浅析汽车外流场分析在汽车设计中的应用思考

贾慧利　赵永丰

1、引言

利用计算流体动力学软件，能够有效进行流体流动、传热以及相应的传递现象的系统分析，在航空、铁路运输以及汽车方面有着广阔的应用空间。利用CFD的基本思想，能够有效利用系列化的离散点的变量值的集合来替代原有的空间域和时间域上的连续物理量场，在一定的规则要求下，能够建立相应的反映离散点的变量关系的代数方程组，利用上述方程组的求解，得到相应的场变量的近似解。汽车的应用随着快速发展的经济需求而显得越来越重要，对于汽车的性能，特别是涉及到振动、噪音、平顺性以及节能方面的要求越来越高，这些都涉及到空气动力学知识。在传统的汽车动力学分析工作工作，主要是利用风洞进行实测分析，这样的试验周期比较长，成本造价比较高。近几年，计算机模拟仿真技术与湍流技术发展飞速，可以利用高性能计算机完成原有的风洞实验室才能完成的试验，这样能够有效节省开发成本，大大缩短开发周期。一般来说，尽管试验具有较高的可信度，但是，如果把汽车外流场分析模拟技术应用于汽车开发设计中，有效结合具体的试验，这样无疑能够有效缩短汽车设计的周期。

利用有效结合传统试验方式，能够对于汽车开发具有重要意义，在降低成本的同时，还能有效缩短工期。在进行具体的车型的外流场的分析过程中，通过给定的迎风面积、风阻系数等参数确定，利用软件有效预测车型的最大车度、加速度等情况。能够得到该车型的表面压力分布云图，以及车身的流线图等信息，可以有效判断新车型外形设计的有效性。所以，应用计算流体动力学软件（CFD）的流场分析，能有效指导进行汽车的具体设计。

2、模型处理与网格划分

由于汽车车身表面存在着大量的细微特征，如果想要对于上述的详细特征进行有效模拟，则会导致出现数目巨大的网格单元数，使得计算求解的时间大大增加，所以，应该在进行计算模型处理过程中，进行一定的几何模型的简化处理。

2.1CAD模型的前处理

根据实际工况要求，利用软件对于汽车模型进行有效的简化处理，处理底盘部分为一个完成的平面，保留相应的门把手、后视镜、轮胎以及行李架等部件，然后，能够有效缝合相应的车身表面以及底盘，这样就可以形成一定的有效特征表面，能够将汽车模型简化成为封闭的壳体，这样就能保证在其周围形成一定的空气域。

2.2有限元模型的前处理

贴体网格则是在网格生成中采用的技术，主要为了能够更好模拟车身周围的流场情况，特别是涉及到车身影响周围的流体是否产生分离以及附着的情况，这样能够比较好地得到车身表面的流动情况，另外，还把边界层网络设置在车身外，这样就是在边界层外能够有效对于网格大小进行控制，合理控制网格规模。这里主要把车身的外表面生成有效的三角形网格，每个单元的大小大约为10mm左右，计算与单元范围在50～400mm。总体单元网格数量在240万左右，能够实现网格的总体的过渡平缓、均匀变化。

3、模型分析条件及结果分析

3.1初始条件设置

根据实际条件，设定风洞边界入口速度为30m/s，压力出口则为出口的边界条件，其中，空气密度为常温下的1.18415kg/m3，并不考虑温度的影响，为了有效接近实际工况，这里选择湍流模式为Realizable k-ε模型，壁面函数则是采用Two-layer Ally+ Wall；计算过程中，选择一阶迎风格式，尽管使得收敛速度有所降低，但是保证计算精度的要求，并设置计算步数为6000步。

3.2求解结果分析与思考

在上述的初设条件设置完成之后，利用流体动力学软件进行计算并分析，根据上述边界條件以及具体的物理模型，进行外流场的特性分析，主要结果分析如下。

从行驶过程中的汽车的车身表面的压力分布可以看出，不同的压力云图表示汽车车身不同位置所具有的不同压力值，其中，前保险杠处、进气格栅处的压力最大，大约为560Pa，这就说明前端滞止区域影响范围较大，使得阻力有所增加。而在尾涡区域，存在变化比较小的压力梯度，使得尾涡区域的影响范围有所减少，阻力减少。另外，在前轮胎外侧、后视镜边缘等位置，出现了较低负压区，值得注意。

图1则是车身对称面上速度分布情况，另外，从车身对称面的速度矢量分布情况，以及车身后面位置的速度分布，可以看出，由于车体的影响，会造成阻碍作用，气流则会在汽车头部形成一定的滞止区域，出现一定的高压区；同时，车底部的气流则能够表现为较为流畅的情况；而车尾位置则能够呈现出明显的旋涡分布。

另外，根据车身尾部流线图、侧视流线图的情况，可以看出，流线呈现出能够贴合车身表面而流动，在整车的表面流程状态较好，涡旋在汽车尾部出现。根据左、右后视镜的流线情况，进行分析，可以看出，后视镜的镜壳处产生流线，其并没有贴近车窗玻璃，同时，镜座处的流线则呈现出贴近车窗玻璃的情况。

4、空气阻力系数的计算

根据气动阻力计算公式，并结合气动阻力系数的计算公式，可以看出，经过软件模拟，得到的空气阻力数据为，F=423.57N，迎风面积则为A=2.765m2，空气阻力系数C=0.314.

在进行模拟仿真计算过程中，简化处理了发动机舱进气格栅，并没有考虑相应的发动机舱内流场的阻力的影响，将地板进行简化处理为一个大平面，这样必然会造成仿真结果具有一定的误差。经过相关的风洞试验，可以确定修正系数在20%左右，这样能够有效对于该车型的风阻系数进行预测。

5、结语

经过数值模拟仿真，模拟的流场特性可以得到，整个车型的流动性比较好，具有明显的贴体性能，整车表面的流线光顺，符合设计要求，并没有出现较大曲率的流动曲线，在尾涡之外，并没有呈现出流动分离以及回流情况，另外，在尾涡区域内具有较小的压力变化梯度。同时，在部分区域内部，还存在性能降低、阻力降低的区域，比如挡风玻璃的压力分布问题等，还需要进一步的优化处理。

（作者单位：1.芜湖职业技术学院；2.奇瑞上海技术中心）