基于CFD的某跑车外流场数值模拟

张震+李旭+崔行振

摘 要：本文以国内某跑车为研究对象，首先使用CATIA三维软件建立跑车的三维模型，然后用GAMBIT软件完成体网格的划分，最后用FLUENT软件完成数值模拟和后处理，并对跑车的空气动力性进行研究。结果表明，采用局部优化的方法改变跑车的外形参数，可以优化跑车周围的速度场和压力场，降低跑车的风阻系数Cd值和升力系数Cl值。

关键词：跑车车身；Fluent；外流场分析；风阻系数；局部优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.256

0 引言

汽车空气动力特性是指在运动过程中与空气的作用力对汽车燃油经济性、操纵稳定性、舒适性等性能有重要影响[1]。随着计算机技术的发展，计算流体力学（CFD）在汽车空气动力学研究方面的应用也越来越重要，CFD方法具有周期短、成本低，不需实车模型等特点，用此方法分析指导设计，无论在汽车开发还是改进方面，都起到提高产品质量、增强自主开发能力的作用[2]。在计算精度方面，计算结果已经可以把Cx的误差控制在5%以内。由于ANSYS， STAR.CD， FLUENT以及CFX等商业软件的大量使用，现在汽车空气动力学解析系统的研究取得了巨大进步[3]。

跑车在高速行驶时为了减少空气阻力和保证整车的稳定性，通常车身成流线型、底盘低矮。那么，研究跑车的空气动力特性就具有重要的意义。本文将采用Fluent软件对国内某款跑车进行三维外流场的数值模拟，结合模拟的结果和空气动力学理论对跑车的外形结构进行局部的优化。

1 跑车外流场的控制方程和湍流模型

当汽车高速行驶时，流体雷诺数均大于临界雷诺数，其流动应按湍流处理。目前对于工程流场计算，常采用平均N-S方程对其进行求解[4]。本文可以用Navier-Stokes方程来描述，在笛卡尔坐标中x，y，z三分量上的动量方程：

式中：P为流体微元体所受的压力；Fx、Fy、Fz为微元体中流体受到x、y、z三个方向上的体力。

本文的计算假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略。因此采用k-ε模型[3]，其表达式是为：

式中，是由平均速度梯度引起的湍流动能所产生；是由浮力影响引起的湍流动能产生；是可压速湍流S脉动膨胀对总的耗散率的影响，湍流粘性系数；是经验常数，根据Launder等的推荐值及后来的实验验证，模型常数=1.44，=1.92，当主流方向与重力方向平行时：=1；主流方向与重力方向垂直时=0，=0.09；和分别是与湍动能k和耗散率对应的Prandtl数，=1.0，=1.3；和是用户定义的源项。

2 計算模型的建立及网格划分

2.1 车身模型

该计算所用跑车模型是参照表1的数据在CATIA软件中按1：1的比例建立的（见图1）。为了提高网格的质量和计算的速度，需要对车身模型简化处理。因此，忽略了跑车的车轮、后视镜、门把手等部件，同时对车身底部作平整化处理。由于跑车模型是对称的，本次计算只采用一半的模型。

2.2 网格划分

根据经验，为了模拟汽车行驶状态，模拟使用长方形的计算域，取法为：设定汽车尺寸长×宽×高（L×W×H），计算域应为10L×4W×5H，计算域入口距车头距离为3L，出口处离车尾长度为6L，宽度左右两侧距离车身距离分别为2W，高度为5H [5]。由于车身外形结构比较复杂，为了提高计算的精度，整个计算域采用结构网格划分。首先把模型导入Gambit中在跑车表面生成三角形网格，然后用四面体网格对整个计算域进行划分。同时考虑到空气具有一定的粘度，所以要在车身表面生成边界层。为了得到真实有效的计算结果，要对跑车的车身附近进行部加密，采用的网格尺寸为20～40mm，图2为某跑车对称面的划分。

2.3 边界条件的设置

在用Fluent软件进行求解计算前，一定要设定跑车外流场的边界条件。其边界条件主要包括出口边界条件、进口边界条件、固定壁面和车身表面等。出口边界条件设定为压力出口（pressure-outlet）；进口边界条件设定为速度出口（velocity-inlet）；固定壁面和车身表面设定为固定无滑移壁面（no slip wall）；速度大小为40m/s。

本文采用标准模型，Quick一阶迎风格式，由经验公式计算可得：入口处湍流动能k为0.035，湍流耗散率ε为0.0023。

3 跑车外流场模拟结果及分析

通过Fluent软件的模拟计算之后，可以得到跑车对称面上的压力云图、气流速度云图和速度矢量图。通过比较图3、图4、图5之后，可以了解跑车的空气动力学特性。

从图3中可以看出整个跑车的压力分布特点。其头部承受的压力最大，达到了1120 Pa，在其顶部拐角处出现了负压区，压力最小值达到了-2310Pa，而其尾部的压力范围为-252Pa到91Pa，同时其底部也出现了一个负压区，但是车身底部的压力值远远大于车身顶部的压力值。这样在跑车的头部和尾部就存在了一个明显压力差，同样的道理，跑车的顶部和底部也存在一个压力差。正是这两个压力差的作用，分别形成了跑车的气动阻力和气动升力，进而影响了整个跑车的气动特性。通过进一步分析，可以得出跑车形成正压区和负压区的原因。当跑车在高速行驶时，迎面而来的气流首先与跑车头部接触，气流的流动受到了阻碍，发生了分离，并且气流的速度迅速的降下来，于是形成了该处的正压区。之后分离的气流依附于发动机罩，由于发动机罩存在一定斜度，流速逐渐变快。当气流到达发动机罩与前风窗夹角处时，由于风窗阻挡，气流再次发生分离，流速逐渐变小，在此处形成另一个正压区域。当气流流至车顶前缘位置时，气流发生转折，流速也相对有所提高。由于该车车顶后缘与后风窗玻璃是光滑圆角过渡，故气流经过车顶后缘时并未表现明显的气流分离。当气流流至后备箱盖时，由于后备箱盖对气流产生阻碍，使得流速又渐渐变慢。当气流达到车尾时，由于结构的变化，形成了复杂的尾涡涡流，产生了负压区[6]。

从图4和图5中可以看出跑车气流速度分布和尾部速度分布的特点。跑车顶部的气流速度最大，最大值为63m/s，跑车的底部的气流速度也明显高于空气速度，大约为50m/s，跑车头部和尾部的气流速度最小值接近了零。通过进一步分析，可以得出跑车头部和尾部速度降为零的真正原因。首先迎面而来的气流在受到了跑车头部的阻碍作用之后，然后气流分别向上下两个方向流动，一部分向车顶流动，一部分流向车底，上部气流在接触发动机车盖表面时速度变快，但当遇到挡风玻璃的时候再一次产生了阻碍，之后流速加快，可以看到在汽车前沿流速最大，之后流速下降，但一直维持一个比较大的数值上，在跑车尾部时，气流又迅速发生分离，同时在尾部形成了一个涡流区 [7]。从图5中，可以看出来自跑车顶部的气流在跑车尾部发生了明显的分离，形成了一大一小两个涡流。较大的涡流按顺时针方向运动，而较小的涡流按逆时针方向运动。涡流会导致跑车的能量损失，加剧了跑车头部和尾部的压力差以及跑车顶部和底部的压力差，这样就影响了跑车的阻力系数和升力系数。通过计算可得其阻力系数Cd值为0.328，其升力系数Cl值为0.051。对此，可以优化车身的外形参数，尤其是通过改变跑车尾部的形状来降低尾部涡流的流动，达到提升跑车空气动力性的要求。

4 跑车车身的局部优化

为了改善跑车的空气动力性，可以对跑车做局部的优化处理，尝试改变跑车的一些外形参数，得到不同的跑车模型，然后进行数值模拟，通过比对风阻系数Cd的大小，得到一组较优的外形参数。为此，可以假设A为前风窗角，A的取值为25°、28°、31°；假设B为后风窗角，B的取值为18°、21°、24°；假设C为尾部翘角，C的取值为8°、11°、14°。如表2所示，设计了9组实验数据并分别获得了每组的实验结果。

从优化的效果来看，当A为28°，B为18°，C为11°时，跑车的风阻系数Cd是最小的，只有0.297，相比于原来的0.328下降了0.031，说明跑车的空气动力性有较大的改善，通过图6～8可以更加直观的看出来。在圖6中，跑车顶部的负压区的范围明显的减少了，最大负压值为-1910Pa，跑车头部的正压区范围也有一定的改善。在图7中，跑车顶部的气流速度不再那么剧烈，同时尾部速度为零的区域有明显的缩小，可以有效的降低跑车的风阻系数。在图8中，跑车尾部的涡流特性也得到了改善，两个涡流的强度被明显的降低了，跑车的能量损失也会降低，使跑车具有了更好的节油性。优化的结果并没有彻底的消除跑车尾部的涡流，但是极大程度的改善了跑车空气动力性，所以，这种局部优化的方法还是有实用价值的。

5 结论

（1）应用Fluent软件对跑车外流场进行了数值模拟，得到了车身的压力云图、速度云图和尾部的速度矢量图，探讨了跑车外流场的流动机理、流动特性和气动力特性之间的关系，明确了气动力产生的原因。

（2）根据计算结果，对跑车的外形参数进行了局部优化，可以有效的降低跑车的风阻系数Cd，使Cd值下降了0.031，减弱了跑车尾部的涡流强度。从优化后的计算结果可以看出跑车周围的压力场和速度场得到了明显改善，这进一步说明了对跑车外形局部改进的正确性。

（3）由于条件的限制，本文没有进行风洞试验，对计算结果进行修正，改进计算模型以便更好的对跑车外流场进行数值模拟。

参考文献：

[1]印帅.流动控制在汽车空气动力学中的应用[D].南京航空航天大学，2012.

[2]闫江.汽车外流场数值模拟研究[J].2013中国汽车工程学会年会，2013.

[3]Koromilas C，Harris C，Sumantran V，et al.Rapid Aerodynamic Development of Two-Volume Vehicle Shapes[C].SAE 2000 World Congress，2000.

[4]韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT：流体工程仿真计算机实例与应用[M].北京理工大学出版社，2004.

[5]钱娟，王东方，缪小东等.基于CFD的汽车外流场数值模拟及优化[J].制造业自动化，2016，38（04）：74-76.

[6]王琴.轿车外流场的数值仿真与分析[D].南京工业大学，2014.

[7]张峰，王剑，黄霞等.汽车外流场数值模拟及优化设计[J].机械设计与制造，2016（02）：223-227.

作者简介：张震（1990-），男，山东临沂人，硕士研究生，主要从事汽车空气动力学方面的研究。