基于CFD的太阳能汽车的气动外形分析

中北大学机电工程学院 李东风 肖丰乐

随着科技的发展和社会的进步，汽车逐渐融入了人们的生活，成为人们生活必需的交通工具，但众所周知，这也给环境带来了巨大的污染。在我国，汽车尾气排放量占城市总污染份额已达到了25%～40%，在大城市的温室效应中40%来自汽车尾气排放[1]。一般汽车使用石油产品作为燃料，然而石油属于不可再生资源。为了减轻汽车尾气排放对环境的污染并应对能源危机，目前一条行之有效的途径就是寻求无污染、可再生能源替代石油产品作为汽车燃料,太阳能就是可替代能源之一。太阳能汽车是利用车身上的太阳能电池板将太阳能转化为电能，通过电动机驱动汽车的一种新能源汽车。

但是目前太阳能汽车还没有大面积的普及，一个重要原因就是太阳能电池板的能量转化率太低，使得汽车的续航距离不足，所以如何提高太阳能汽车的续航距离成为急需解决的问题[2]。研究表明，车速超过100 k m/h时，绝大部分的功率都消耗在克服空气阻力上[3]，所以汽车车身的气动性能对太阳能汽车续航能力的强弱起到至关重要的影响。由于风洞试验成本高昂而计算机却在不断发展和应用，目前多采用计算流体力学技术（CFD-Computational Fluid Dynamics）对汽车外形的气动性能进行分析，目前这一技术已成功为客车[4]和磁悬浮列车[5]完成气动外形分析，所以本文采用CFD技术对某太阳能汽车的气动外形进行分析，为科学评估太阳能汽车的车身气动性能提供依据。

1 车身模型

在数值模拟过程中仅需要对车体周围的流场整体考虑，由于汽车的外形复杂，细节很多，网格生成困难，计算量大大增加，所以要对车身进行理想化处理，如图1所示。汽车模型是对称图形，所以为了提高分析的效率，采用对称模型，如图2所示。随着非结构网格技术的发展，完全可以采用对汽车的流场划分非结构网格的方法，而汽车附近的气流变化剧烈可以在车身附近对网格进行适当的加密以捕捉复杂的气流变化，如图3所示。本文入口采用速度入口，速度为33.3 m/s，出口为压力出口，压力为一个大气压，即101325 Pa，计算中不考虑温度的影响。考虑到地面效应的影响[7]，所以汽车的气动外形分析和飞机不同，必须有一定的离地距离。

图1 太阳能汽车模型

图2 计算域和边界条件

图3 汽车外流场网格模型

2 计算结果与分析

汽车外形决定汽车车身表面压力分布情况，在该方面的研究对汽车所受气动力的分析有着重要的影响。从图4对称面上的压力云图可以看出，车身前部，挡风玻璃和行李箱盖后缘等压线比较密集，这意味着压强梯度大，而正压区和负压区压强梯度大意味着该区域平均压强大和流动能量损失大，两者相互作用的结果就是气动阻力大。

图4 纵对称面上的压力分布

车身前部、前挡风玻璃等处都有一定的正压区，如图5（a）所示，这是由于这些区域直接承受气流的冲击，它们是构成整车气动阻力的主要因素。一般可以通过改进车头和挡风玻璃的形状，以减小车头和挡风玻璃的正投影面积，这样会减小气动阻力。在车身的行李箱部位呈现出较大的负压区域，如图5（b）所示，这是由于从后风窗玻璃冲击下来的高速气流由于受到行李厢的屏蔽作用而使厢体后部呈现一个压强较低的区域，而且从车体顶部、侧面、底部汇流入厢体尾部的较高压强的气流在此形成了大尺度的漩涡，漩涡消耗了大量的能量，从而使后部呈现负压。本车身模型所受的压差阻力和粘性阻力分别为7970.78 N和1473.81 N，对于一般汽车来说压差阻力远远大于粘性阻力，但是由于太阳能汽车车身表面需要安装大量太阳能电池板，所以需要车身表面积较大，这就导致了粘性阻力相对也较大。

图5 车身表面压力云图

3 结论

采用CFD技术完全可以分析太阳能汽车车身的气动性能，在日后的汽车研发领域，CFD技术正是预测整车外流场设计开发的重要工具。风洞试验成本昂贵和试验周期长，而且取得整个流场详细的流动状况非常难,而采用高精度C F D数值模拟可以提供整个汽车外流场上的流场结构特征的详细信息，并且能够有效降低设计成本，缩短开发周期。

[1]崔立宏.太阳能在汽车上的应用及发展前景[J].汽车工程师，2012（12）：57～60.

[2]杜小娟，易灵芝，彭海成等.基于超级电容器的太阳能汽车储能系统研究[J].计算技术与自动化，2013，32（1）：55～59.

[3]熊可嘉，杨坤.轿车气动阻力优化CFD研究[J].北京汽车，2011（5）.

[4]张洁，梁习锋，刘堂红等.强侧风作用下客车车体气动外形优化[J].中南大学学报（自然科学版），2011，42（11）.

[5]姚曙光，许平.国产磁浮列车气动外形优化及车体结构设计[C].中国空气动力学会2004全国工业空气动力学学术会议论文集，2004∶147～154.

[6]B aker C J,H umphreys N D.Assessment of the adeq uacy of v arious wind tunnel techni q ues to obtain aerodynamic data for ground v ehicles in cross winds[J].J ournal of Wind Engineering and I ndustrial Aerodynamics，1996（60）∶49～68.