某轿车气动特性的CFD分析及优化

响 ， 差阻力 约 占汽车 总气 动 阻力 的 ５ ～６ ． 压 Ｏ／ ９ ６ ５
从 图 ４对称 面压力 云 图可 以看 出 ， 车头 缘角 、 挡风玻 璃 以及行 李 箱盖 后缘 等 压线 比较密 集 ， 味着 较 意
大 的压强梯 度 ， 而正压 区压强 梯度大 意 味着 该 区域平均 压强大 和流 动能量损 失大 ； 而在负 压 区压 强梯 度大 则 意 味着该 区域平 均压 强低 和流动 能量损 失大 ， 两者相 互作用 的结果 就是气 动阻 力大．
文 章 编 号 ：０ ０ ５ １ （ ０ ２ ０ ０ ６０ １ ０ — ８ １ ２ １ ） ２０ ５ — ６
某轿 车气 动特 性 的 Ｃ Ｄ分 析及 优 化 Ｆ
张 怀 华 ， 江 磊 ， 建 成 容 郭
（． 南 长 丰 汽 车 沙发 有 限责 任 公 司 ， 南 永 州 １湖 湖 ４ ５ ０ ； ． 汽 大 众 汽 车有 限公 司 ， ２１１ ２一 吉林 长 春 １０ １ ； ３ ０ １ ４０８） １０ ２ ３ 湖 南 大 学 汽 车 车 身 先 进 设 计 制 造 国 家重 点 实 验 室 ， 南 长 沙 ． 湖
中 图 法 分 类 号 ： ６ ． Ｕ４ １ １ 文献标 识码 ： Ａ
０ 引 言
随着现 代汽 车工业 和高速 公路 的发展 ， 全球 汽车每 年 的产 销量 和保有 量不断 增加 ， 汽车产 业 巨大 的能
源需求 ， 给石 油资 源带来 越来 越大 的压力． 而汽 车的燃 油 消耗 与其 空气 动力 学性 能 ， 别是 气 动阻 力 有很 特 大 的联系． 究 表 明， 研 当车速 达到 ８ ｍ／ ０ｋ ｈ时 ， 气动 阻力 与滚 动 阻力 几 乎 相等 ； 当车速 为 １０ｋ ｈ时 ， ５ ｍ／ 气
第 ３ Ｏ卷
第 ２ 期
陕 西科 技 大 学 学报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｈ ａ ｘ ｉ ｅ ｓｔ ｆＳ ｉｎ ｅ ＆ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｒ ａ ｆＳ ａ ｎ ｉ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｃｅ ｃ ｙ ｃ ｎ ｌｇ
Ｖ ０ Ｏ ＮＯ． Ｌ３ ２
Ａｐｒ ０１ ．２ ２
２１ ０ ２年 ４月
动阻 力相 当于滚 动阻力 的 ２ ～３倍口 ． ］ 因此 ， 研究 汽车 的动气 动力 学 特性 ， 通 过改 进其 气 动性 能 ， 别是 并 特 对气 动 阻力 的优 化 ， 于提 高汽 车的燃 油经济性 有 十分重要 的意 义． 对 传统 的汽 车空气 动力学研 究方 法主要 有理 论分析 、 试验 研究 和数值模 拟［ ． ２ 汽车空气 动力 学 的数值模 ］
Ｏｕｔｅ ｌｔ Ｇ ｒ ｎｄ ｏｕ Ｔｏｐ ａ ｉ ｌｓ ｎｄ ｓｄｅ ｗａ ｌ Ｐｒ ｓ ｕｒ ｕｔｅｔ 一 １ ３ ｅ ｓ ｅｏ ｌ ， ０１ ２５ Ｐａ
流 处理 ． 仿真 中常用 的 湍流模 型 有 Ｒ ｙ ｏｄ ｔｅｓ ｅ ｎ ｌｓＳｒｓ 模
Ｍ ｏ ｉｇｗａ１ － ４ ｓ ｖｎ ｌ．Ｖ－ ０ ｍ／
摘 要 ： 以一轿 车模 型 为研 究对 象 ， 采用 Ｃ Ｄ仿 真的方 法 ， Ｆ 对其 车 身表 面压 力分布 和车 身周 围
气 流 状 况进 行 了 深 入 地 分 析 和 研 究 ， 明 了轿 车 气 动 阻力 产 生 的原 因． 了 实现 对 气 动 阻 力 的 阐 为
优 化 ， 合 全 局 优 化 方 法 和 局 部 优 化 方 法 的 优 点 ， 迭 代 的 思 想 引 入 局 部 优 化 方 法 中 ， 过 迭 结 将 通
拟方 法一 般称 为计算 流体力 学 （ Ｆ ） 具 有耗 时短 、 Ｃ Ｄ ， 操作 简便 、 结果 不受实 验条件 影 响等 优势 ， 在汽 车空 气 动力 学性 能 的研究 中应 用 最 为广 泛 ． 国外 对 Ｃ Ｄ方 法 的 研究 和运 用 已经达 到 较 高 的水平 ， 内虽 然 对 Ｆ 国 Ｃ Ｄ方 法 的研究起 步较 晚 ， Ｆ 但也 获得 了很 大 的 进步 和成 果 ． 目前 ， 内运用 Ｃ Ｄ方 法 对 汽车 主 要 空气 动 国 Ｆ 力 学指标 的仿 真 ， 风洞试 验验 证 已经 能达 到较高 的精度 ． 经 本文 即是基 于 Ｃ Ｄ方法 ， Ｆ 对某轿 车 的空 气动 力
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图 １ 某轿 车 简 化 模 型
图 ２ 计 算域 示意 图
为 准确模 拟实 际 风洞 的气流 状况 ， 建立 外轮 廓 为长方 体 的计 算 域． 根据 汽 车 外流 场 的特 点 ， 结合 以往
对轿 车 的仿 真计 算 是在 大 型商用 软 件 Ｆ ＵＥ Ｌ ＮＴ 中进 行 的． 车速 为 ４ ｓ ， 在 Ｏｍ／ 时 通过 仿真 计 算得 到 的气 动 阻力 系数 ｃ 为 ０ ３ ８ 封 闭进 气 格 栅 时 Ｃ ．３ ， 为 ０ ２ ６ 而 封 闭格 栅 的 模 型 风 洞试 验 测 得 的 ｃ ．８ ， 为
部优 化方 法具有 “ 全局 单调下 降” 点 ， 证整个 优化 过程 中气动阻 力一直 降低 ， 而优 化 了某轿 车的气动 特 保 从
阻 力． １ ＣＦ 仿 真 分 析 方 法 Ｄ
＊
收稿 日期 ： ０ ２Ｏ — ２ ２ １ －１ １
基金项 目： 国家 自然科 学 基 金 项 目（ ０７ ０ ３ ； 南 省 科 技攻 关 计 划 重 点项 目（ｏ ９Ｔ１１ ） 教 育 部 长江 学 者 与 创 新 团 队 发 展 计 划 ５ ９ ５８ ） 湖 ２ ＯＪ ｏ ４ ； （ ３ １ ５５ ０ ７ ； 南 大 学 汽 车车 身 先 进 设 计 制造 国家 重 点 实验 室 自主课 题 （ １ ７０ １ ． ５ １ ００ ０ ３ ）湖 ６ ０５ ０ ） 作 者 简 介 ： 怀 华 （ ９ ４ ）男 ， 南 省永 卅『 人 ， 程 师 ， 究 方 向 ： 车整 车 性 能 优 化 张 １７一 ， 湖 市 工 研 汽
化 网格 ， 车身 表 面拉伸 出与 其平行 的 三棱柱 网格 作为 附 面层 ， 在 以消除 壁面 函数 的影 响． 为提 高计算 精度 ， 建立 包 围车身 的密 度核 ， 同时 为 了避 免 网格差 异对 仿真 结 果 的影 响 ， 在每 次仿 真 过 程 中 ， 持模 型 的相 同 保 部分 网格 尺寸不 变 ， 同时用 不 同数 目的 网格验 证 网格 的无关性 ｌ ． 车底 部 的网格模 型如 图 ３ 示． ＿ 轿 ４ ］ 所
０ ２ ０ 仿 真结果 和实 验误差 在 ３ 以内 ， 明 了仿 真 的可 靠性 ． ．８， 证
２ 原 车 气 动 特 性 分 析
２ １ 车 身表 面压 力分析 ． 汽 车车 身表 面压力分 布与 汽车外 形有着 非常 密切 的联 系 ， 的研 究对 汽 车气 动力 的产生 有 重要 的影 它
代 式的局 部 改型 ， 保证 了优 化过程 中气动 阻力是一 直降低 的． 结果表 明 ， 气动 阻力 系数 由０ ３ ８ ． ３
降 至 ０ ３ ７， 幅 ６ ２ ， 得 了很 好 的 效 果 ． ．１ 降 ．１ 取
关键 词 ： Ｆ 仿真 ； 车 ；空气 动力 学特性 ；气动 阻力 ； Ｃ Ｄ 轿 迭代 式局部 优化
图 ３ 底 部 网格 模 型
图 ４ 纵 对 称 面 压 力 分 布
１ ３ 湍 流 模 型 及 边 界 奈 件 ．
表 １ 边 界 条 件 参 数 设 置
汽 车 周 围 流 场 可 以 看 作 是 三 维 不 可 压 缩 粘 性 等 温
流 场． 由于其 外形 复杂容 易引 起气 流分离 ， 以应按 湍 所
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口 １
图 ５ 车身表 面压 力云 图
图 ６ 纵对称 面尾 涡示意 图
从 图 ５车身 表面压 力云 图可 以看 出 ， 车前 部 、 轿 后视 镜 和前 风窗 玻璃 等处 都 有一 定 的 正压 区域 ， 是 这 由于 这些 区域都 是直接 承受来 流 冲击 的， 它们是 构成整 车气动 阻力 的主要 因素． 果能够 进一 步改进 车头 如 造型 ， 减小 车头 正投影 面积 ， 减小 气动 阻力有一 定 的效 果． Ａ 柱 、 风玻 璃与 顶棚 的交 接处 等 ， 对 在 挡 由于气 体 的分离 ， 致使 这些 区域为 负压 区 ， 这些 区域 的气 流分 离会 造 成漩 涡生 成 、 旋转 、 落 ， 样 会 消耗 大 量 的 脱 这
第 ２期
张 怀 华 等 ： 轿 车 气 动 特性 的 Ｃ Ｄ分 析 及 优 化 某 Ｆ
・ ７ ５ ・
１１ Ｃ ． ＡＤ 模 型 建 立
某轿 车 Ｃ ＡＤ模 型 是在 ＵＧ 中建 立 的． 由于实 车模 型 比较 复杂 ， 给 网格绘 制和 仿真 计算 带来 很大 困 会
难， 而且耗 时长 、 效率 低 ， 因此 需要对 车 身模 型进行 简化 ， 略 一些 对 气动 力计 算 影 响很 小 的 细节 ， 门把 忽 如 手 ， 刮器 等 ， 雨 简化后 的模 型如 图 １所示 ．
能量 ， 大汽车 的气动 阻力 ． 增
２ ２ 车 身周 围 流 场 分 析 ．
汽 车 的流 场分 为外部 流场 和 内部 流场 ， 汽 车 空气 动 力 学特 性 的重要 方 面． 是 研究 汽 车周 围 的流场 情
况 ， 以更 好 的理解气 流 的运动 情况 ， 一步 找出优 化 的方 案． 可 进
将 散 热器 、 中冷 器 、 冷凝器 设置 为多 孑 介 质 ， 孔介 质参 数是 根 据各 部件 压 降 与迎 面 风速 的关 系 曲线 的方 Ｌ 多
法 确 定． 算域 边界 条件 设置 如表 １ 计 ． ・ Fra bibliotek５ ８・
陕 西科 技 大 学 学报
第３ 卷 ０
１ ４ Ｃ Ｄ 仿 真 结 果 ． Ｆ
计算 经验 ， 置计算 域 的大小 为 ： 口距 模 型 前端 ３倍 车长 ， 口距 模 型后 端 ６倍 车 长 ， 高度 为 ４倍 车 设 人 出 总 高， 总宽度 为 ７倍车 宽． 计算 域 如图 ２所示 ． ， 其
１ ２ 网 格 划 分 ．
运用 ＡＮＳ ＹＳ软件绘 制模 型 的四面 体 网格． 用 Ｄ ｌｕ ａ 采 ｅａ ｎ ｙ三角形 方法 在整 个计 算流 域 面生 成半 尺 寸
Ｓｔ ｔｏ ｒ ｌ ａ ｉｎａ ｙ ｗａ ｌ Ｓｔ ｔｏｎａ ｙ ｗａ ｌ ａｉ ｒ ｌ
型 、 准 ￡模 型 、 ＮＧ 是ｅ模 型 、 忌￡模 型． 标 Ｒ 一 Ｒ 一 研究 表
明 ， ＮＧ ｋｓ 型考 虑 涡流 因素影 响和低 雷诺数 效应 ， Ｒ － 模 可 有效模 拟汽 车尾 部 和底 部 复 杂 旋 涡流 动 结 构 ， 算 计
Ｏｔ ｅ ｌ ｈ ｒｗａｌ ｓ
湍流精 度 较高 ， 且计 算量小 ， ５种 模型 中较适 于 汽车外 部复 杂流 场数值 仿真 计算 的湍流 模 型 ． 是
为真 实模 拟发 动机舱 内部 空气 的流 动情 况 ， 汽车外 部 流场 与发动 机舱 内部 流场进行 耦合 仿真 ， 对 因此
学特性 进行 了仿 真 ， 主要 分析 了其车 身表 面压力 和车身 附近流 场．
传 统 的气 动优 化方 法主要 有全局 气动优 化方 法和局 部气 动优化方 法＿ ． ３ 两种方 法有其 各 自的优 势 ， ］ 在
汽车 的气动 优化 中起 到很大 的作用 ． 全局 优化方 法一般 用于 实车开 发 的初 期 ， 局部 优化方 法 经常 出现不 同 改型 方案互 相干 涉影 响 ， 使得 整体优 化效果 下 降的情况 ． 为此 ， 本文将 迭代 的思路 引入 局部优 化方 法 ， 使局