的优势。

AcuSolve采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）和分离涡（DES）技术来模拟湍流，预测流场和流动分离。

DES 技术采用RANS方法模拟近壁边界层流动，而采用大涡模拟（LES）模拟车辆尾迹的分离流动。

采用RANS方法进行稳态分析和DES方法进行瞬态模拟均可以得到精确的外流场计算结果。

由于AcuSolve在时间推进上采用了一套非常高效和稳健的数值方法，瞬态分析的耗时较少，通常都在可接受的范围内。

这使得分析人员有充分的时间来采用更贴合实际的、更精确的瞬态仿真，而不必由于考虑到时间成本而采用稳态仿真来求解车辆的流场。

Virtual Wind Tunnel用户界面友好直观，一体化的操作环境及高度自动化的仿真过程，使得用户不容易犯错进而影响仿真结果，整个界面如图1所示。

另外的一些参数控制通过AcuSolve专用的前处理AcuConsole在后台自动完成，同时AcuConsole也是一个集成在HyperWorks中的模块。

因此，Virtual Wind Tunnel高度自动定制化的特点大大降低了工程设计人员进行整车外流场分析门槛的同时，也缩短了整个分析的时间，大大提升了工程效率。

图1 Virtual Wind Tunnel定制化界面3 模型建立及边界条件3.1 虚拟风洞的建立计算模型为某重型牵引车，采用CATIA建立其三维模型。

为了便于考察模型细节处的流场情况及保证其计算的准确性，尽量保证计算模型与实际三维模型的一致性。

保留了驾驶室上对外流场影响较大的雨刮器、后视镜、遮阳罩、挡泥板、进气格栅等在内的所有复杂部件，驾驶室本体进行一系列处理形成封闭几何体，并采用1:1实际模型进行数值计算。

采用Altair公司HyperWorks仿真平台的通用前处理工具HyperMesh进行几何清理及面网格划分，最终形成三角形网格数为2157054，节点数为1078299，重型牵引车面网格模型如图2所示。

图3为Virtual Wind Tunnel中进行虚拟风洞的定义。

进行整车外流场分析时，其模拟风洞要减小其阻塞效应，研究表明，低于1%的风洞试验结果，阻塞干扰产生的误差才不需要修正。

根据这一理论，计算域上部留6倍车高，左右各5倍车宽，从车辆空气动力学研究经验来看，汽车风洞试验过程中，汽车尾部有一个比较大的湍流区域，这个区域的流动非常紊乱，数值计算过程中，这个区域如果模拟得不好对结果会产生重大的影响。

所以车辆尾部一般设定8倍车长的区域，保证汽车湍流区域充分发展；对于汽车前部，由于设定的风洞入口的风速比较稳定，为了充分模拟汽车前部的空气流动，汽车前部区域也要留出一定的空间，前部取4倍车长[3-6]。

图2重型牵引车面网格模型图3 Virtual Wind Tunnel中虚拟风洞定义考虑到重卡的整车相对轿车来说较长，同时为了减小风洞的阻塞效应，该重型牵引车前部取L S为2倍车长，尾部流场较复杂，所以车辆尾部取5倍车长，上部留6倍车高，左右各5倍车宽，根据整车的长L T（16m）、宽（2.5m）、高（4.2m），定义风洞的尺寸；车速定义为100km/h，大约28m/s。

汽车在行驶过程中，轮胎有一定的弹性变形，实际车轮和地面的接触是一个面；为了模拟车辆行驶真实情况以及加速计算收敛，将地面和轮胎相交的部分用平板封闭，细节部分如图4所示。

图4 地面与轮胎相交部门细节图3.2 边界条件的设定在进行重型牵引车外流场的数值模拟过程中，必须对车辆的关键部件进行边界条件的设定。

车辆散热模块的散热器、中冷器等按照多孔介质来处理，具体参数根据图5、图6所示该车型散热器和中冷器的压降试验数据获得。

图5 散热器压降试验特性曲线图6 中冷器压降试验特性曲线将该型车的底盘车轮及挂车车轮都定义为旋转车轮，根据之前定义的28m/s的车速及车轮的半径，可以计算出车轮的转速为493Rpm。

除了热交换器和发动机外，都定义了边界层，层数为3层，如图7所示。

图7 定义边界层数3.3 定义加密区域及计算设定汽车尾流区是一个非常大的湍流流动区域，该区域空气流动形成漩涡，流动速度变化范围大。

在汽车前后区域、汽车尾部区域、汽车底部接地区域及汽车周围对网格进行加密处理。

这样的网格可以保证更好地对汽车周围的气流流动进行模拟，得到更加精确的数值模拟结果，这里进行3层加密并定义加密单元尺寸为5mm，如图8所示。

在提交计算之前，首先进行各项设置：包括来流速度、计算类型、计算步数、是否为移动地面、车轮是否旋转、网格细密程度、边界层数等，如图9所示。

图8 定义网格加密区域图9 定义求解设置4 原型车CFD计算结果分析本文中分析对象原型车模型中驾驶室后围与车厢距离为1200mm，没有驾驶室导流罩等辅助装置。

通过Virtual Wind Tunnel工具求得该重型牵引车风阻系数C d值为0.673。

图10为该模型表面压力等值云图。

从图10可知，当车辆行驶过程中，前方气流首先遇到驾驶室前部，在车辆驾驶室前部气流滞止，在前面罩、保险杠及挡风玻璃的大部分区域形成较大的正压，迫使气流向顶部、侧面和车辆底部分流。

由驾驶室上部分流的气流流过驾驶室前顶边缘和A柱及后视镜附近时，产生小的气流分离区域，产生负压区域，且压力梯度较大。

气流流过驾驶室后，直接冲击到车厢前部高出驾驶室顶部的前表面，使部分气流滞止，形成一个正压区。

图11为原型车在中心对称面处的速度等值线云图。

从图中可以看出驾驶室后围与车厢的间隙处气流速度较低，驾驶室后部产生了一个大尺度漩涡，气流在此处能量损失较大；流过车辆底部的气流速度较低，压强较高，尾部压降较低，从车辆底部流出到达车辆尾部的气流，在这个压强差的作用下上卷，在尾部形成较强的上卷漩涡，形成较强负压，这一负压是车辆压差阻力的重要来源，漩涡随着离开车辆的距离增大而逐渐减弱。

5 整车外气动阻力特性的改进通过上面分析，文中利用比较成熟的3种导流装置，进行整车气动阻力特性的改进。

（1）在驾驶室顶部加装顶导流罩，定义为A型。

图10 原型车表面压力等值云图图11 原型车速度等值线云图（中心对称面处）（2）侧面加装侧导流板，定义为B型。