CFD在某轻卡车身外流场中的应用

张 鑫

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

CFD在某轻卡车身外流场中的应用

张 鑫

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

CFD（计算流体力学）软件以电子计算机为工具在汽车动力学上得到广泛应用，使用离散化的数学方法，对问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，从而预测和改进汽车的气动性能，对汽车产品设计起指导作用。利用CATIA软件对某轻卡车身（含驾驶室、货厢）进行三维建模，并利用ANSYS FLUENT模块对其外流场进行数值模拟，通过所得数据分析车身外流场实际情况，为优化汽车性能提供理论依据。

CFD；车身；外流场；数值模拟

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-146-03

引言

汽车空气动力学（Automobile aerodynamics）空气动力学的一个分支，是研究汽车与周围空气在做相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的学科，还是汽车设计当中的一项重要环节，影响着车辆的动力性、经济性与操纵稳定性。从整车性能层面而言，气动阻力在影响车辆驱动力的同时影响燃油消耗率。

汽车行进时所受阻力大致可分为机械阻力和空气阻力两部分。随着车速的提高，空气阻力所占比例迅速提高。汽车空气阻力由压力阻力和摩擦阻力构成，压力阻力又分为形状阻力、干扰阻力、内循环阻力、诱导阻力，压力阻力对空气阻力影响最大，约占91%。

1 车身建模及网格划分

采用CATIA软件来建立驾驶室、导流罩三维模型，货厢采用简易模型。为了提高计算效率，对模型实体表面进行简化处理，雨刮器、门把手、后视镜等部件忽略，其他不影响流场或影响较小的的部位做平整处理。

模型参考实际尺寸，外形长度9835mm，宽度2550mm，高度3900mm，货厢宽度2400mm，高度2691mm，几何模型如图1。

图1 车身三维模型

将三维模型转换为STP格式导入ANSYS，利用集成在Workbench平台中的ICEM CFD生成表面网格，使用自动生成与人工干预相结合的方式生成计算网格，为简化计算取对称面网格如图2。

图2 对称面流域网格示意

采用四面体网格单元对模型划分为232553个单元，网格质量如下：

2 边界条件确定与数值仿真

在静止空气中建立绝对坐标系，汽车在静止空气中以匀速V做直线运动，此时在车身周围引起的流体运动是不定常的，若让汽车静止，由空气以匀速V正向流过汽车，则流线与迹线重合，成为定常流，通过转化为定常流简化问题，可以大大减少计算时间。

在计算车身外流场时需要给定边界条件，包括进口边界、出口边界、壁面边界等。本例进口边界采用速度进口，v=22.223m/s，即80km/h，出口边界采用压力出口；壁面边界为静止壁面。

流体为空气，空气在一标准大气压下，常温时的密度ρ=1.169kg/m3，动力粘度系数μ=1.8448×10-5kg/ms。为对于空气来说，当风速小于三分之一声速（即408km/h）时，可以认为是不可压缩气体，故结合实际情况认为汽车车身外流场是等温、定常、不可压的粘性湍流流动，控制方程组采用雷诺平均N-S法（RANS），选用标准k-ε模型，计算残差为1e-5。

3 外流场仿真的结果与分析

迭代300步后发现计算已收敛，图3为残差变化情况。通过后处理可以得到任意截面的压力云图、速度云图、速度矢量图。

图3

图4 、图5、图6、图7为对称截面的车身外流场压力云图、速度云图、速度矢量图、涡流动能云图。

图4 对称截面的车身外流场压力云图

图5 对称截面的车身 外流场速度云图

图6 对称截面的车身外流场速度矢量图

图7 对称截面的车身外流 场速涡流动能云图

可以看出，由于来流与驾驶室头部相遇，气流受到阻滞，使气流速度大大降低，气流产生分离形成两股对车身的绕流。在分离点周围，压力高于周围受扰动的区域，且随着流速增大呈减小趋势，形成一个正高压区。由于车身模型为轻卡，且在驾驶室挡风窗部位不存在明显的气流的分离与重新附着，故不存在明显的分离气泡。

在导流罩顶部，由于流速较高，形成低压区，改变导流罩外形能很大程度的改变压力的分布，而货厢稍高于导流罩，故重新产生了气流的分离，出现高压区。

在货厢尾部产生气体分离，从而出现尾涡流，形成“真空区”，此区域是一个较大的负压区。

在车身附近存在两个大的涡流区：驾驶室前部和货厢后部。前部涡流区的产生是因为在这个区域存在明显的气流分离现象，后部涡流区的产生是因为在汽车底部和汽车顶部的两股绕流重新汇合造成的。

4 优化

由上述分析可知，导流罩顶部低于货厢会造成新的气流分离，故可考虑改进导流罩来减小空气阻力系数，即在保证基本外形不变的情况下增高导流罩高度。

除导流罩外形外，其他已知条件均不改变。图8、图9、图10、图11为改进后对称截面的车身外流场压力云图、速度云图、速度矢量图、涡流动能云图。

图8 对称截面的车身外流场压力云图

图9 对称截面的车身 外流场速度云图

图10 对称截面的车身外流场速度矢量图

图11 对称截面的车身外流 场速涡流动能云图

由上图可知，驾驶室前方最大压力减小，导流罩上部气流分离趋势减小，货厢后半部分的分离气泡减小，故气动阻力存在减小的趋势。

表1

由上述输出数据可知，加高导流罩后空气阻力系数比原导流罩减小10.74%，故优化后车身的气动性能得到改善，轻卡燃油经济性得到优化。

5 结论

本例通过CFD软件，模拟了某轻卡车身外部流场，可以得出以下结论：

（1）车身外部造型对汽车空气动力学性能有很大影响，进而影响整车动力性、燃油经济性、操纵稳定性。

（2）使用CFD方法所得的车身外流场符合客观规律，在产品前期开发阶段，可以大大缩短开发周期，节约开发费用，其结果具有重要参考价值。

（3）依靠CFD方法优化设计，可以缩减实验时间与经费支出，大大加快产品更新升级。

[1] 孟生才,陈倩云.基于CFD的汽车外流场数值模拟[J].齐齐哈尔大学学报,2004,30(4).

[2] 李萍锋,张翠平,李红渊,武玉维.FLUENT在某轿车外流场中的应用[J].农业装备与车辆工程,2009,9.

[3] 唐家鹏.ANSYS FLUENT 15.0超级学习手册[M].北京:人民教育出版社,2016.

[4] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2004.

The application of CFD in a light card body drain

Zhang Xin
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

CFD (Computational Fluid Dynamics) by means of the electronic computer is widely used in vehicle dynamics,using the mathematical method of discretization, to carry out the problems in the numerical experiment, computer simulation and analysis, to predict and improve the aerodynamic performance of vehicle, and to play a guidance role of vehicle product design. Using CATIA to do 3d modeling of a certain light truck body (including the cabin and packing case ), and using ANSYS FLUENT to move on to the simulation of external flow field, through the data from the cab to analyze actual situation of external flow field, as to provide theoretical basis for optimal performance.

CFD; light truck body; external flow field; numerical simulation

U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-146-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.049

张鑫（1993-），男，助理工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司轻型车研究所，主要从事汽车底盘方面的设计工作。