风洞对汽车流场模拟的影响

康保利 朱正柱 陈源 夏磊

(中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 210007)

风洞对汽车流场模拟的影响

康保利 朱正柱 陈源 夏磊

(中国电子科技集团公司第二十八研究所，江苏 210007)

影响汽车流场的因素有很多，应用仿真软件，将造型不同处理方法、模型比例和风洞对汽车流场的影响进行仿真分析，期望为仿真计算和汽车造型设计提供参考依据。

流场；模型比例；风洞

CFD(近代流体力学)技术从20世纪80年代开始首先在欧美国家应用于汽车设计，起初计算对象还仅限于车体的基本形状，最近发展到了包括后视镜、扰流板、发动机舱、车轮等复杂的车体模型。

风洞对试验结果影响很大，应用仿真软件，将造型不同处理方法和模型比例对汽车流场的影响进行仿真，同时将风洞对试验结果的影响进行分析，期望为仿真计算和汽车造型设计提供参考依据。

1 模型前处理

1.1 实车模型

图1为参照的某型汽车实车模型。

图1 实车模型

图2 车身网格分布示意图

1.2 网格划分

本文采用混合网格技术对风洞进行空间划分，距车身较远的地方采用结构网格，车身表面和车身周围采用非结构网格，结构和非结构网格过度均匀。图2为车身网格分布示意图。

1.3 提高计算精度和网格质量的相应措施

(1)发动机舱内结构复杂，存在着许多的油、水、电管道，为了便于进行流场分析，把舱内对流场影响比较小，但是增加建模复杂程度的线路和管路进行简化或者省略；面与面之间过渡平缓。

(2)车身面网格划分的优劣直接影响体网格划分的质量。比如后视镜的面较小，宜划成较小的面网格，与后视镜相连的面宜划成较大的面网格，外层与之相连的大面宜划成更大的面网格，网格面积过渡不宜相差太大，对车轮和发动机舱面网格的划分也用相应的办法处理。在仿真软件中不断对网格质量进行检查，对一些质量不高的网格进行重划，最终使质量较差的体网格数控制在较低的范围之内。

图3 汽车造型不同处理方法的Gambit模型

图4 含后视镜和车轮模型的车身压力分布图

图6 汽车造型不同处理方法的流场迹线比较

图5 含后视镜和车轮模型的速度矢量图

(3)在仿真软件中通过控制命令也能提高一定的网格质量。

2 计算方法和边界条件

2.1 计算方法

模拟车速为100 km/h(如车速非100 km/h则另有交代)，远低于100 m/s，所以此时的空气应属于不可压缩范围，计算模型应该选择三维定常不可压缩粘性流动。采用三维不可压缩雷诺平均方程N-S方程和RNG 湍流模型；控制界面的物理量应用二阶迎风差分格式获得；并运用SIMPLEC压力修正法进行迭代。

表1 汽车造型不同处理方法的气动参数

为了比较精确地模拟汽车流场，采用RNG模型。RNG模型来源于严格的统计技术，RNG模型改善了e方程的精度，同时提高了湍流漩涡的精度。这些特点使得RNG模型比标准模型在更广泛的流动中有更高的可信度。

2.2 边界条件

在仿真软件中选择3D求解器和RNG湍流模型；风洞入口为速度入口边界条件，车速为100 km/h(28 m/s)，方向垂直入口面，入口处的湍流度设为0.5%，因为湍流度较小，故将湍流粘性系数和层流粘性系数之比设为10；出口为压力出口边界条件，大小为标准大气压；壁面为无流边界，采用无滑移边界条件，速度为零[1]。

3 造型和模型比例对仿真结果的影响

图3 为汽车造型不同处理方法的简化模型。

表1为汽车造型不同处理方法的气动参数。汽车由最初设计到加后视镜，再到加车轮，阻力和阻力系数增大，升力和升力系数也增大。模型之间的阻力系数相差为0.0031和0.0205，加车轮影响较大。模型之间的升力系数相差为0.0223和0.2310，也是加车轮的影响较大。特别注意的是加车轮后，升力系数为正值，这对汽车操纵稳定性不利。

图4为含后视镜和车轮模型的车身压力分布图。图5为含后视镜和车轮模型的速度矢量图。车头前部为一明显高压区，因此将发动机舱冷却风进口设置在此，有利于发动机的冷却和散热。挡风玻璃与发动机罩夹角处也为一明显高压区，这是将驾驶室进风口设置于此的主要原因。

表2 阻力系数的比较

表4 开式风洞与闭式风洞的气动参数

图6为汽车造型不同处理方法的流场迹线比较图。图中A与B的流场迹线较为接近，这是因为加后视镜对该型轿车气动性能影响并不明显。C添加了车轮，这使得气流受地面和车底粘性阻滞作用增大，气流流速减慢，导致尾流明显下沉，故对该型轿车气动性能影响较大。

4 风洞对仿真结果的影响

4.1 地面效应的影响

汽车为地面运动钝体，行驶时受到汽车底部和地面之间的气流干扰，故受地面效应的影响。在风洞试验时，给定地面一个相对车身向后的速度来模拟地面效应，由于风洞阻塞效应的存在，故将仅考虑地面移动和考虑地面及洞壁移动一起仿真分析。表2和3给出了不考虑地面效应和两种地面效应模式的比较。不考虑地面效应的阻力系数随着阻塞比的增大而增大，两种地面效应模式的阻力系数随着阻塞比的增大而减小，且三者阻力系数的差距随着阻塞比的增大而减小，仅考虑地面移动的阻力系数最大，不考虑地面效应的阻力系数最小，仅考虑地面移动的阻力系数和考虑地面及洞壁移动较接近。不考虑地面效应的升力系数最大，三者升力系数：阻塞比为1.22%小于阻塞比为0.46%和4.15%，仅考虑地面移动的升力系数和考虑地面及洞壁移动较接近。

图7 开式风洞模型

4.2 开式风洞的影响

开式风洞是与闭式风洞相对应的，图7为建立的开式风洞模型。选用的阻塞比为1.04%，表4给出了开式风洞与闭式风洞的气动参数，阻力系数：闭式风洞比开式风洞高约1.8%；升力系数：开式风洞比闭式风洞高约12.5%。

5 结论

通过上述分析，可得以下结果：

(1)加车轮使该型轿车的阻力系数增加0.0205，升力系数增加0.2310，高于加后视镜的0.0031和0.0223。

(2)仅考虑地面移动和考虑地面及洞壁移动对仿真结果影响很大，仅考虑地面移动和考虑地面及洞壁移动的阻力系数大于不考虑地面效应，升力系数小于不考虑地面效应。

(3)选用阻塞比为1.04%进行仿真计算，闭式风洞的阻力系数比开式风洞高1.8%；开式风洞的升力系数比闭式风洞高12.5%。

[1] 赵又群,张奇.高速轿车车身前部外流场数值模拟[J].中国机械 工程,2007,18(15):1886-1889

[2] 李英民.指挥控制系统方舱噪声分析及降噪设计[J].指挥信息系 统与技术,2012,3(4):77-80

[3] 缪备军，许扣山.改装车的行驶安全性探讨[J].指挥信息系统与 技术,2010,1(4):75-77

[4] 傅立敏.汽车空气动力学[M].北京:机械工业出版社,1998

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