轿车车身外流场的CFD 仿真与实验验证

江 洪，唐 鹏

(重庆工业职业技术学院，重庆 401120)

轿车车身外流场的CFD 仿真与实验验证

江 洪，唐 鹏

(重庆工业职业技术学院，重庆 401120)

基于CFD数值仿真，选用Realizable κ-ε湍流模型和非对称壁面函数，建立一款轿车的外流场模型，对该款车的外部流场情况进行分析，并和风洞试验结果做了对比。结果表明:CFD仿真计算得出的风阻系数与实验测定值误差在5%左右，可满足工程需要。测试点与实验值有一定误差，但趋势基本吻合。

汽车;空气动力学;计算流体动力学仿真;风洞试验

空气动力学特性是汽车的重要特性之一，它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性与安全性［1］。目前对于汽车外部流场的研究，主要运用试验法、理论分析法和CFD数值仿真法。试验法主要通过风洞试验和道路试验对汽车的空气动力特性进行分析和研究，依赖试验设备和场地，一直以来是我国汽车动力学发展的瓶颈，随着湖南大学和同济大学风洞试验室等的建成，我国在空气动力学试验研究方面与发达国家的差距正在缩小。理论分析是通过科学抽象，利用数学方法进行计算，得出的理论结果。由于受到计算工具和求解方法的限制，往往使用较为简单的数学模型和工程经验公式。对于汽车外流场的复杂情况，理论分析结果无法达到工程分析需要。CFD数值仿真法以经典力学理论为基础，数学计算求解依靠计算机完成，大大提高了计算的周期性和准确性，其计算结果为汽车设计前期造型提供了依据，减少了后期的设计变更，节省了大型试验而花费的巨大财力、人力和物力。笔者利用CFD数值仿真方法对某汽车公司开发的一款轿车进行了空气动力学分析，得到了阻力系数，并与风洞试验结果进行了对比。

1 数学模型

1.1 流体控制方程

由于国内普通轿车在使用过程中行驶速度一般不超过200 km/h，根据马赫数计算公式M=U/C(C为音速)，其马赫数不超过0.16，当马赫数远远小于1时，流体的可压缩性及压力脉动对密度变化影响都可以忽略，因此对于该款轿车外流场的分析给定的入口速度为34 m/s，为不可压缩流。所用数学模型为描述流体运动基本规律的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和湍流模型。设一个通用变量φ代表任意的单位质量物理量(可以代表坐标系3个方向速度u、ν、w和温度T等求解变量)，通用控制微分方程采用直角坐标系的张量形式表示［2］:

由于本次分析仅限于稳态不可压流体，故略去方程中的非稳态项。

1.2 湍流模型

Realizable κ -ε 湍流模型由 SHIH，等［3］于1995年提出，其认为湍动涡黏系数计算式中的系数Cμ不是常数，而与应变率有关。Realizable κ-ε湍流模型可用于各种不同类型的流动模拟，包括旋转均匀剪切流、有喷射和混合流的自由流、管道内流动、边界层流动，以及带有分离的流动，很适合汽车外部流场的模拟。在Realizable κ-ε中关于湍动能κ和湍流耗散率ε的输运方程如下:

1.3 壁面方程

Realizable κ-ε模型属于高Re数的湍流模型，针对充分发展的湍流，只能用于求解处于湍流核心区的流动，在本次数值仿真模型中，由于流体在近壁区内的流动，Re数较低，湍流发展并不充分，湍流的脉动影响不如分子黏性的影响大，这样就不能使用所建立的Realizable κ-ε模型进行计算，因此笔者用引入壁面函数法来解决近壁区及低Re数情况下的流动计算问题。壁面函数是对近壁区的半经验描述，用于将壁面上的物理量与湍流核心区内的待求的未知量直接联系起来［4］。非对称壁面函数适合在壁面附近存在很大梯度、回流等流动问题的求解，对于汽车外流存在分离和回流的情形能很好预测，该模型对贴近壁面的网格要求用y+来反映，计算公式为:

式中:δn为贴近壁面的网格离壁面的距离;ν为运动黏度;ρ为密度;Cμ=0.09。

2 CAD模型、网格及边界条件

2.1 CAD 模型

本次数值仿真分析所采用的CAD模型是该款轿车的外A面数模，在进行网格划分之前，必须对CAD数模进行简化处理，将外A面导入CATIA软件，做如下处理:省略外开手柄、天线、部分车灯，对前格栅进气口在保证造型不改变的前提下用曲面进行替换，对底盘进行平整处理，对外A面零件分块处的缝隙用曲面闭合，对车轮车身等部位进行简化处理，如图1。通过以上这些处理，所得到的车身模型在进行CFD仿真时，对外流场的总体特性影响较小，但可以提高网格划分的效率，缩短求解周期。

图1 CAD模型Fig.1 CAD model

2.2 计算区域和网格划分

对与该车型计算区域的确定，根据国外学者的经验，流场仿真计算时所取的计算区域到一定大小时，汽车的流场就不再受计算区域大小的限制［5］。同时考虑到汽车在行驶过程中，尾部气流对汽车的空气动力特性影响较大，并且在汽车尾部很长一段距离内存在，因此在计算区域设定时，将汽车尾部取较长的距离。该车型的计算区域选定为:车身头部2个车长，车身尾部4个车长，车身顶部4个车高，车身侧面3个半车宽，如图2。

图2 计算区域Fig.2 Calculation region

将模型导入前处理软件HYPERMESH，采用三角形面网格对车身表面进行网格划分，整体面网格尺寸采用15～20 mm，对局部气流变化比较剧烈的部位将网格加密，在后视镜处采用尺寸为5 mm网格划分，车身尾部、头部进气隔栅、发动机盖以及雨刮附近采用尺寸为10 mm网格划分，如图3。

图3 车身表面网格Fig.3 Surface grid of car’s body

通过生成的三角形面网格，在计算区域生成四面体网格单元，在车身表面生成3层边界层，边界层的第1层网格是1 mm厚，并以1.2的比例增长，本次仿真整个计算域生成共约300万体网格，如图4。

图4 计算区域体网格Fig.4 Hexahedral grid of calculation region

2.3 边界条件

1)进口面:给定入口速度V=30 m/s，湍流强度(速度波动的均方根与平均速度的比值)为0.8%，湍动能尺度L=0.01 m;

2)出口面:Gradient=0;

3)顶面、侧面和地面:wall边界条件;

4)初始条件:压力P=101 325 Pa，空气密度ρ=1.205 kg/m3，温 度 T=293 K，湍 动 能 R=1 m2/s2，湍动能尺度L=0.01 m，坐标系3个方向速度 u=34 m/s，ν=W=0。

3 仿真结果及分析

将通过前处理软件进行网格划分后的模型，导入CFD求解软件中，通过后处理软件对求解结果进行处理，得到如下计算结果。

3.1 对称面速度分布

如图5，气流经过车身后，在尾部发生了分离，出现涡流。

3.2 流线分布

如图6，车体表面流线比较顺畅，车身外形设计较好。

如图7，气流在后视镜发生分离，出现涡流。在车身尾部出现较大涡流，形成较大压力差。

图7 外后视镜及车身尾部流线分布Fig.7 Streamline distribution of outside rear－view mirror and car’s tail

3.3 压力分布

如图8，从压力分布可以看出，从发动机盖板边缘到保险杠下边缘处压力较大，有助于气流通过隔栅进入发动机舱，利于冷却。前风挡下边缘和轮胎的迎风面压力也较大。

图8 对称面及车身表面压力分布Fig.8 Pressure distribution of symmetry plane and car’s surface

如图9，后视镜迎风面压力较大，将引起较大的风噪。

3.4 风阻系数

风阻系数计算公式如下:

式中:F为x方向空气阻力;A为x方向投影面积;υ为流体流速;ρ为空气密度。

根据数值仿真计算结果，得到如下数据:

空气阻力:477.795 N;风阻系数:0.315。

图9 后视镜表面压力分布Fig.9 Streamline distribution of outside rear－view mirror surface

4 风洞试验及结果对比

4.1 风洞试验

汽车风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成，如图10。

图10 风洞结构Fig.10 Wind tunnel structural figure

洞体有一个能对模型进行必要测量和观察的实验段，实验段上游有提高气流匀直度、降低湍流度的稳定段，使气流加速到所需流速的收缩段，使气流得到梳理与和匀的蜂窝器和阻尼网。实验段下游有降低流速、减少能量损失的扩压段。

驱动系统包括轴流风机和路面移动系统，通过调速装置，可以使风机产生0～60 m/s连续可变的风速，路面移动系统可以模拟真实路面行驶。

测量控制系统其作用是按预定的实验程序，控制各种阀门、活动部件、模型状态和仪器仪表，并通过气动力天平、压力和温度等传感器，测量气流参量、模型状态和有关的物理量。风洞的风速控制、数据采集与实验监控全部集中在主控制室的计算机控制平台。

风洞试验对于验证CFD数值仿真结果的准确性是非常必要的，本次风洞试验所选用的油泥模型如图11。

图11 试验使用的油泥模型Fig.11 Clay model in the experiment

此次风洞试验使用汽车专用六分量气动天平，通过气动天平可以测量在特定风速下，模型所受到的空气动力和力矩，同时为了验证CFD数值仿真的准确性，在车身的头部上进气口、下进气口和雨刮附近分别布置了10个测点，测试这3个位置流场的压力情况，与CFD数值仿真结果进行比对，如图12。

图12 压力传感器测试点Fig.12 Pressure sensor observation point

4.2 结果对比

试验结果显示，该车油泥模型的风阻系数为0.298，测试点静压力与CFD数值仿真结果比较如图13～图15。

从图13～图15看出，上进气口的CFD仿真计算值和试验值偏差较大，下进气口的CFD仿真计算值和试验值比较接近，雨刮附近CFD仿真计算值和试验值也有一定差别，但趋势较为吻合。

通过比较CFD数值仿真结果与风洞实验结果，阻力系数的误差在5%左右，2种方法在几个区域测点的压力分布趋势较为吻合，但是由于选点位置差异、CFD仿真计算本身误差、风洞洞壁干扰、测试仪器校定等原因，测点试验值和计算值之间还存在一定误差。上述的CFD仿真计算结果已经基本可以满足工程精度需要，如果想进一步提高CFD仿真计算精度，可以再细化网格，增加网格数，选取更合理的边界条件，选择更精确的湍流模型。

5 结论

1)通过CFD软件对某款轿车外形进行了三维流场模拟，通过图形化直观地显示该款轿车外形的空气动力学性能。

2)在风洞试验中设置测试点，通过风洞试验得到风阻系数和测试点静压力与CFD数值仿真结果进行对比，对提高CFD数值仿真准确性起到重要的参考作用。

3)CFD数值仿真与模拟试验法、理论分析3者之间相辅相成，理论分析提供CFD数值仿真法的理论基础，模拟试验法通过对试验数据的分析和推理，得出大量的重要结论，不断揭示出各种气动现象，这又推动了汽车空气动力学理论研究的发展，同时模拟试验对CFD数值仿真结果进行验证，促进CFD数值仿真的准确性。CFD数值仿真与风洞试验相互结合，可以有效减少风洞试验次数和时间，降低整车开发费用，缩短整车开发周期。随着CFD数值仿真技术的成熟，将来的风洞试验将更多地用于验证和完善理论上的推断。

［1］谷正气.汽车空气动力学［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］ 陶文铨.数值传热学［M］.西安:西安交通大学出版社，2001.

［3］Shih Tsan-hsing，Willian W.Liou，Aamir Shabbir，et al.A new κ-ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows comput fluids［J］.Computers ＆ Fluids，1995，24:227-238.

［4］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［5］吕明忠，高教岳，傅立敏.计算机数值仿真在汽车外流场分析方面的应用研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2002，14(2):181-184.

LV Ming-zhong，GAO Jiao-yue，FU Li-min.Computer numerical simulation for the analysis of automotive external flow field［J］.Journal of Computer-aided Design Computer Graphics，2002，14(2):181-184.

CFD Simulation and Experiment Verification of Exterior Flow Field of a Car Body

JANG Hong，TANG Peng
(Chongqing Industry Polytechnic College，Chongqing 401120，China)

Based on CFD numerical simulation and adopting Realizable κ - ε model and non—equilibrium wall function，the model for the body surface and its exterior flow field of an automobile was established;exterior flow field of an automobile was analyzed after comparison to that from wind—tunnel test.The results demonstrated that the difference between simulation and test results for drag coefficient was only 5.4%，therefore it could satisfy the engineering demand.There was discrepancy between measure unit and experiment，but the trend was identical.

automobile;aerodynamics;CFD simulation;wind-tunnel test

U461.1

A

1674-0696(2011)03-0470-06

2011-01-10;

2011-02-25

江 洪(1972-)，男，重庆人，副教授，主要从事职业教育及车辆工程应用研究。E-mail:jiang-hongl@126.com。