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汽車外流場(chǎng)分析

◆ 汽車行駛中所受氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩可以分解為阻力、升力、側(cè)向力、橫擺氣動(dòng)力矩、縱傾氣動(dòng)力矩和側(cè)傾氣動(dòng)力矩6 個(gè)分量。對(duì)汽車性能影響的研究主要是指氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力、氣動(dòng)側(cè)向力及各氣動(dòng)力矩對(duì)汽車操縱穩(wěn)定性影響的研究，同時(shí)也包括了汽車周圍壓力場(chǎng)的研究、氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩形成機(jī)理的研究、空氣阻力對(duì)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性影響的研究等；

◆ 汽車行駛中各部位的流場(chǎng)研究；

◆ 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻和車內(nèi)通風(fēng)的研究，包括車身表面壓力分布的研究、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻氣流和車內(nèi)通風(fēng)氣流等；

◆ 汽車氣動(dòng)噪聲的研究，包括氣動(dòng)噪聲形成機(jī)理和控制方法的研究等。

空氣阻力的研究不僅僅是從提高車輛性能的要求考慮，更重要的是具有重大經(jīng)濟(jì)意義。目前世界汽車保有量已達(dá)6 億多輛，汽車運(yùn)輸量占總運(yùn)輸量的70%左右。這些車輛在運(yùn)輸中幾乎全部采用石油燃料，需消耗世界石油產(chǎn)品的1/4。在長(zhǎng)期的開發(fā)過(guò)程中，人們已經(jīng)運(yùn)用多種途徑來(lái)達(dá)到節(jié)油的經(jīng)濟(jì)目的，如改進(jìn)燃油品質(zhì)，用柴油機(jī)代替汽油機(jī)，采用復(fù)合動(dòng)力裝置，采用新型替代燃料及制定先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)等辦法。但是節(jié)能效果最為明顯的就是減小汽車的空氣阻力、滾動(dòng)阻力和改善發(fā)動(dòng)機(jī)微機(jī)控制等方法，因?yàn)槠嚱Y(jié)構(gòu)所限，再多的變化與新技術(shù)的運(yùn)用仍然要考慮到減小空氣阻力和動(dòng)力輸出。

網(wǎng)格建模

幾何文件（.stl 等格式）可以直接輸入 Starccm+中，輸入的幾何文件都自動(dòng)轉(zhuǎn)化為很多

小面來(lái)構(gòu)成幾何表面，輸入到Starccm+中后的幾何外形如圖1。

對(duì)幾何進(jìn)行必要的修復(fù)和簡(jiǎn)化后，指定網(wǎng)格尺寸，可以直接生成體網(wǎng)格，也可先生成面網(wǎng)格再生成體網(wǎng)格。網(wǎng)格生成根據(jù)汽車外流場(chǎng)不同部分流場(chǎng)的不同情況，進(jìn)行合理分區(qū)，使用具有相適應(yīng)特征的網(wǎng)格就有助于顯著提高解題的精度、計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性。Starccm+中可以生成的四面體或多面體網(wǎng)格，且可以生成邊界層網(wǎng)格。在此次分析中采用了四面體和邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為3,518,231，節(jié)點(diǎn)數(shù)為869,111 如圖2 所示:

分析條件

該分析采用2 階離散格式，湍流模型為RNG K-E 湍流模型，進(jìn)口為速度進(jìn)口，速度為27m/s,出口為壓力出口邊界。

分析結(jié)果

分析完成后，在Starccm+ 中進(jìn)行后處理，圖3 為車身的靜壓云圖從壓力分布云圖可以看出，前端制止區(qū)的影響范圍較大，增大了阻力；空調(diào)新風(fēng)區(qū)域高壓區(qū)較小，會(huì)影響進(jìn)風(fēng)效率；尾渦區(qū)的壓力梯度變化較小，會(huì)減少尾渦區(qū)域的影響范圍，減小阻力。

從前端進(jìn)風(fēng)壓力系數(shù)云圖（圖4）可以看出，下隔柵的進(jìn)風(fēng)區(qū)域比較合理，上格柵的進(jìn)風(fēng)效率會(huì)有影響。下?lián)躏L(fēng)玻璃的壓力分布不是最有利于空調(diào)新風(fēng)口進(jìn)風(fēng)，高壓區(qū)的影響范圍小，位置偏上。

從圖 5 中可以看出，前蒙皮和格柵區(qū)域的設(shè)計(jì)合理，沒(méi)有發(fā)生大的流動(dòng)分離現(xiàn)象。前輪罩下游區(qū)域發(fā)生的流動(dòng)分離區(qū)域很小，說(shuō)明貼體流動(dòng)性能良好，風(fēng)阻小。整車后窗玻璃，后蒙皮區(qū)域有較大的流動(dòng)分離，增大了阻力。

從車身表面油流（圖6）可以看出，整車表面流線光順沒(méi)有大曲率的流動(dòng)曲線，回流曲線少，整車表面流動(dòng)狀態(tài)較好。前輪罩后部區(qū)域有回流曲線；后窗-C 柱以及后窗-頂蓋區(qū)域流線強(qiáng)行向中部區(qū)域靠攏，增大阻力。

圖 6 車身表面油流

從整車流線圖（圖 7）也可以觀察到前輪罩后部區(qū)域的回流現(xiàn)象；后窗-C 柱以及后窗-頂蓋區(qū)域流線強(qiáng)行向中部區(qū)域靠攏，增大阻力。此外，流線經(jīng)過(guò)A 柱、前翼子板后發(fā)生較大的流動(dòng)分離現(xiàn)象，增大了阻力。后窗和后艙蓋流線貼體性較好，后部尾渦區(qū)影響范圍較小，具有減阻的作用。

分析結(jié)果與設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

整車CFD 分析得到的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)如下：阻力系數(shù)Cd=0.294，阻力因子Cd*A=0.60，升力系數(shù)Cl=0.0756，都小于 VTS 目標(biāo)值，以及試驗(yàn)相應(yīng)值。但是CFD 分析由于沒(méi)有考慮后視鏡，地板進(jìn)行光順處理，因此實(shí)際的阻力和阻力系數(shù)會(huì)大些，簡(jiǎn)化對(duì)該系數(shù)的影響比較大，以后分析中將盡量把發(fā)動(dòng)機(jī)艙的流動(dòng)一起進(jìn)行分析。

從流場(chǎng)各個(gè)特性顯示可以看出，整車總的流動(dòng)狀態(tài)較好，有很好的貼體流動(dòng)性能，整車表面流線光順沒(méi)有大曲率的流動(dòng)曲線，駐點(diǎn)區(qū)的分離再附著性能好，除了尾渦區(qū)沒(méi)有大的回流和流動(dòng)分離現(xiàn)象，Underbody 流動(dòng)有利于減小尾渦區(qū)尺寸，尾渦區(qū)的壓力梯度變化較小，影響范圍小，減小阻力。

但是在局部區(qū)域還是有一些增加阻力或降低系統(tǒng)性能的因素，例如：前端進(jìn)風(fēng)壓力會(huì)影響上隔柵的進(jìn)風(fēng)效率，下?lián)躏L(fēng)玻璃的壓力分布不是最有利于空調(diào)新風(fēng)口進(jìn)風(fēng)，前輪罩后部區(qū)域有回流曲線，后窗-C 柱以及后窗-頂蓋區(qū)域流線強(qiáng)行向中部區(qū)域靠攏，流線經(jīng)過(guò)A 柱、前翼子板后發(fā)生較大的流動(dòng)分離現(xiàn)象，增大阻力。計(jì)算流體力學(xué)依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展在汽車設(shè)計(jì)和分析中得到應(yīng)用，能夠節(jié)約大筆試驗(yàn)費(fèi)用，并且可以得到很好的數(shù)值模擬結(jié)果。經(jīng)過(guò)計(jì)算流體力學(xué)家們的長(zhǎng)期努力，汽車流場(chǎng)數(shù)值模擬使計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在汽車工程領(lǐng)域中具體應(yīng)用，這個(gè)領(lǐng)域已取得了許多重要的進(jìn)展，建立和開創(chuàng)了許多理論和方法，提高了新型車型的設(shè)計(jì)效率。