某轿车车身外流场空气动力学研究

方案的阻塞比大小为2.3%，满足SAEJ1252推荐的模型风洞的阻塞比小于5%的要求[6]。

3.2 网格划分

靠近车身以及车身与地面之间的计算区域由于流动比较复杂，也是研究的重点区域，采用较密的网格划分，这样有利于流场的分析。而在远离车身的计算区域，希望网格生成尽量简便，节省机时，采用较稀疏的网格。最后，网格总数为1209433，节点数为218887。

3.3 软件参数设置

1）在本文计算当中，边界条件设置可见图8，具体参数如下：

（1）入口边界：取车身前远端面为入口边界，计算时给定入口速度条件为25m/s。

（2）出口边界：取车身后远端面为出口边界，边界条件设置压力出口。

（3）固定壁面条件：将车辆模型外表面设置为固定壁面，满足固定壁面无滑移定律。

（4）由于计算机配置有限，无法进行过于复杂的计算，故不考虑地面效应。

2）设定介质物理参数

因为汽车的行驶速度通常为0-300km/h之间，流体介质只为空气。马赫数对于普通轿车来讲远小于1，因此可以认为空气是不可压缩的，且不考虑空气物理参数值的变化，即空气的温度、粘性和压强不变[7]，如表3所示。

本文选择标准k-ε模型作为计算的湍流模型，迭代方式采用SIMPLEC算法，离散格式为二阶迎风格式[8]。

4 结果分析

4.1 气动阻力

根据建模的坐标系方向，y方向为气动阻力方向，选择y方向（0，1，0），显示出车身模型在数值模拟计算中所受到的气动阻力值，如图9。同理，选择z方向（0，0，1），即可顯示车身模型在外流场模拟中所受的的气动升力值，车身模型在外流场模拟中所受的气动升力值，如图10。

4.2 流场图形分析

（1）速度云图

根据图中的箭头疏密程度和颜色可以看出，气流从车头到车尾的空气流动形态。气流在撞击车头后分为两股，一股顺车身模型的引擎盖流向挡风玻璃，另外一股向下沿车身从底部流走。

在车身上部分的气流在引擎盖端缘开始加速，由于受到前风窗的阻挡，气流迅速减缓，并形成一个小的阻滞区，然后速度开始增加，在前风窗与车顶相接处达到最大值。之后，在车身上面的气流速度略有减小，但是数值仍然较大。当气流到达车顶与后风窗相接处的时候，气流速度减小，并发生分离现象，在车身尾部形成了一个涡流区。

在车身下部分的气流则从车身底部和路面之间强制通过，气流并未在车身尾部直接流走，而是沿汽车尾部与车身上表面的气流汇合，并形成涡流区域，因此产生很大的阻力。

图12是对称面速率分布图，从图中可以看出，在尾部有负的速率分布区，图中尾部蓝色区域，即回流区。由于扰动过大，车身底部表面边界层很快发展成湍流边界，且迅速增大甚至充满整个车身模型与地面间的空间。从图中还可以明显看见车身表面气流速度为零，这是附着在车身表面的一层边界层，而且从车身上部流出的气体速度明显高于车身底部流出的气体速度，这两种气流速度的不同，导致了车身产生了向上的升力。

（2）压力云图

根据两个云图可以看出，在汽车头部及四个轮胎的迎风面呈深红色，可见气流受到垂直方向的阻值降为零，全部动压转换为静压。流向车身上方的这部分气流在流过前风窗下边缘时，受到阻力，转化为静压，可见前风窗角影响重大。所以在车身设计时，前风窗应尽量平躺，采用大倾角设计。

在有一定斜度引擎盖上流过的气流速度仍然较快，所以在引擎盖起缘处压力仍为负值，导致该处负压区的产生。当气流到达引擎盖和前挡风玻璃相交处，挡风玻璃的存在致使气流速度降低，形成一个滞区。而且在滞区中有内部涡流的产生，所以该区具有正压力。后风窗处由于顶部的气流受到行李厢的阻碍，所以受到阻力增大，形成局部正压区。

（3）头部气流

由矢量图可以看出，气流在受到车头阻挡后，速度下降很快，几乎到接近于零，并导致阻滞区的形成。速度急速下降后的气流在此处分为两股，一股经引擎盖向上流动，并在前风窗与引擎盖的相交处发生分离，阻滞区再次形成。由于上翘角影响到车身底部与车头前端的过渡区域的气流，致使车身底部气流通过速度较小。

（4）尾部气流

在车身尾部存在有两个旋涡，在车身上面形成的大旋涡按顺时针方向旋转，在车身下方形成的小旋涡按逆时针方向旋转。这是因为当远方的气流流经整个车身后，两股气流中的大部分气流会在身后很远处交汇成一股气流，所以在交汇之前有一段很长的负压区。受负压区的压力影响，从车身顶部和车身底部流出气流中的各一部分气，会被吸进负压区。从而产生了这两个按不同方向旋转的旋涡，这也是气动阻力的最主要来源。

由图17可以看出，湍流动能基本集中于汽车的尾部分离区域，虽然流速较低，但由于受到分离扰动的影响，气流流动紊乱，从而湍流动能比较大，致使湍流耗散率也相对较大，湍流动能最后都转化为热能耗散掉，这也使汽车克服空气阻力多做功。因此要改善汽车的气动性，就应该控制尾涡系数的强度，减弱它的湍流程度，降低气流的湍流能量消耗。

4.3 结果计算

由图9、图10，得到原始模型的结果数据为：

（12）

利用CATIA软件得到在y方向的投影面积，如图18。即迎风面积为：

（13）

阻力系数：

（14）

升力系数：

（15）

根据企业报道，该款实车阻力系数为0.321。

误差为：（0.321-0.317）/0.321=1.2%。满足工程分析需要。

5 优化方案

对汽车空气动力学性能影响因素有：前部上翘角（A），前风窗角（B），后风窗角（C），尾部上翘角（D）。其中前部上翘角主要影响汽车车身底部的气流分布；前风窗角主要影响在车身上部的气流分离点；后风窗角主要影响汽车车身的尾部气流分布，尾部上翘角主要影响气动阻力大小。对A、B、C、D四因子分别提取大、中、小三种水平，生成车身三维模型。构造正交实验表，如表4。

借鉴了相关研究经验[9]，在此范围分为大、中、小三段，分别取代表值。数据的参数分类如下：

A：4-8，9-11，12-16。取7、10、14计算。

B：25-28，29-32，33-36。取27、30、34计算。

C：21-24，25-27，28-31。取22、26、30计算。

D：5-9，10-12，13-17。取7、11、15计算。

由此得到的参数数据如表5所示。

根据表5的影响车身气动性的相关参数建立车身模型。图19为选定第1组数据建立的参数化模型。

将模型导入数值仿真软件，得到各个参数模型所受到的气动阻力和气动升力整理如表6所示。由公式计算得到车身模型阻力系数和升力系数，整理后如表7所示。

为了尽可能的降低燃油消耗和增加附着力，所以要选择阻力系数和升力系数都相对较小的参数组合。对比可知第4组和第7组系数值较小。

可知，四个关键参数的取值范围为：A是10～14°，B是27°，C是26～30°，D是11～15°。

选定A为12°，B为27°，C为28°，D为13°。对该优化后的模型进行数值计算。选定上述参数后的优化车身曲面如图20所示。

数值计算结果显示，优化后模型车身外流场气动性能得到了较大改善。

优化后结果数据为：

（16）

模型理论计算如下：

阻力系数：

（17）

升力系数：

（18）

6 结论

（1）在车身上部分的气流在引擎盖端缘开始加速。在前风窗与车顶相接处达到最大值。当气流到达车顶与后风窗相接处的时候，气流速度减小，并发生分离现象，在车身尾部形成了一个涡流区。

（2）在车身下部分的气流则从车身底部和路面之间强制通过，气流并未在车身尾部直接流走，而是沿汽车尾部与车身上表面的气流汇合，并形成涡流区域，因此产生很大的阻力。

（3）由压力云图显示，前风窗角影响重大。可采用大倾角设计。

（4）要改善汽车的气动性，就应该控制尾涡系数的强度，减弱它的湍流程度，降低气流的湍流能量消耗。

（5）通过正交实验，得到优化模型。即：A为12°，B为27°，C为28°，D为13°。

参考文献

[1] 张国忠，赖征海.汽车空气动力学与车身造型研究最新进展[J].沈阳大学学报，2005（6）：40-43.

[2] 陈振明，尹华鑫.改善汽车空气动力学性能的措施[J].公路与汽运. 2007（5）：4-6.

[3] 徐永康.汽车气动升力的实验与仿真研究[D].长沙：湖南大学， 2014.

[4] 徐勋，许涛.汽车外流场的数值模拟[J].内燃机，2012（3）：26-28.

[5] 李学志，李若松.CATIA实用教程[M].北京：清华大学出版社，2011.

[6] Guilmineau E. Numerical simulations of flow around a realistic gene -ric car model[J].SAE International Journal of Passenger Cars Me -chanical Systems，2014（2）：646-653.

[7] 张伟.EQ1118GA运输车外流场的数值模拟与分析[D].杭州：浙江大学，2006.

[8] 安震，李旭，李居莉.某轿车外流场数值模拟与分析[J].农业装备与车辆工程，2012（12）：48-52.

[9] 龍钢.某车型车身造型设计及空气动力学仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

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