基于CFD的某汽车外流场数值模拟与分析_雷荣华

源。 1 ． 3 边界条件的指定 取车头方向所指的计算域端面为 velocity －inlet， 气流速 度 为 车 速； 车 尾 方 向 所 指 的 计 算 域 端 面 为 pressure－out， 压强为 0 Pa； 车身表面和对称面为 wall （ no slip） ； 顶面， 侧面和地面为 wall （ slip ） ； 此处采取 了移动地面的方法。
车身声压计算得到， 值的大小表明了单位时间向外辐 ［4 ］ 射声能的能力 。 从图中可看出， 前脸、 后视镜和 A 柱的声功率分布比较集中， 辐射噪声的能力比较强。 从前面对于压强云图的分析得知 ， 汽车压强最大部位 为前脸和后视镜处， 因此， 在压强梯度高、 声功率值大 产生的气动噪声的能力也较强。 的地方，
Numerical Simulation and Analysis of a Vehicle External Flow Field Based on CFD LEI Ｒong－hua
（ College of Electrical and Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074 ，China） Abstract ： A research on numerical simulation of external flow field of a self－owned brand vehicle was conducted by the use of fluid mechanics analysis software STAＲ－CCM+ ，and reasonable results were got by the comparison of trial data and simulated data，the pressure distribution chart and acoustic power chart were calculated as well． Some suggestions were put forward in order to reduce the drag coefficient，improve the performance of the car and comfort of the driver． Ｒesults can provide some references in shape design． Key words： STAＲ－CCM+ ； numerical simulation； shape optimization
声的研究成为汽车工业研究一个热点 。
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网格划分与前处理
流体运动要受物理定律的支配， 满足以下三个流 体动力学基本控制方程： （ 1 ） 连续性方程：
→ ρ + ρ !v = 0 t （ 2 ） 动量守恒方程： → → 1 1 v 1 =f － u' + u !( ! · v ) + u !( ! ·v) t ρ ρ 3 →
图4
车身表面声压云图
3
结
论
（ 1 ） 汽车前后的压差阻力主要源于汽车周围的 压强分布， 且车速越大， 发动机克服的总阻力中气动 阻力所占比例也越大。通过优化车身外形， 减少汽车 头部的压力或者升高汽车尾部的压力 ， 都可以有效降
图2 风阻系数 C d 试验值与模拟值
2． 1
压强云图分析 图 3 为汽车对称面压强分布云图。
1． 2 物理模型的指定 k － epsilon 与 Ｒeynold － 采用定 长， 分 离 求 解 器， Averaged Turbulence 湍动模型，proundman 宽带噪声
研究与分析 压 强 变 大， 因此形成了第一块正压区 流速 降 低， ［3 ］ 域 。汽车后视镜也形成局部小范围正压区域 ， 因 为后视镜是汽车突起物， 在气流方向上的投影面积 大， 迎风面大。汽车尾部存在大片负压区， 车体前后 压差形成汽车行驶阻力。 例如可增大后视镜的侧面 倒角减低局部的压强， 从而减低汽车前部压强。 2． 2 表面声功率分析 图 4 为车身表面声功率云图。 车身声功率可由
2012． 学，
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模拟结果分析
汽车阻力系数 C d 的定义： C d = F / （ 2 ρV2 A）
式中： F 为空气阻力； ρ 为空气密度； V 为汽车速度； A 45 为车身前方投 影 面 积。 分 别 设 速 度 为 30 km / h、 60 km / h、 75 km / h， 100 km / h 进行模拟计算。 km / h、 经模拟结果与试验结果对比发现误差均在 5% 以内， Cd = 符合 精 度 要 求。 如， 当 速 度 为 100 km / h 时， 0． 337 ， 与试验 C d = 0． 334 相比， 相差 1． 02% 。各个速 度工况下试验值与模拟值的对比情况如图 2 所示。
图3
汽车对称面压强云图
［ 3］ 汪怡平． 汽车风窗噪声与风振噪声的机理及控制方法研究［D］ ． 2011． 长沙： 湖南大学， ［ 4］ 王 振． 汽车外场气动噪声仿真与计算［D］． 株洲： 湖南工业大
由图 3 可知汽车前脸与后视镜向风部压强最大 ， 来流空气与汽车前脸相遇， 而使气流受到阻滞， 气流
［2 ］ 近 80% 。当前， 各大汽车厂商的研发部门对由传 动系、 发动机等的振动引起的噪声的传播机制研究得 ［1 ］ 比较透彻， 故振动噪声得到很好地控制 。 但由气 流而引起的气动噪声的控制还不够完善 ， 使得气动噪
→ ( ρT) + div ( ρ v t) = div κ gradT + ST t cp
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（ 3 ） 能量方程：
图1
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计算域加密网格模型
收稿日期： 2015－07－01 基金项目： 重庆交通大学博士启动基金（ 编号： 100982 ） 作者简介： 雷荣华（ 1990－ ） ， 男， 湖南郴州人， 硕士研究生， 研究方向： 汽车空气动力学， 振动和噪声控制。
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·机械研究与应用· 2015 年第 4 期 （ 第 28 卷， 总第 138 期）
拟数据的对比， 得到了比较合理的结果 。并计算出了压力分布图和声功率图 ， 根据模拟结果提出了一些有利于减小 汽车阻力系数， 提升汽车性能与乘员舒适性的建议 ， 为汽车外形设计方提供了参考 。 关键词： STAＲ－CCM+ ； 数值模拟； 外形优化 中图分类号： TH122 文献标志码： A 文章编号： 1007－4414 （ 2015 ） 04－0024－02
Hale Waihona Puke Baidu
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《 道路交通安全法》 规定高速公路最高时速 120 km / h， 远低于声速的 1 /3 （ 408 km / h） ， 因此在对汽车外 流场模拟时可以把周围气体当做不可压缩流体。 1 ． 1 网格划分 原轿车在 CATIA 中建立了与实车1 ∶ 1 比例的 stl 格式几何模型， 忽略了雨刮器， 门把手等， 并对底盘进 再导入 STAＲ－CCM+ 中进行网格划分。 设置 行平整， 计算域长度为 10 倍车长， 宽度为 9 倍车宽， 高度为 5 15． 3 m， 8． 5 m。 为了获 倍车高， 长宽高分别为 42 m， 得汽车细小部位 （ 如后视镜 ） 的湍流形态， 以车体为 中心， 选择切割体网格， 由外到内逐步加密。 为了节 省 CPU 的运算时间， 选取左侧半个计算域进行网格 划分。最终生成的半车计算域网格数量为 214 万， 如 图 1 （ a） 与（ b） 所示。
低压差阻力， 提高汽车性能。 （ 2 ） 车身前脸、 A 柱这些直接与高速气 后视镜、 流相遇的部件， 由于其边缘较小， 是噪声的产生直接 原因。调整前风窗玻璃处的倾角与后视镜的圆角大 小， 控制气流分离， 因而降低噪声。 参考文献：
［ 1］ 傅立敏． 汽车空气动力学［M］． 北京： 机械工业出版社， 2006． ［ 2］ 张式杰． 汽车噪声分析与降噪措施及噪声测量方法［J］ ． 汽车实 2011 （ 2 ） ： 55－60． 用技术，
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引
言
近几十年以来， 我国汽车工业飞速发展， 汽车诸 多性能得到了很大的提高， 例如行驶稳定性以及乘员 舒适性， 同时又随着我国高速公路网的完善与道路质 量的提升， 使得汽车行驶速度有了提升的前提 。但速 度提升的同时， 汽车的行驶阻力也越来越大。当汽车 的行驶速度超过 100 km / h 时， 气动阻力占总阻力的
研究与分析
2015 年第 4 期 （ 第 28 卷， 总第 138 期）
·机械研究与应用·
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基于 CFD 的某汽车外流场数值模拟与分析
雷荣华
（ 重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 400074 ）
摘
要： 运用流体力学 STAＲ－CCM+ 分析软件， 对某自主品牌车型外流场进行了阻力系数的数值模拟 ， 通过试验和模