汽车外流场的数值模拟

汽车外流场的数值模拟

余梦洁，辛喆

中国农业大学车辆与交通工程系，北京(100083)

E-mail：yumn-830@

摘要：本文应用三维建模软件Pro/E、UG，建立了MIRA标准模型组中的方背式轿车和某款面包车的模型。然后，针对MIRA标准模型组中的方背式轿车，使用计算流体力学软件Gambit、Fluent进行数值模拟，得到了与实验数据相比较为精确的结果，最后，将这一模拟方法运用到某款面包车上，从而预测了该车的空气动力学性能。

关键词：汽车空气动力学汽车外流场 Fluent 数值模拟

中图分类号：U463.82

1.引言

随着石油价格的不断上涨,人们越来越注重汽车的耗油量及其空气动力性能,而气动阻力系数是汽车空气动力性能的重要指标。当前测试汽车气动阻力系数的方法主要有三种:风洞试验法、功率平衡法和数值计算法。由于数值计算具有效率高、成本低、应用范围广等优点,已广泛被各大企业、科研院校所使用[1]。

作用于汽车上的空气动力可分为如图1所示的x,y,z轴上的3个分力及3个力矩[1].它们分别为:空气阻力Fw,横向力Fy,升力Fz以及侧倾力矩Mx,俯仰力矩My,横摆力矩Mz.其中,对汽车运动性能有显著影响的是Fy,Fz,Mx,Mz.因为这些力及力矩与车速的平方成正比,因此,车速愈高,其影响也愈大[2]。

本文以MIRA标准模型组中的方背式轿车为模型，进行网格化分和数值模拟，并将模拟结果与风洞试验结果相比较。通过尝试不同方法，得到了较精确的模拟结果。最后，将这一方法应用到某款面包车上，得到该车的阻力系数和压力、速度分布。

2.MIRA标准模型组中方背式轿车的空气动力学数值模拟

2.1 模型的建立

2.1.1几何模型

试验采用的模型为M1RA标准模型组，模型几何缩比均为1/4。MIRA标准模型用硬木加工而成，且尾部可更换，分别模拟阶梯背、快背和方背三种轿车形式(如图2,虚线表示快背和方背)。在TJ-2和IVK汽车模型风洞试验中所用模型由同济大学设计加工，统一的试验模型保证了比较试验的可比性基础[3]。

图1 汽车所受气动力 图2 MIRA 标准模型

本论文通过UG 建立模型，尺寸如图2所示。由于该车左右对称，因此在建立模型使只画半车身。

2.1.2 网格划分

将模型导入Gambit 。本文计算域取车前2倍车长，车后6倍车长，车上四倍车高，车侧4倍车宽。在网格划分过程中，先画车身表面面网格，本文利用Gambit 中的尺寸函数功能，在车身表面拐角处进行网格加密；然后，利用已有线网格，在汽车对称面划分面网格；最有，利用尺寸函数功能，以车身面网格和对称面面网格为源，在计算域内生成体网格，网格类型为T-Grid ，网格数为124万。生成网格如图所示：

图3 汽车表面网格 图4 汽车对称面网格

2.2 数值模拟

将模型导入Fluent 。由于文献中将车模型缩小为原来的四分之一后再进行风洞试验，因此本文在将模型导入后，也将其缩小至图2所示尺寸的四分之一。

图5 对称面压力分布 图6 对称面尾部涡流

湍流模型对汽车外流场模拟精度的影响在文献［4］中已有详细的比较论述，故本文采用其推荐的RNG ε−k 模型，其中3

10341.4,01215.0−×==εk 。离散方程求解算法采用SIMPLE 算法。

假设汽车行驶的工况：在静止的空气中（无风条件下）、平直的路面上等速直线运动。

这样，汽车与地面，汽车与空气的相对速度均为汽车行驶速度。这种工况在计算机上进行模拟实验，通常用均匀气流流过汽车模型来模拟行驶的汽车相对于静止的空气运动，显然这导致了附面层问题：运动的气流在静止的地面会产生附面层。而实际汽车行驶时，地面附面层是不存在的，只存在车身表面的附面层。为了消除在计算机模拟中的地面附面层的影响，本文在计算模拟时采用了移动地面的做法，以消除地面边界层的影响，

计算参数如下：

表1 MIRA 标准模型方背式轿车数值模拟计算参数 车速

对称面 进口条件 出口条件 30m/s symmetry velocity-inlet pressure-outlet

计算结果为：36.0=D C 。根据文献，在TJ-2汽车模型风洞中，阻力系数测试值为376.0=D C ；在IVK 汽车模型风洞中，阻力系数测试值为3854.0=D C 。本文模拟值与上述两个试验值的误差分别为4.25%和6.59%，可见数值模拟的结果较为精确。 3. 某款面包车的空气动力学数值模拟

3.1 模型的建立

3.1.1几何模型

本文利用Pro/E 进行几何模型的建立。模型总长1100mm,总宽450mm,总高400mm 。模型简化了车身底部结构，省略了进气格栅、门把手、车身装饰线等。如图7、图8所示。

图7 面包车原型 图8 面包车模型 3.1.2网格划分

利用2.1.2中介绍的网格划分方法进行网格划分，网格数为210万，如图9、图10所示。

3.2 数值模拟

将模型导入Fluent ，设置参数如表2：

表2 MIRA 标准模型方背式轿车数值模拟计算参数 车速

对称面 进口条件 出口条件 30m/s symmetry velocity-inlet pressure-outlet

经过计算，得到如下结果：373.0=D C

图9 车身表面网格 图10 对称面网格

图11 对称面压力分布 图12 对称面尾部涡流

图11为车身纵向对称面及车身表面压力分布图。由图可知，在车身上表面，除车身前脸部分、发动机罩与前风窗交界处出现正压外，其余部分均为负压。出现负值较大的地方是车身前面上端拐角及侧面拐角处。在汽车前部压力比较大，后部存在着负压，前后的压力差造成了汽车的压差阻力，这部分阻力占总阻力的主要部分，要想降低汽车的气动阻力，必须设法使尾部的压力升高，以此降低压差阻力。由图11、图12可以看出，由于尾部涡系消耗大量动能，此处压力降低。从图11中可以看出，车尾部近壁处压力高于尾部涡系压力，其合力指向-x 方向，这样就避免了灰尘附着在后车窗上。

4. 结论

①分析说明，在新车型开发过程中，应用CFD 技术对汽车外流场进行建模和仿真模拟，是一种对其进行气动性能分析快速有效的方法。

②车身周围的压强分布，很大程度上决定了汽车所遭受的压差阻力，这部分阻力占汽车总阻力的主要部分。设法升高汽车尾部的压力，或者减少汽车头部的压力，都将有助于降低压差阻力。

③应该合理设计车型，控制尾涡的形成强度。