基于FLUENT的某微型面包车外流场数值仿真分析

基于FLUENT的某微型面包车外流场数值仿真分析
摘要：利用UG对某微型轿车进行三维实体建模，将其导入前处理软件ANSYS ICEM中，建立计算域后网格化。

用CFD 软件FLUENT对汽车模型的外流场进行三维稳态流动数值模拟，得出汽车周围流场的气流速度和压力分布，并通过计算得到了该车的阻力系数，该仿真分析的数据为进行汽车气动特性分析提供基础，可进一步指导汽车的设计开发。

关键字：汽车空气动力学；计算流体动力学；FLUENT；外流场
ABSTRACT：The 3D model of a mini car is carried out by UG, and then it is introduced into the
pre-processing software ANSYS ICEM to establish the computational domain grid. By using the software of CFD FLUENT is to the automobile model flow field numerical simulation of three-dimensional steady flow, flow velocity and pressure distribution of the flow field around the car, the car and the drag coefficient is obtained by calculating, the simulation data for automobile gas analysis provide the basic dynamic characteristics, design and development can further guide the car.
Keywords: Automobile aerodynamics；CFD；FLUENT；Outflow field
引言
空气动力学特性是汽车的重要特性之一。

汽车行驶时与空气产生复杂的相互作用，承受着强大的气动力，对汽车的行驶状态有着重大影响；汽车行驶时受到的空气阻力与汽车速度平方成正比，汽车克服空气阻力所消耗的功率和燃料与车速的三次方成正比。

因此，对汽车外流场空气动力学的研究，不仅可以提高汽车动力性和安全性，还可以提高汽车的燃料经济性。

目前，汽车空气动力学的研究主要有三种方法，即风洞实验、理论分析和计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析。

随着计算机技术的发展，计算流体动力学相对于实验和理论计算具有成本低、周期短等特点，因此受到越来越广泛的应用。

CFD方法对于预测和改进汽车的气动性能，指导汽车产品设计具有重要意义[1-2]。

故本文采用大型商业化CFD 软件的FLUENT对某微型汽车的外流场进行数值仿真分析。

1 汽车空气动力学特性与CFD 理论基础1.1 汽车空气动力学特性
在正常道路行驶过程中的汽车，通常受到两种力的作用，这两种力分别为路面与汽车之间的相互作用力和来自空气的力与力矩。

其中，前者主要由汽车自身的物理属性和轮胎的滚动阻力系数等决定；另一种则是来自空气作用的力和力矩，取决于汽车的外形设计、行驶速度以及横摆角[3-4]。

气流作用于汽车上分相互垂直的三个方向的力和绕三个轴的力矩，如图1 所示；在图示坐标系中，X 方向是汽车直线行驶方向，通常的气动阻力就是指来流沿X 方向的作用力；Y 轴方向为汽车的侧向力，还有沿Z 轴方向趋于抬起汽车的升力。

汽车在道路行驶过程中这三个方向的空气作用力同时存在，相互影响。

除上述三个方向的力外，还有绕三个轴方向的力矩，分别为绕X 轴方向的侧倾力矩、绕Y 轴方向的俯仰力矩以及绕Z 轴方向的横摆力矩。

图1 作用在汽车上的力和力矩
汽车的气动力、力矩和正面投影面积A、气流动压、轴距a 的关系见表1。

其中v 为汽车迎面来流和侧风合成流速，S 为沿Y 轴方向垂直与车身对称面的侧向气动阻力；L 为垂直于地面沿Z 轴方向的气动升力；D 为沿X 轴方向的气动阻力；PM、RM、YM 分别为绕Y 轴的纵倾力矩、绕X 轴的侧倾力矩以及绕Z 轴的横摆力矩。

1.2 CFD理论基础
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics , CFD ）是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。

计算流体力学在最近20年中得到飞速的发展，除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外，还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制，例如由于问题的复杂性，既无法作分析解，也因费用昂贵而无力进行实验确定，而CFD 的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点[5]。

经过一定考核的CFD 软件可以拓宽实验研究的范围，减少成本昂贵的实验工作量。

CFD软件分析的整体工作分析流程[6]，可以概括为如下：
1）建立控制方程。

分析研究的物理问题，概括出其数学模型；
2）确定其初始条件及边界条件。

初始条件为所研究的对象在过程开始时刻求解变量空间分布情况，边界条件是指在运动边界上方程组解应该满足的条件；
3）确定计算区域，划分计算网格，生成计算节点。

将控制方程离散的空间区域（所计算的区域），网格划分过程就是将控制方程离散的过程；
4）建立离散方程，对初始条件和边界条件离散化。

此过程也是根据不同的离散化方法建立方程组的过程，把连续型的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值；
5）离散初始条件和边界条件，给定求解控制参数；
6）求解离散方程。

给定合适的流体参数和湍流模型，通过数值方法求解方程；
7）判断解是否收敛。

当达到指定收敛精度后才结束求解过程；
8）显示和输出计算结果。

对所计算的结果通过压力云图、矢量图、流线图等以合适的方式表达出来并显示相应结果。

以FLUENT公司开发的大型CFD软件FLUENT为例，它可计算从不可压缩（低亚音速）到轻度可压缩（跨音速）直达高度可压缩（超音速）流体的复杂流动问题。

FLUENT本身所带的物理模型可以准确地预测层流、过渡流和湍流多种方式的传热和传质，化学反应，多相流和其它复杂现象。

它可以灵活地产生非结构网格，以适应复杂结构，并且能根据初步计算结果调速网格。

CFD在汽车领域中的绝大部分应用都集中于进行汽车外流场的数值模拟。

目前，国内外已经发表了大量关于汽车外流场数值模拟的论文。

通过CFD的模拟能够确定局部几何形体的改变对气动力的影响，并且能够直接比较不同车身设计的气动性能。

2 计算模型的建立与网格划分
2.1 计算模型建立
UG是一种在汽车行业里应用广泛的建模软件，其功能强大、建模方便、容易学习，选择UG实现对汽车的三维建模。

本文的研究重点是空气动力学对汽车的性能的影响，在仿真汽车外流场时，假设汽车内部流场与汽车外流场完全隔开互不影响，因此建立汽车模型时可不考虑其内部零件，仅对与外流场相接触的汽车部件进行建模[7]。

为了抓住研究重点、节省计算机资源和计算时间，本文对汽车模型进行了一定的简化。

本文参考某微型面包车，按照1:1的比例进行建模，如图2所示。

图2 UG三维模型
2.2 计算域的确定
将UG中所建立的汽车模型转化为prt格式导入ICEM-CFD软件中，依据汽车的三维模型尺寸建立外流场计算域。

流场计算域在沿车上方向，前端取3倍车长，后端取8倍车长；流场计算域在沿车宽方向，左右各取2倍车宽；流场计算域在沿车高方向，上端取3倍车高，下端取2倍车高。

在ICEM-CFD软件中，微型面包车和外流场计算域的模型图如下图3所示。

图3 微型面包车和外流场计算域的模型
2.3 网格划分
在汽车的CFD研究中，如何获得高质量的网格一直是研究重点，网格质量是决定整个研究过程进展的关键因素之一。

目前很多汽车外流场的CFD 研究中使用了混合网格方案，如四面体与三棱柱混合、四面体与六面体混合等[8]。

在本次讨论中，网格划分采用四面体网格自动生成，其中Global Element Seed Size设置为1024mm，其他各边界表面最大尺寸设置为除车身表面网格最大为32mm外，其余项都设置为1024mm。

网格划分完毕后，总网格数为7117965个。

网格质量如下图4所示，网格质量基本符合计算要求。

图4 网格质量
3 边界条件与模型求解
边界条件就是流体流动边界上控制方程应该满足的条件，通常会对数值计算产生较大的影响。

用FLUENT进行仿真计算时，基本边界类型主要包括以下几种[9]：
（1）入口边界条件。

入口边界条件是指定入口处流动变量的值。

常见的入口边界条件有速度入口边界条件、压力入口边界条件和质量流量入口边界条件等。

（2）出口边界条件。

出口边界条件就是指定出口处流动变量的值。

常见的入口边界条件有压力出口边界，质量出口边界。

（3）固体壁面边界条件。

对于粘性流动的问题，可以把壁面条件设置成无滑移边界条件，也可以指定壁面切向速度分量和壁面切应力，从而模拟壁面的滑移。

在本次讨论中，将ICEM-CFD中生成的网格模型导入Fluent中，viscous model选择k-w
湍流模型。

边界条件设置如下：进口inlet设置为velocity-inlet 条件，速度设置为30 m/s；出口outlet设置为pressure-outlet条件，出口相对压力设置为0；计算区域的两侧面和顶面为自由滑移壁面边界；汽车为无滑移壁面边界，地面为默认壁面边界（即为无滑移壁面边界）。

在模型求解设置中，初始化设为标准初始化，并设为从入口inlet开始计算，迭代步数设置为1000
步，进行计算求解。

4 仿真结果与分析
通过CFD-POST后处理软件，可对汽车外流场计算的结果进行可视化。

如图5为汽车的外流场速度分布云图。

图5 外流场速度云图
由图5可知，气流在轿车最前端有一个驻点，由于来流速度与轿车车头部相遇，气流在汽车前部受到汽车的阻挡，使气流速度大大降低，气流速度接近于零。

在汽车前部气流分为两部分，一部分沿着发动机罩向上流，一部分流向汽车的底部。

汽车的底部速度明显小于汽车顶部气流速度，在汽车顶部出现了一个气流速度最大区域。

但是，注意到车身顶部的气流比较均匀，流速也没有出现突变；而底部的气体流速波动较大，特别是在汽车底部前轴附近出现了流速最小值。

图6 外流场压力云图
图6给出了车身表面的压力图。

由图中可以看到在汽车表面有两个高压区：车身前部、前视镜前端。

表面压力在前端最高，然后沿变截面区域不断降低，并且在车身外表面压力几乎均为负值，因为车身外表面的气体相对速度较大，且越远离车身，因此压力越小。

前部正压力较大，尾部负压值较大，其中正负压差是引起汽车运行阻力的重要因素。

而汽车模型尾部的压力值与汽车前部的压力值之差就是压差阻力。

汽车头部的表面压力最大，这是由于来流速度与车头相遇，气流遇到车头而受到阻滞，使气流速度降低，因而在车头形成正压区。

车头上缘角出现负压区，这是由于上缘角曲率大，气流来不及转折而出现局部分离，这时气流速度也较大，因而在此处形成负压峰值（或称吸力峰）。

如图所示，车身顶部出现了两处非常明显的负压区；而车身底部的负压区相对较小，因此汽车底部与汽车顶部的压力差形成升力。

图7 外流场湍流动能分布云图
图7给出了车身外流场的湍流动能分布图，由图可知，在汽车的尾部有一段尾流区存在，在尾流区气流的流动是非常复杂的，由于速度下降较为剧烈，再加上汽车底部和顶部的气流的影响，产生了比较严重的湍流和漩涡现象。

于是在汽车后部形成大尺度的漩涡，快速而大量的能量消耗就在此发生，从而使尾流的压强减小引起了压差阻力。

同时，在汽车底部，由于轮胎出的截面变化较大，导致底部气流也出现较大湍流。

图8 迹线图
由图8的迹线图可知，在汽车行驶时，特别是在高速行驶工况下，车体尾部下漩涡较大，会把地面尘土等不停地卷到车体尾部，这样很容易导致后窗玻璃变脏，因此在后窗应设计有雨刮器。

根据上述分析，该车的车身应该做出如下改进：（1）前脸应该更加扁平一点，与发动机舱盖间的过渡应该更圆滑一点；（2）前脸两侧的过渡圆角应该更加更大一些；（3）汽车尾部增加后扰流装置，尾部采用带有一定倾角或圆弧的过渡，避免形成90度的直角。

（4）前轴截面变化不合理，应使过度更为平稳，以减小湍流。

5 结论
应用CAD 软件和CFD 软件对汽车外流场进行建模和仿真模拟，是在新车型开发中一个快速而行之有效的方法，通过对汽车的仿真分析，可知道汽车的气动特性，减少进行风洞试验的次数，加快汽车开发的周期。

总之，利用分析软件能够对汽车的外流场特性进行较精确的模拟，但是它依赖于理论模型模拟实际流场的精确度以及通过实验揭示出的空气运动真实的机理和规律，同时也依赖于相应的初始、边界条件和各数学模型中相关参数的处理等。

因此在解决汽车空气动力学的实际问题中，需要风洞试验和CFD 相互补充和配合，风洞试验能更好地用于验证和完善理论上的论断，CFD 则能更有效地进行综合仿真。

参考文献
[1]陈焕明. 轿车外流场数值模拟的研究. 吉林大学
研究生毕业论文. 2003
[2]莫乃榕. 工程流体力学[M]. 武汉，华中科技大学
出版社, 2000.5.171-174
[3]傅立敏. 汽车空气动力学[M]. 北京，机械工业出
版社, 2006.8.22-32
[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]王宏雁. 汽车车身设计基础[M]. 北京，北京大学
出版社, 2009.9.89-106
[6]王晓东. 计算流体力学从实践中学习[M]. 沈阳：
东北大学出版社，2009.
[7]张启桥. 汽车尾部外流场数值模拟[J]. 农业装备
与车辆工程. 2009, 19(10): 20-23.
[8]杨博. 轿车外流场网格生成策略及数值模拟[J].
农业机械学报. 2007, 38(4): 8-11.
[9]李华林，李万祥，皮特. 基于FLUENT的快背式
汽车外流场的三维数值模拟分析[J]. 兰州交通大
学学报
.2014.。