基于不同外形参数模型的汽车外流场仿真

杜子学，张 杰

(重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆400074)

近代汽车设计分析的建模过程通常是CAD和CAE相互独立起来的，首先运用CAD技术建立几何模型，然后将所建的模型导入有限元分析软件中进行网格划分、材料属性定义、边界定义与加载，最后求解和后处理分析。通过对仿真结果的分析研究，再对CAD模型进行设计优化，改善其力学性能，提高其经济效益。但对需优化的模型，若改变其中一个尺寸就需重新建立新的模型，重复的工作带来不少的麻烦。随着计算机集成技术的发展，为了进一步的缩短设计周期，更灵活地针对影响分析性能的特征参数进行修改达到快速建模分析的目的。基于参数化建模技术被提出并得到发展运用。参数化建模技术利用基于特征的CAD技术建立全参数化驱动的三维模型，并以此为基础，对整体设计和部件进行有限元分析。

在此基础上，笔者运用三维建模软件建立某型汽车的几何模型，并基于其知识工程模块提取影响其空气动力学特性的一组功能参数前风窗角(FWW)、后风窗角(BWW)、接近角(AFA)、离去角(DRA)，通过改变这些参数得到8种不同的汽车模型。将得到的参数化模型进行网格划分然后导入计算流体力学软件Star-ccm+对其进行空气动力学模拟分析。模拟出不同参数模型下的阻力系数和升力系数，并分析不同参数模型下对汽车气动性能影响。但由于汽车表面外形曲率多变化，结构的复杂性，为了保证其完整的几何拓扑关系，对汽车外形做了许多的简化工作。在参数设置时，每组参数的数值变动相对较小，在此谨做一次尝试性试验。

1 模型的建立

1.1 几何模型设计分析

参照某型汽车的车身外形，对其进行几何简化后将汽车的尺寸参数进行分类，分为1级尺寸、2级尺寸和3级尺寸。1级尺寸是汽车必备的基本尺寸，大致列为总长、总宽、总高、轴距、轮距和轮胎直径;2级尺寸是为目前已设计成熟的部件尺寸，也是本模型中不作单独设计的影响汽车空气动力学特性的尺寸，大致列为发动机罩长、发动机罩上端距地面高度、发动机罩宽、顶盖上绕纵向跨度、侧面侧倾横向跨度、侧面外鼓距离等;3级尺寸为本模型单独设计的影响汽车空气动力学特性的尺寸。分别是前风窗角(FWW，即前风窗弦线与水平线的夹角)、后风窗角(BWW，即后风窗弦线与水平线的夹角)、接近角(AFA，即从汽车前部下端引向前轮胎胎面的切面与地面之间的最小夹角)、离去角(DRA，即从汽车后部下端引向后轮胎胎面的切面与地面之间的最小夹角)。提取这些参数，以期达到改变某一个参数或同时改变某几个参数生成不同汽车模型的目的。具体参数设计草图如图1，从图中可清晰看出3级尺寸参数的位置。

图1 3级尺寸参数设计草图Fig.1 Parametric sketch of three dimension

所建模型的部分参数。1级尺寸:总长La=4 600 mm，总宽Wa=1 400 mm，总高Ha=1 620 mm，前后轮胎轴距Lb=2 800 mm，轮胎直径520 mm;2级尺寸:发动机罩的总长9 000 mm，C点坐标(1 200，1 000)、D 点坐标(1 200，3 800);3 级尺寸(即影响汽车空气动力特性外形参数):前风窗夹角，后风窗夹角，接近角以及离去角，设计的8种模型的具体参数值如表1。

表1 8种模型参数Tab.1 Parameters of eight models

8种参数下的模型如图2，通过改变一个参数或同时改变几个参数CAD模型分别呈现出了不同的变化。由于在建模的过程中作了一些简化处理，大致描绘出了汽车的基本外形轮廓。

图2 8种参数下的汽车模型Fig.2 Car models of eight parameters

1.2 网格模型建立

因前方来流相对于车体纵向对称面并无气流偏角且兼顾节省内存耗用时间，故选取计算区域纵向对称的一半为计算对象。通过对CAD模型进行网格划分，网格重构，局部加密以及Trim体网格的生成，各组模型下的面网格数量在91×105左右，体网格数量在281×105左右。体网格模型如图3。

图3 汽车外流场Trim体网格Fig.3 Trim mesh of car external flow field

2 计算条件设定

本次在Star-ccm+中进行风洞仿真模拟有2大特点:①基于某一参数的改变，通过某一局部参数的改变，对汽车外流场的影响的显著性是有限的，因此在检测的阻力系数、升力系数和行驶阻力时，保留了相对多的有效数字位数，以便于分析对比;②计算时所采取的湍流模型是SST κ-O模型，这一模型由湍动能κ和湍流脉动涡量的均方值O表征的二方程湍流模型。

2.1 计算理论基础

气流流动要受到物理守恒定律的支配，而基本的守恒定律有质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。控制方程则是对这些守恒定律的数学描述，基本的控制方程包括:质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。模拟汽车外部流场的运动状况除了这些基本方程外，湍流模型的选择对于数值模拟汽车外流场的精度影响很大。针对湍流模型的选择上，本次模拟在使用标准κ-ε模型基础上，又添加κ-O模型，组成双方程SST湍流模型。κ-O模型的控制方程如式(1)、式(2)。

湍动能κ方程表示为:

SST湍流模型是由κ-ε模型和κ-O模型组合推导得出的双方程模型，组合后的双方程会在近壁面区采用κ-O模型而在远壁面区采用κ-ε模型，从而避免了来流微小扰动对模拟计算的影响。SST κ-O模型适用于低雷诺数下的近壁区处理，能适应压力梯度变化的各种物理现象，可应用于黏性内层，通过壁函数的应用，精确地模拟边界层的现象，无需使用较容易失真的黏性衰减函数，且能大范围捕捉近壁区之外的分离流动，适用于分析汽车外部流场。

2.2 边界条件设定

为了保证相对较高的计算精度和较好的对比性并考虑到现有硬件设备的局限性，本次模拟所采用的计算域分别设置为车前端为3倍车长，车后端为6倍车长，侧面为3倍车宽，高为3倍车高。设置6层边界层，边界层厚度为0.6 mm。汽车外流场CFD模拟的边界条件主要包括进口边界条件、出口边界条件、壁面边界条件和对称面边界条件等。因为计算过程中未考虑侧向风和温度的影响，进口为速度进口，模拟百公里时的工况，出口为压力出口，采用一个大气压。

3 结果分析与比较

3.1 风阻系数和升力系数

对每种参数模型下进行汽车外流场仿真模拟，并监测其风阻系数Cd、升力系数Cl，如图4。

对照原设计参数，分析更改参数之后的Cd、Cl值的变化情况。从图4可以看出:

图4 Cd、Cl曲线图Fig.4 Curves of Cd ＆ Cl

1)参数2在原设计模型基础上增大前风窗角，理论上风窗玻璃纵向曲率越大越好，但不宜过大，否则导致工艺难实现、视觉失真、影响刮雨器的刮扫效果。前风窗玻璃的横向曲率均有利于减小气动阻力。前风挡玻璃的倾斜角度(与垂直面的夹角)越大，气动升力系数略有增加。这组数据的改变较之原设计参数Cd值减少、Cl值增加，符合这一理论。

2)参数3改变后风窗角的大小，后风窗斜度(后风窗弦线与水平线的夹角)增大，阻力系数较之原设计模型有所降低，升力系数有所提高。

3)参数4只是在原模型的基础上减少了接近角的度数，接近角度数的减少直接造成车头头缘的最大离地间隙变小，则引起的气动升力减小，甚至可以产生负升力。这里的升力值(0.067)较其他参数下的明显减少，印证了这一理论。

4)参数5只增大汽车离去角，气动升力减小。3组优化参数的设定，也相应得出不同的阻力系数和升力系数值。

3.2 流场特性

阻力系数和升力系数的变化，反应出不同参数模型下对气动性能的影响情况。在后处理中，还监测了车身表面的速度矢量图(图5)，通过直观的视图效果分析流场特性。

从图5中可以看出，通过对这些参数进行小幅度的改变，在汽车前风窗和尾部的流体在不同模型下发生了一些改变。从图5(b)参数2模型上可以看出增大前风窗角，汽车顶部的气流分离加剧，速度增大;从图5(c)参数3模型上可以看出后风窗角增大，导致气流在后风窗后的滞留量增大，造成前方气流不利于向后顺利流动;从图5(d)参数4模型上可以看出增大接近角，会影响到前方来流进入汽车底板的通量，大量气流进入底板，造成升力系数上升。图5(e)参数5模型增大了离去角，车尾最大离地间隙越大，车尾底部的流线越不明显。3组优化参数的设计在汽车尾流出产生了各自不同的气流状况。图5(f)参数6模型上的尾部下压和上卷气流比较均衡。图5(g)参数7模型上，尾部下压气流明显增多，上卷气流减少，造成升力值增大。图5(h)参数8模型下的下压气流相对5(f)参数7模型要小些，因此升力值也相应减少些。

图5 车身表面速度矢量图Fig.5 Velocity vectors of body surface

4 结语

根据分析可以得出以下结论:

1)汽车前端前凸且高不仅会产生较大的阻力而且还将会在车头上部形成较大的局部负升力区。

2)具有较大倾斜角度的车头可以达到减小气动升力乃至产生负升力的效果。

3)后风窗斜度(后风窗弦线与水平线的夹角)对气动阻力影响较大，对斜背式轿车，斜度等于30°时，阻力系数最大;斜度小于30°时，阻力系数较小。

4)车尾部最大离地间隙越小，车尾底部的流线越明显，则气动升力越大。

本文分析过程虽然在CAD模型的改变上省去了很多重复的工作，但在Star-ccm+进行外流场分析时仍然是耗费了大量的时间用在重复的分析流程上。因此，后续的研究工作可将这一流程自动化，以基于影响空力学的参数对Star-ccm+进行二次开发，设计一个计算平台，通过输入不同的参数，得到不同的分析结果。尤其是在分情况进行不同参数的比较论证中，二次开发这种减少重复工作的优点体现得更为明显。这是对CAD、CAE、CFD集成技术的一个挑战，必将成为快速设计的发展趋势。

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