某车型外流场特性的数值仿真研究

饶紫微 乔维高 杨 松 司豪杰

（武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室 汽车零部件技术湖北省协同创新中心 武汉 430070）

0 引 言

目前，针对汽车空气动力学的研究方法主要有风洞试验方法和计算流体动力学仿真方法.风洞试验存在费用高、周期长等问题.随着计算机技术和数值仿真技术的进步，仿真技术在低成本、周期短、结果可视化方面的优点更加突出，逐渐成为研究汽车外流场空气动力学特性的一种有效手段［1］.

国内进入20世纪90年代以来，逐步开始进行汽车外流场的数值模拟研究，起初主要对压力场、速度场等进行分析，随着研究的深入，在外流场压力脉动、气动噪声方面也做了大量的研究工作［2］.本文建立了某车型的三维几何模型，采用有限体积法进行了该车型外流场的仿真计算，对流线、速度、压力、声功率级噪声等参数的分布特性进行研究分析.

1 仿真模型

某车型的三维几何模型见图1，为了提高仿真的效率，对于汽车外流场整体特性影响不大的部件做了简化处理，如省略了格栅、雨刷、后视镜、车灯等部件.汽车外围流场空间的选取以不出现阻塞效应为准［3］，车前距离为2倍车长，车后距离为6倍车长，车左右距离为5倍车长，高度为3倍车长，地面与车轮留有很小间隙.

图1 某车型三维图

由于整个流体计算域空间较大，车身曲面比较复杂，为了兼顾仿真计算的准确性和经济性，采用分区划分网格的方法，使用四面体网格，对于车身及周围空间的网格进行加密，沿着远离车身的方向，网格逐渐变得稀疏，最终生成的网格数约450万，整体网格划分结果见图2.

图2 车身周围网格图

2 数学模型

汽车外流场计算不考虑空气的压缩性，可以简化为定常流动，不考虑传热，采用湍流模型拟合汽车外流场的湍流流动［4］.

外流场的质量守恒方程为

对应的湍流模型中k及ε的控制方程为

式中：u，v为速度分量；k为湍动能；ε为湍动能耗散率；Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项.

数值计算采用RNGk－ε湍流模型，选择二阶迎风格式［5］，采用SIMPLE算法耦合速度场及压力场.

车头前部端面为速度入口边界条件，给定气流进口速度为30m／s，车后部端面为压力出口边界，给定压力出口为0Pa.车身纵向对称平面为对称边界条件，车身表面为固定Wall边界条件.

3 仿真结果

为了综合分析该车型外流场的相关特性，从流线、速度场、压力场在整车及中截面的分布情况入手分析，并就整车表面的气动噪声声功率分布情况作了分析.

3.1 整车流线

该车型外流场的速度流线图见图3，由图3可见，气流到达车头部位后分成2股主要气流，一小股气流从车底盘流过，大股气流沿车顶绕流，并在车顶区域存在最高速度区.绕流气流在车体尾部形成明显的涡流，这是由于两股气流绕流车体后在车尾形成漩涡的交互作用而形成的［6］.

图3 整车流线

图4所示为绕流气流的涡核分布，与流线图对应可以发现，主要脱落涡核也是集中在车体尾部，沿尾部流线延伸方向分布有很多脱落的漩涡.

图4 整车涡核

3.2 整车压力分布

图5所示为该车型不同视图方向上的压力分布云图.

图5 整车压力

沿着车体迎风方向观察发现，车头迎风部位存在明显的高压区，高压的影响一直延伸到挡风玻璃上缘，这是因为迎风面直接受到气流的冲击作用，压力相应较高.在气流绕流过车顶后，在车后窗和车体尾部也形成一定范围的高压区，这是因为绕流气流的二次脱落引发的［7］.同样道理，在车轮胎迎风面以及车底部迎风面也都存在高压区范围.

3.3 中截面速度及压力场

图6所示为车体中间截面上的速度场分布，在汽车尾部可以看到明显的气流尾涡的存在，这对于汽车的外形阻力以及气动噪声都是不利的因素.由于车底部距离地面的间隙相对较小，可以看到一股高速气流经由车底绕流后沿车底流出，流出气流方向存在向上趋势，这对车尾漩涡的形成具有重要影响［8］.

图6 中截面速度场

中截面对应的压力场分布云图及曲线图如图7所示，通过与速度场对比分析可以发现，在车头迎风面存在明显的高压峰值，随着气流绕流车体前挡风玻璃，压力快速下降，在车前挡风玻璃与车顶的过渡拐角处存在明显的低压峰值.之后，气流绕流车体过后的压力变化趋于平缓，没有较大幅度的压力变化.车体中截面及平行截面上较大的压力脉动是气动噪音形成的一个重要来源.

图7 中截面压力场

3.4 整车声功率级分布

通过前面分析可以看出，汽车外流场的速度及压力变化还是非常剧烈的，是气动噪声的主要来源之一.为了研究车体外形对气动噪声的贡献程度，采用宽频声源模型计算车体表面的声功率级（dB）分布情况，如图8所示.该图显示的是车体外形表面的声功率强度分布，不考虑噪声的对外辐射传播.从中可以看出，车体前部、轮胎、车底等迎风面的声功率级最高，对车外形气动噪声声源强度的贡献最大，应重点进行这些部位的降噪优化.

3.5 车辆表面粗糙度及车外翘角的影响

为了定量分析车辆表面的粗糙度对车辆性能的影响，对比分析了0，0.2，0.5，1mm地面粗糙度下，车辆气动升力和阻力系数的变化趋势，见图9.

由图9可见，随着车辆表面粗糙度增加到一定程度，车辆升力及阻力系数的变化趋于平稳［9］.在变化初期，随粗糙度的增加，两者都相应增加.车尾不同翘角工况下车辆升力及阻力系数的变化情况见表1.

图8 整车声功率级

图9 表面粗糙度对升力及阻力系数的影响曲线

表1 车尾翘角对升力及阻力系数的影响

表1可见，随着车尾翘角的增加，升力系数逐渐减小，而阻力系数则逐渐减少.

4 结束语

本文完成了某车型的外流场仿真，对整车和及中截面上的速度场、压力场以及气动噪声的声功率级分布作了详细对比分析.研究表明，车头及车顶区域是外流速度最高的区域，在车尾存在强烈的漩涡脱落区域.外流场中压力沿车身外形的大幅度脉动是气动噪声的主要来源之一，车身迎风面区域的声功率级分布最高，对车体气动噪声源的贡献最大.

［1］谷正气.汽车空气动力学［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］杨 胜，张扬军，涂尚荣，等.汽车外部复杂流场计算的湍流模型比较［J］.汽车工程，2003，25（4）：322－325.

［3］严 鹏，吴光强，付立敏，等.轿车外流场数值模拟［J］.同济大学学报，2003，31（9）：1082－1086.

［4］YAN Quanzhong，WILLIAMS J M，JIM L.Chassis control system development using simulation：software in the loop，rapid prototyping and hardware in the loop［C］.SAE Paper，2002：1501－1565.

［5］朱国林，王开春，郭应钧.小轿车绕流场数值计算和分析［J］.空气动力学学报，1998，16（1）：47－55.

［6］PILLER M，NOBILE E，THOMAS J.DNS study of turbulent transport at low prandtl numbers in a channel flow ［J］.Journal of Fluid Mechanics，2002，458：419－441.

［7］傅立敏，扶原放.轿车并列行驶湍流特性的数值模拟［J］.吉林大学学报，2005，35（4）：358－362.

［8］杨永柏，傅立敏，刘 畅.运动型多功能车外流场的数值模拟［J］.汽车技术，2007（10）：24－27.

［9］邓亚东，江贤军.电动客车外形设计与外流场数值模拟［J］.武汉理工大学学报，2003，25（1）：61－64.