汽車外流場(chǎng)分析以及流線型改進(jìn)

劉進(jìn)，蔣慧略，劉波，杜大偉

(1. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所 山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266001；2.山東省海洋儀器儀表科技中心，山東 青島 266001)

現(xiàn)代汽車行業(yè)發(fā)展迅速，人們對(duì)汽車的性能要求也不斷提高，計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dgnamic,CFD)在汽車空氣動(dòng)力學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，同試驗(yàn)相比，其具有可預(yù)先研究、不受條件限制、成本低和周期短等特點(diǎn)。近年來(lái)，學(xué)者們開始研究?jī)?yōu)化汽車的車身[1]從而優(yōu)化其氣動(dòng)特性，并改善汽車性能、節(jié)約研究資金、提高研究效率，已經(jīng)獲得了較為理想的研究成果。彭昌明[2]基于一款純電動(dòng)汽車車身模型進(jìn)行了減阻優(yōu)化研究，錢娟等[3]改進(jìn)了客車外形從而優(yōu)化汽車的氣動(dòng)特性，張震等[4]基于CFD對(duì)跑車的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化。但是通過(guò)CFD對(duì)汽車外流場(chǎng)進(jìn)行分析以及改進(jìn)汽車流線型方面鮮有學(xué)者涉及。因此，本文分析一種微型汽車在改變流線型前后的外流場(chǎng)影響，基于CFD對(duì)兩種流線型[5]的汽車整體進(jìn)行速度矢量場(chǎng)、壓力場(chǎng)、氣動(dòng)阻力[6]分析，以氣動(dòng)阻力值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)汽車流線型進(jìn)行了改進(jìn)。

1 幾何模型

選用人們?nèi)粘Ｊ褂们冶憬莸奈⑿蛙囎鳛檠芯繉?duì)象，通過(guò)CATIA軟件建立汽車的幾何模型。汽車大小參照其真實(shí)尺寸，見圖1。其中圖1(b)為改進(jìn)流線型車，刪除了汽車表面許多對(duì)車身外流場(chǎng)影響較小的細(xì)小結(jié)構(gòu)。由于這些細(xì)小結(jié)構(gòu)在模型建立網(wǎng)格[7]劃分時(shí)很復(fù)雜，并且對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算效率低下，故用簡(jiǎn)化的模型。得到原車和改進(jìn)流線型后的汽車如圖1所示，汽車外形幾何參數(shù)[8]見表1。

表1 汽車外形幾何參數(shù)Table 1 Predominant parameters of the car

2 CFD模擬計(jì)算

假設(shè)該汽車模型長(zhǎng)為L(zhǎng),寬為W，高為H。整體計(jì)算域?yàn)槟M風(fēng)洞的長(zhǎng)方體，根據(jù)車身氣體流動(dòng)狀態(tài)和原理[9]，長(zhǎng)度方向計(jì)算域取氣體入口距離車頭2.5L,氣體出口距離車尾6L，寬度方向兩側(cè)取2.5W,高度為5H。如圖2所示。

本文是用ICEM-CFD劃分網(wǎng)格，采用四面體網(wǎng)格，由于車身表面是關(guān)鍵表面，因此采用較細(xì)的網(wǎng)格并且為了網(wǎng)格的連貫性設(shè)置了邊界層。網(wǎng)格總數(shù)為516 517，得到的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 計(jì)算域模型Fig.2 Computational domain model

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model

本文的湍流模型采用 Realizable k-epsilon計(jì)算模型[10]，邊界條件：進(jìn)口速度為20 m/s、50 m/s;出口壓力為大氣壓;車身為不可滑移壁面;地面是移動(dòng)壁面，速度分別是20 m/s、50 m/s;近壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面模型[10]。

3 流場(chǎng)結(jié)果分析

3.1 速度矢量分析

本文對(duì)原車和改進(jìn)流線型車進(jìn)行了CFD計(jì)算分析，模擬了在20 m/s的正常行駛速度和50 m/s的極限行駛速度下，原車和改進(jìn)流線型車外流場(chǎng)的差異以及對(duì)汽車動(dòng)力性能的影響。得到的速度矢量結(jié)果如圖4、圖5所示，并局部放大了車尾的速度矢量部分便于分析。

圖4 原車和改進(jìn)流線型車在20 m/s的速度矢量圖Fig.4 Velocity vector diagram of cars before and after optimization at 20 m/s

圖5 原車和改進(jìn)流線型車在50 m/s的速度矢量圖 Fig.5 Velocity vector diagram of cars before and after optimization at 50 m/s

通過(guò)對(duì)圖4～5在相同車速下原車與改進(jìn)流線型車的速度矢量圖分析可得，無(wú)論是原車還是改進(jìn)流線型車在20 m/s和50 m/s速度下速度矢量變化規(guī)律基本一致。兩種流線型的車身前方來(lái)流，大部分都流向了車頂，小部分流向車底。通過(guò)觀察原車與改進(jìn)流線型車在局部放大的尾部速度矢量部分可以發(fā)現(xiàn)，原車在20 m/s和50 m/s速度下氣流流至車身尾部時(shí)出現(xiàn)旋渦，產(chǎn)生的逆時(shí)針氣流會(huì)造成汽車外流場(chǎng)的總壓損失，車尾渦流造成能量消耗，增加氣動(dòng)阻力；而改進(jìn)流線型車在20 m/s和50 m/s速度下均未產(chǎn)生明顯的旋渦。流線型的設(shè)計(jì)有效控制了氣流的局部分離現(xiàn)象，減少了能量消耗，提高了汽車的續(xù)航能力。

3.2 外流場(chǎng)壓力分析

圖6 原車和改進(jìn)流線型車在20 m/s的壓力云圖 Fig.6 Pressure nephogram of cars before and after optimization at 20 m/s

圖7 改進(jìn)流線型車在50 m/s的壓力云圖 Fig.7 Pressure nephogram of cars before and after optimization at 50 m/s

通過(guò)圖6～7，比較相同車速下原車與改進(jìn)流線型車的外流場(chǎng)壓力云圖可得，原車與改進(jìn)流線型車在車頭的表面壓力最大。這是由于遠(yuǎn)前方氣流遇到車頭而受到阻滯，使氣流速度降低，因而在車頭形成正壓區(qū)。車頭上緣角壓力下降，這是由于上緣角曲率大，氣流來(lái)不及轉(zhuǎn)折而出現(xiàn)局部分離，這時(shí)氣流速度也較大。在車身長(zhǎng)度方向的壓力分布影響著前后輪載荷的分布，進(jìn)而影響驅(qū)動(dòng)力?？梢钥闯?0 m/s和50 m/s速度下改進(jìn)型車的對(duì)稱面壓力分布較為均勻，壓力梯度相對(duì)原車變化平緩，改進(jìn)流線型的載荷分布明顯優(yōu)于原車的載荷分布，這是因?yàn)榱骶€型的設(shè)計(jì)使得車頂氣流相對(duì)平緩，從而車頂部的空氣壓力小于車底部的壓力，產(chǎn)生更多的升力，進(jìn)而影響汽車的穩(wěn)定性。

3.3 車身壓力分析

為比較原車與改進(jìn)流線型車在20 m/s和50 m/s速度下車身表面的壓力分布，我們獲取了原車與改進(jìn)流線型車的車頭區(qū)域、前擋風(fēng)玻璃區(qū)域、車頂區(qū)域以及車尾區(qū)域的平均壓力值，分別用A、B、C、D表示。車身前表面壓力示意圖如圖8所示，車身后表面壓力示意圖如圖9所示,得出的20 m/s和50 m/s各區(qū)域壓力均值如表2～3所示。

圖8 原車和改進(jìn)流線型車的前車身壓力示意圖Fig.8 Pressure nephogram of simplified front body before and after optimization

圖9 原車和改進(jìn)流線型車的后車身壓力示意圖 Fig.9 Pressure nephogram of simplified rear body before and after optimization

表2 汽車在20 m/s時(shí)4個(gè)區(qū)域的壓力均值Table 2 Mean pressure value of four areas at 20 m/s 單位：Pa

表3 汽車在50 m/s時(shí)4個(gè)區(qū)域的壓力均值Table 3 Mean pressure value of four areas at 50 m/s 單位：Pa

從表2、表3可以看出，在20 m/s速度下A區(qū)域壓力值最大。原車為255 Pa，改進(jìn)流線車為252 Pa,氣流流過(guò)引擎蓋前緣由于氣流分離，到B區(qū)域壓力逐漸下降直至C區(qū)域變?yōu)樨?fù)壓，氣流在D區(qū)域分離，形成負(fù)壓區(qū)。其中，從A到C區(qū)域的壓差值原車為435 Pa，改進(jìn)流線型車為382 Pa。D區(qū)域原車的負(fù)壓為-22 Pa,改進(jìn)流線型為-2 Pa。

在50 m/s的極限行駛速度下，A區(qū)域仍然有最大正壓力。原車為1590 Pa，改進(jìn)流線車為1430 Pa,從A到C區(qū)域的壓差值原車為2980 Pa，改進(jìn)流線型車為2640 Pa。氣流在D區(qū)域也形成負(fù)壓區(qū)，原車的負(fù)壓為-240 Pa,改進(jìn)流線型為-133 Pa,發(fā)現(xiàn)無(wú)論在20 m/s還是50 m/s速度下，改進(jìn)流線型車的壓力差都低于原車的壓力差。

因?yàn)樵谇帮L(fēng)窗跟發(fā)動(dòng)機(jī)罩之間流線型改變，使得改進(jìn)流線型車的壓力分布明顯減??；而在空氣的黏性作用下，氣流在汽車前端的車蓋上發(fā)生了局部分離，導(dǎo)致受到的壓力降低。在車頂以及車的后部采用的流線型設(shè)計(jì)，使得空氣的黏性作用讓氣流流動(dòng)均勻，行駛過(guò)程中受到的風(fēng)阻較小，對(duì)于汽車的動(dòng)力性影響較?。辉谡Ｐ旭偹俣?0 m/s和極限行駛速度50 m/s下，改進(jìn)流線型尾部的平均壓強(qiáng)值也低于原車的壓力值，因此車身模型的流線型改進(jìn)后，改善了車尾部氣動(dòng)特性。

3.4 氣動(dòng)阻力分析

降低汽車的氣動(dòng)阻力是汽車氣動(dòng)造型改進(jìn)的一個(gè)主要指標(biāo)，原車和改進(jìn)流線型車身模型在20 m/s和50 m/s速度下數(shù)值模擬計(jì)算后得到的氣動(dòng)阻力值見表4。

表4 汽車氣動(dòng)阻力值Table 4 Aerodynamic resistance of cars 單位：N

發(fā)現(xiàn)在20 m/s的速度下，改進(jìn)流線型車的氣動(dòng)阻力值比原車型降低了6.67%；在50 m/s速度下，改進(jìn)流線型車的氣動(dòng)阻力值比原車型降低了4.55%。這是因?yàn)楹侠淼卦O(shè)計(jì)車身，即在車蓋、車頂和尾部的流線型設(shè)計(jì)，減少了車頭正壓區(qū)和車尾負(fù)壓區(qū)的壓力，氣流會(huì)流經(jīng)車身表面，此時(shí)受到車身阻礙發(fā)生分離，分離后，氣流再次附著車身向后流。因此，流線型設(shè)計(jì)產(chǎn)生的分離區(qū)越小，消耗的能量就越少，產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力值就越低。

通過(guò)對(duì)比原車和改進(jìn)流線型車20 m/s和50 m/s速度下的氣動(dòng)阻力值，發(fā)現(xiàn)無(wú)論在正常行駛速度還是極限行駛速度下，改進(jìn)流線型車都能有效減小行駛過(guò)程中受到的氣動(dòng)阻力，表明改進(jìn)方案有較好的減阻效果。

4 結(jié)論

本文基于某一微型車車身模型進(jìn)行了減阻優(yōu)化研究，結(jié)果表明無(wú)論是正常行駛速度20 m/s還是極限行駛速度50 m/s下，改進(jìn)流線型車的壓力分布均得到了有效改善，氣動(dòng)阻力在20 m/s時(shí)減阻率為6.67%，在50 m/s時(shí)依舊能減阻4.55%。該研究的氣動(dòng)阻力優(yōu)化效果突出，為汽車流動(dòng)減阻、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)依據(jù)。本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)實(shí)際車型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并未考慮汽車復(fù)雜特征，在后續(xù)的研究中可以考慮更多汽車的局部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征，進(jìn)一步完善優(yōu)化結(jié)果，以期獲得更好的汽車性能。