车身外流场数值模拟

李楚琳，李堰

（湖北汽车工业学院 汽车工程系，湖北 十堰 442002）

车身外流场数值模拟

李楚琳，李堰

（湖北汽车工业学院 汽车工程系，湖北 十堰 442002）

对某轿车车身的外流场进行了数值模拟，并分析了后风窗斜度对车身空气动力性能的影响。采用Hypermesh得到高质量的流场计算网格，运用Fluent求解计算，得到流场的CFD分析数据。利用HyperMorph实现车身网格的变形，在此基础上分析后风窗斜度对车身空气动力性能的影响。结果表明，小斜背的阻力系数较小；不是所有斜背汽车在后风窗斜度为30°时都会出现气动阻力系数峰值现象。本文所介绍方法可以应用于汽车的空气动力学设计，完善汽车的空气动力性能。

车身外流场；数值模拟；后风窗斜度

随着汽车行驶速度的提高，汽车的空气动力特性对汽车的动力性、经济性以及安全性的影响也越来越显著。应用CFD数值模拟汽车外流场，因为具有可预先研究、不受条件限制、信息丰富、成本低和周期短等特点，目前已广泛应用于汽车外流场的研究。本文以某轿车为例，对外流场进行了数值模拟，并研究了车身外形参数对空气动力性能的影响。

1 车身外流场的数值模拟

1.1 几何模型

考虑到计算机硬件条件的限制，对实车模型作了简化处理，省略了车灯、门把手、后视镜、保险杠、车轮等，并对车身底部作了平整处理。

1.2 计算域的确定

参照文献［2］，计算域取车身前方1倍车长，车身侧面2倍车宽、车身后方3倍车长，高度为4倍车身高。计算域如图1所示。

图1 计算域

1.3 网格模型的建立

在计算区域模型生成后，要对该区域进行离散化，即生成车身外流场的网格模型。在网格划分时应考虑以下原则：

1）网格应力求简单并贴体。2）在有涡区，网格要有适当的密度。3）在圆弧过渡处，网格要加密。4）汽车几何形状复杂，求解区域较大，应按照离车身距离的不同来划分网格。

另外，为了得到高质量的网格，采用HyperMesh进行前处理。考虑到车身外流场的边界层对汽车的空气动力性能有很大的影响，边界层的网格采用五面体和六面体网格，而其他区域采用四面体网格。并且边界层的网格更加密集。流场网格纵切面和边界层网格如图2所示。

图2 网格纵切面和边界层网格

1.4 流体介质特性

流体介质是空气，在一个标准大气压，海平面高度、15°C时的密度为1.225 kg/m3，运动粘性系数为1.4607×10-5m2/s。当马赫数小于0.3时，可以认为空气是不可压缩气体，因此在此将车身外流场的流动视为定常、不可压缩三维流场且按湍流处理。

1.5 边界条件及初始条件设定

进口设为速度入口边界，沿运动方向的速度取30 m/s，而另外两个方向的速度分量为0。 出口为压力出口边界，相对压力为0。各壁面满足无滑移边界条件，速度为零。压强为一个标准大气压。选用标准k-ε模型，分别取k为0.024,ε为0.01。

由于是不可压缩流体，故选择分离式求解器，不激活能量方程。

1.6 车身外流场计算结果

在Fluent中求解，计算结果收敛。图3为车身外流场压力云图以及纵对称面流线图。

在车身正前方气流受阻，压强大，为正压区，气流分为2股，上部气流受到车头吸力峰的作用，流速加大，压强为负压。在发动机盖上部，由于前挡玻璃的作用，产生正压区，发生气流分离，在前挡玻璃顶部气流再次附着，当车头造型不理想时，在发动机罩的上部会存在一较大的气流分离区，车头也会存在较大的正压区。在客舱顶部，因为车顶吸力峰的作用，流速达到最大，压强为负压。在尾部行李箱盖上部和汽车后部，出现高压区，发生气流分离，并在尾部形成尾流，尾流是造成汽车空气阻力的主要原因。尾部造型不理想的汽车，会出现较大的尾流区。

图3 压力云图和纵对称面流线图

由压力云图可看出，车身上部和底部之间存在压强差，这种压强差形成了汽车的升力，同时，也可看出，前挡玻璃前存在正压区，此正压区对于阻力特性而言，是不利的，但是有助于减小汽车的升力。

由流速流线图可看出，在汽车的尾部有一段死水区存在，在死水区的气流的流动是非常复杂的，死水区内存在着大尺寸的涡旋。在距离汽车一定距离上，气流出现了倒流现象，从这个位置开始，随着距离的增大，速度损耗越来越小，直到距离汽车很远处速度接近来流速度。从这个位置向前，是大面积的倒流区，速度变化很大，在这个距离内存在着2个涡旋。一个涡旋在上，成顺时针旋转，另一个在下面，成逆时针旋转。

2 后风窗斜度对气动性能的影响

由于汽车的尾部形状对汽车的空气动力性能具有较大的影响，理想的尾部形状是汽车造型设计的重要设计目标，而后风窗斜度是气动阻力的主要因素之一，在此，分析通过数值模拟的方法分析后风窗斜度对气动性能的影响。

2.1 改变尾部形状

利用HyperWorks中的HyperMorph模块可以根据需要自动均匀实现网格形状的改变。首先建立控制域和相应的控制柄，通过操纵控制柄可以实现网格形状的改变。

在此，改变汽车后风窗的斜度，得到4个不同的尾部形状，如图4所示，进而得到不同的流场网格，最后分别进行求解计算。

图4 域、控制柄和后风窗形状的改变

2.2 结果分析比较

2.2.1 空气阻力系数和升力系数

不同后风窗斜度对应的空气阻力系数和升力系数如表1所示。

表1 空气阻力系数和升力系数

本文进行数值模拟时，简化了车灯、门把手、后视镜、保险杠、车轮等，还对车身底部作了平整处理，没有进行车轮的转动和地面移动的模拟，这些对整车升力和气动阻力都有较大影响，所以得得到的阻力系数和升力系数均较小，接近于理想值。

通过对汽车后风窗改型后的汽车车身外流场数值模拟得到该车的气动阻力系数和气动升力系数随后风窗斜度的变化规律。由于对后风窗斜度的改变不大，阻力系数和升力系数的改变不明显。由表1得出：1）此车身的升力系数很小，较好地解决了升力问题，在30°时得到升力系数CL的最小值；2）气动阻力系数CD在一定范围内随着斜度的增大而增大，小斜背的阻力系数较小；3）在原型基础上减小斜度后，阻力系数减小，但是升力系数增大；4）在30°（原型）时，并未出现文献［1］所述的气动阻力系数峰值现象，这是由于此车身尾部带有较为理想的锥度［1］。因此，综合考虑阻力系数和升力系数，后风窗斜度为30°（原型）的车身具有较优的空气动力性能。

2.2.2 尾部速度云图

图5为4种后风窗斜度的车尾对应的纵对称面的速度云图。由图可知，4种不同形状车尾尾部涡流的形成、发展和耗散的过程很相似。斜度25°和30°的尾部边界层的分离较迟，具有较小的尾流区域。斜度35°的尾流区较大，斜度40°的尾部边界层过早分离，尾流区最大，引起较大的空气阻力系数。因而从速度云图上可以得出与表1相似的结论，即斜度25°和30°时具有较小的空气阻力。

图5 不同形状尾部的速度云图

综合考虑表1中气动阻力系数和气动升力系数的计算结果，比较4种不同形状尾部的流场，可知：后风窗斜度为30°（原型）的车身空气阻力系数与升力系数均较小，为较优方案。

从尾部速度分布和压力分布可以看出，改型后尾部流场中漩涡区和尾部后面的正压区都明显增大，当汽车后风窗斜度为30°时，尾部漩涡区和正压区均是最小的，有效控制了漩涡区的流动，减少气流在此区的能量消耗，从而降低汽车的气动阻力和升力。

3 结论

本文运用数值模拟的方法对某轿车的车身外流场和气动特性进行了分析和研究。经过研究，得到如下结论：

1）气动阻力系数CD在一定范围内随着斜度的增大而增大，小斜背的阻力系数较小；

2）不是所有的斜背式轿车在后风窗斜度为30°时都会出现气动阻力系数峰值问题，带尾锥度的斜背就可以避免气动阻力系数峰值现象；

3）本文所分析的车身较好地解决了阻力和升力问题，具有较优的空气动力性能；

4）采用Hypermesh可以得到高质量的流场计算网格，HyperMorph可用来实现汽车车身网格的变形，并在此基础上定义形状变量。

5）本文所介绍方法可以应用于汽车的空气动力学设计，完善汽车的空气动力性能。

在进一步的研究中，可采用HyperMorph定义形状变量，结合Fluent和Hyperstudy实现车身的形状优化设计。

［1］谷正气.汽车空气动力学［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］傅立敏.汽车空气动力学数值计算［M］.北京：北京理工大学出版社,2001.

［3］谢金法.高速轿车车身绕流场的三维数值模拟及试验研究［J］.长春：吉林工业大学,2000.

［4］王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004.

Numerical Simulation of Outer Flow Fields for Car Body

Li Chulin,Li Yan
（Dept.of Automotive Engineering,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China）

The outer flow fields of a car body are numerically simulated in Fluent and the influence of the slope of the rear windshield on aerodynamic property is analyzed.The grid of the flow field is got in HyperMesh,the simulation problem is calculated in Fluent,and the CFD data of the car is obtained.The slope of the rear windshield is changed by using HyperMorph and the influence of that on aerodynamic property is analyzed.The result shows that the cars with smaller slope of the rear windshield have smaller drag factor,and not all of cars with inclined back reaches the peak of drag factor when the slope of the rear windshield is about 30°.This study is beneficial to designing car bodies and improving the aerodynamic property of cars.

outer flow of car body;numerical simulation;slope of rear windshield

U463.82+1

A

1008-5483（2011）02-0009-03

2011-03-21

湖北省教育厅重点科研计划项目（B200623009）

李楚琳（1969-），女，湖北麻城人，副教授，从事汽车CAD与CAE方面的研究。