0 前言
汽車空氣動力學(xué)對于整車的經(jīng)濟(jì)性、動力性、舒適性和行駛安全的研究具有特殊重要的意義，它是車輛工程領(lǐng)域一個非常重要的研究方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算理論的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)已成為了汽車空氣動力學(xué)研究的重要手段。傳統(tǒng)的汽車空氣動力學(xué)研究依賴與汽車風(fēng)洞試驗(yàn)，但是現(xiàn)在應(yīng)用CFD空氣動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)上完成汽車風(fēng)洞試驗(yàn)，使得對汽車空氣動力學(xué)開展全面系統(tǒng)的科學(xué)研究更簡便而有效。
在國家戰(zhàn)略政策的引導(dǎo)下，汽車工業(yè)逐漸開始走向自主開發(fā)的道路。隨著能源問題的日益突出，節(jié)能減排也成為汽車設(shè)計(jì)的主要目的。整車氣動性能是汽車空氣動力學(xué)的核心問題，在造型階段，氣動性能主要關(guān)注車輛的阻力系數(shù)。當(dāng)車速達(dá)到100km/h時發(fā)動機(jī)約80%的動力用來克服氣動阻力，假如整車空氣動力學(xué)性能提高10%，油耗就可降低4%～5%。
本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+對某車型進(jìn)行了整車外流場的計(jì)算，通過對整車近壁面速度場以及各截面速度場分析，對該車前唇擾流板，前后輪擾流板，以及后擾流板的組合優(yōu)化進(jìn)行評價(jià)。
1 建立計(jì)算模型
1.1 物理模型
流體流動要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。
(1)質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）
(2)動量守恒方程（運(yùn)動方程，Navier-Stokes方程）
(3)能量守恒方程
式中，v為平均速度，vi為平均速度分量，xi為坐標(biāo)分量，T為溫度，K為流體的傳熱系數(shù)，Cp為比熱容，ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。
通常在對外流場模擬的時候應(yīng)用較多的是RNG k-ε湍流模型。在這種模型中，通過在大尺度運(yùn)動和修正后的黏度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，將小尺度運(yùn)動從控制方程中移除。在對Navier-Stokes方程進(jìn)行雷諾時均化處理時，引進(jìn)了新的變量項(xiàng)u＇iu＇j（雷諾應(yīng)力項(xiàng)）。為使方程組封閉，必須對雷諾應(yīng)力做出某種假定，在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雷諾應(yīng)做出某種假定，在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雷諾應(yīng)力方程如下
(4)湍流動能k方程
(5)湍動能耗散率方程
其中，
式中k為湍流動能，ε為湍流動能耗散率μeff為湍流有效黏性系數(shù)，ρ為空氣密度，Γeff表示湍動能有效擴(kuò)散系數(shù)，Γεeff表示湍動能黏性耗散率有效擴(kuò)散系數(shù)。
1.2 幾何模型
由于計(jì)算結(jié)果的精確度與網(wǎng)格單元的大小密切相關(guān)，但是網(wǎng)格數(shù)量受計(jì)算機(jī)硬件制約嚴(yán)重，故只能對模型做局部加密細(xì)化，例如近氣格柵，發(fā)艙內(nèi)部冷卻系統(tǒng)等部件需要細(xì)化，對仿真結(jié)果影響不大的區(qū)域網(wǎng)格則需漸進(jìn)粗化。在ANSA中進(jìn)行幾何處理并劃分面網(wǎng)格如圖1、圖2所示。
圖1 車體面網(wǎng)格
圖2 發(fā)動機(jī)室面網(wǎng)格
在前處理后導(dǎo)入STAR-CCM+中進(jìn)行Surface Remesher以及體網(wǎng)格的生成。生成流體計(jì)算域，域基本尺寸為：車前3倍車長，車后7倍車長，寬度4倍車寬，高5倍車高。外流場體網(wǎng)格采取三個區(qū)域加密，控制尺寸分別為60mm、80mm、120mm，以及后視鏡區(qū)域局部加密控制尺寸為15mm。
圖3 計(jì)算域
1.3 初始邊界條件
車速100km/h，地面X方向100km/h移動，車輪轉(zhuǎn)速702rpm，入口采取速度輸入，出口壓力輸出，滑移壁面。中冷器、冷凝器、散熱器采用多孔介質(zhì)模型。
2 模型計(jì)算結(jié)果
2.1 初始模型
經(jīng)計(jì)算后初始模型的風(fēng)阻系數(shù)Cd為0.381，散熱器空氣質(zhì)量流量0.666kg/s，冷凝器空氣質(zhì)量流量0.903kg/s，中冷器空氣質(zhì)量流量0.255kg/s。
2.2 優(yōu)化模型
在原整車詳細(xì)模型的基礎(chǔ)上，保證車身其他結(jié)構(gòu)尺寸不變，增加前唇擾流板，前后輪擾流板以及延長后擾流板并且調(diào)整其角度，具體形式如圖4、圖5所示。具體計(jì)算結(jié)果如表1。
圖4 優(yōu)化局部放大
圖5 原始模型
圖6 優(yōu)化模型
表1 計(jì)算結(jié)果
由于氣體粘性的存在，氣流在流經(jīng)車底不平整區(qū)域時產(chǎn)生不同程度的分離，以及流經(jīng)尾部由于壓力差的存在，不斷產(chǎn)生漩渦，這些現(xiàn)象均造成了不可逆的能量損失，是空氣阻力的主要原因。圖7上圖為原始模型的對稱面速度標(biāo)量圖，下圖為經(jīng)過優(yōu)化后模型的對稱面速度標(biāo)量圖。可以看出由于前唇擾流板的存在高速氣流在一定程度上避開了發(fā)動機(jī)室下部不平整區(qū)域，有效減少了氣流對底部不平整部件的沖擊。后擾流板的加長與角度調(diào)整，使得車尾去的負(fù)壓區(qū)有明顯向下的趨勢，一定程摩上減小了尾部負(fù)壓區(qū)域。
圖7 對稱面速度標(biāo)量圖
圖8為后輪區(qū)域XY平面速度標(biāo)量圖，上圖為原始模型，下圖為增加后輪擾流板的優(yōu)化模型，可以看出由于擾流板的存在有效的減小車輪后負(fù)壓區(qū)域。在車尾近壁面速度標(biāo)量圖中也有所體現(xiàn)，如圖9所示。
圖8 輪胎截面速度標(biāo)量
圖9 近壁面速度標(biāo)量
計(jì)算數(shù)據(jù)顯示前唇擾流板的存在不僅使得整車的風(fēng)阻降低，還有效的提高了冷卻模塊的通風(fēng)量，對于改善整車的冷卻性能，提高換熱效率有明顯的效果，如圖10、圖11所示，發(fā)動機(jī)室氣體流速明顯改善。
圖10 原始模型發(fā)動機(jī)室
圖11 優(yōu)化模型發(fā)動機(jī)室
3 結(jié)論
車底的不平整區(qū)域與車尾的負(fù)壓區(qū)是影響整車氣動性能的重要區(qū)域。高速氣流對凸出零件的沖擊與尾部漩渦的不斷產(chǎn)生于均造成了不可逆的能量損失。通過增加前唇擾流板，前后輪擾流板以及后擾流板的加長與角度調(diào)整的組合優(yōu)化，有效的改善了整車的氣動性能，達(dá)到了減阻的目的。同時，組合優(yōu)化有效的提高了冷卻模塊的進(jìn)出口壓力差，增大了冷卻系統(tǒng)的通風(fēng)量，改善了整車的冷卻性能，提高了熱交換效率。
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本文標(biāo)題：整車氣動性能分析與優(yōu)化
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