基于内外流场仿真分析对整车性能研究和优化

宋瀚　王小碧　肖能　龚侃　汪沛伟

摘 要：采用STAR-CCM+软件对汽车内外流场进行仿真分析，判断影响整车性能的布置和造型设计要素。在整车开发设计阶段，通过对机舱内外气体的模拟仿真，得出造型及布置是否满足外部流场压力和舱内进风量设计要求，是否满足整车动力性、经济性等指标。

关键词：STAR-CCM+；流场；造型；整车性能

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）05-0046-04

Abstract： Simulation analysis of the full flow field of a passenger vehicle by using STAR-CCM+. We can determine the layout and design elements that effect vehicle performance Whether to meet the vehicle power and economic indicators should be estimated according to simulation results. Those results can provide the basis of the further optimization of engine bay arrangement and styling in the design.

Key Words： STAR-CCM+； flow field； Styling； vehicle performance

1 引言

在整车开发设计阶段，外部流场与整车外观造型有着密切关系，机舱内部流场影响机舱内各部件的性能状态。由于气流的不确定性和整车自身系统模块化，整车内外环境都易存在“气体回流”和“局部漩涡”现象，影响发动机、冷却及空调系统等性能指标达成。因此如何优化整车内外流场，改善整车性能，成为整车前期开发阶段的重要课题。

整车前期设计阶段，无实车验证内外流场形态，且实验周期长，代价大，通过流体计算软件STAR-CCM+软件，分析整车外流场和机舱流场，为外部造型优化和机舱布置提供理论依据，通过优化整车设计和布置，改善机舱气流量，尽量避免气流泄漏、回流现象；通过优化造型，降低整车外部流场风阻效应，改善整车性能。

2 计算模型

2.1 基本理论

将气体视作黏性不可压缩，其控制方程为雷诺平均N-S方程，三维流场计算通过求解连续性方程、动量方程和湍流方程，得到流体在空间内的压力、速度、温度等信息[1]。

2.2 网格划分

仿真模型包括车身外表面、前后车轮、发动机舱、进气格栅、冷却模块、发动机、变速箱、空气滤清器、蓄电池、底盘系统、排气系统、转向系统等机舱及下车体大型布置零部件[2]。

应用STAR-CCM+对数模进行包面处理，对进气格栅、后视镜、前端冷却模块等对气流影响比较大的部件进行细化，形成封闭区域，共生成体网格约1894万。

2.3 设置边界及建立冷却系统模型

风扇转速采用多工况下的风扇额定转速。在计算中，冷凝器和散热器均采用了多孔介质的计算模型，在多孔介质模型中以均匀化的压力变化来代替平行流式换热器等复杂结构，从而简化模型，空气流速的变化由试验得到的曲线给定[3]。

计算汽车行驶时的流场分布，对于整车流场区域的进风口设定为速度入口边界，分别计算来流速度为60km/h、160km/h两种工况，出风口为压力出口边界，车身表面和地面车头后部均设为无滑移壁面，地面车头前部和其它流场计算域设为滑移壁面。散热器和冷凝器等冷却元件采用多孔介质模型来模拟气流。

3 流场分析及优化

3.1 外流场分析及优化

3.1.1 整车前部优化

由车身整体压力图可知，车身外部突出物、前部区域、前风挡玻璃下边缘及下车体迎风面的压力分布较大，增大了空气阻力。

如图2所示，机罩后边缘过低，空气压力有所增强，导致图3区域处，机罩与车窗下边缘出现漩涡区域，增加了风阻压力，在不影响造型边界的前提下，机罩边缘局部优化抬高，雨刮内收，避免高速气流对雨刮的冲击。

3.1.2 整车底部优化

如图4所示，从底部和尾部流线看，高速气流冲击后悬，并在油箱前方形成涡流。如图5-1所示，可增加适当高度的导流板平顺气流。如图5-2所示，下车体底部高度差过大，产生涡流区域，将后消声器横置，使得下车体底部布局平顺，减少底部涡流产生，使气流平顺。

3.1.3 整车尾部优化

如图9所示，优化之后，C柱区域与扰流板区域背压降低明显。

3.1.4 造型及布置优化效果

在优化之后，风阻系数降低3%，进而进一步降低风阻值，降低油耗值，风阻系数如表2所示：

水平截面Y=0的速度矢量如图10所示，从进气格栅进入的冷却空气一部分绕过冷却系统上下两端进入发动机舱，并在散热器上下端和后部形成一定的“涡流”，形成气流滞留[2]。

从仿真图来判断冷却系统上下端存在一定的漏风现象。这些气体“泄漏”及“涡流”影响了散热器和冷凝器的散热功能。不利于舱内热空气的顺利排出，恶化散热效率，导致整车性能下降。

如图13和表3所示，通过整车内流场优化仿真，修改导流板结构，冷凝器、散热系统的进风量都明显提高[5]，进一步提高了散热器、中冷器、冷凝器的性能，优化后整车性能与同级别车辆相比，处于优势。

4 结论

本文通过更改机舱和下车体部件、修改整车外部造型，优化整车内外流场，达到了一定的效果，结论如下：

（1）基于流场仿真分析结果，分析不同的造型和布置方案，可提高整车性能，加快开发速度，减少试验次数与费用[6]。

（2）整车设计阶段，通过内外流场仿真分析技术，发现机舱内部气体存在泄漏和回流现象，外部造型局部背压过大，存在涡流，影响整车性能达成。

（3）在实际开发中，为设计人员进一步优化造型，改善机舱布置提供了理论依据，整车内外流场都得到了明显的改善。

参考文献：

[1]陈皓.某款乘用车外流场及发动机舱内流动分析[C].CDAJ-China .中国用户论文集 .2010.

[2]刘芳.发动机舱流场仿真分析[R]. 第七届中国CAE工程分析技术年会.2012.

[3]戴澎凯.基于CFD的轿车发动机舱前端流场优化[C].机械研究与应用.2012.

[4]刘希东.某SUV车动力舱内流动分析[C].CDAJ-China .中国用户论文集 .2009.

[5]詹佳.基于机舱流场仿真分析的空调降温性能优化[R]. CDAJ年会论文. 2011.

[6]姚仲鹏.车辆冷却传热[M]北京.北京理工大学 2001.