汽车外流场的数值模拟

汽车外流场的数值模拟宁燕，辛喆中国农业大学， 北京 （100083）E-mail ：rn063@摘 要：利用CFD 方法，运用FLUENT 软件对斜背式车型的外流场进行了数值模拟，并对结果进行了处理与分析。

研究了车身周围涡系的三维结构和车身表面分离流的情况，表明由于车身前后的压力差和主流的拖拽作用等，在汽车尾部形成了极其复杂的涡系。

关键词：汽车空气动力学；CFD ；车身外流场；FLUENT1. 引 言汽车空气动力学的研究主要有两种方法[1]：一种是进行风洞实验，另一种是利用计算流体动力学（CFD ）技术进行数值模拟。

传统的汽车空气动力学研究是在风洞中进行实验，存在着费用昂贵、开发周期长等问题。

另外，在风洞实验时，只能在有限个截面和其上有限个点处测得速度、压力和温度值，而不可能获得整车流场中任意点的详细信息。

随着计算机技术和计算流体动力学的发展，汽车外流场的计算机数值仿真由于其具有可再现性、周期短以及低成本等优越性而成为研究汽车空气动力学性能的另一种有效方法。

2. 控制方程和湍流模型汽车外流场一般为定常、等温和不可压缩三维流场，由于外形复杂易引起分离，所以应按湍流处理。

汽车外流场的时均控制方程式[2]如下：3,2,1,=j i ；z x y x x x ===321,,；，：u u =1w u v u ==32,平均连续方程：0=∂∂ii x u 平均动量方程：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+∂∂∂∂+∂∂−=∂∂i j j i eff j j j i j x u x u x x p x u u µρ κ方程 ρεκσµµκρκ−+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂+∂∂=∂∂G x x x u j t jj j )( ε方程 κερκεεσµµερε221)(C G C x x x u j t j j j −+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂+∂∂=∂∂ -1-其中， ji i j j i t x u x u x u G ∂∂⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+∂∂=µ εκρµµ2C t = µ为动力粘性系数，t µ为湍流动力粘性系数，它的提出来源于Boussinesq 提出的涡粘假定，是空间坐标函数，取决于流动状态，满足：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+∂∂=−i j j i t j i x u x u u u µρ 其中，j i u u ρ−是由于对动量方程式平均化后得到的雷诺应力项。

εκ−方程中应用的常数值分别为：09.0=µC ，，44.11=C 92.12=C ，0.1=κσ，3.1=εσ但在近壁面区，由于流动情况变化很大，特别是在粘性底层，流动几乎是层流，湍流应力几乎不起作用，即上述的εκ−湍流模型是针对充分发展的湍流才是有效的。

为了解决近壁面问题，目前有两个解决办法，一是不对粘性影响比较明显的区域（粘性底层和过渡层）进行求解，而是用一组半经验的公式（即壁面函数）将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量联系起来；另一种途径就是采用低数Re εκ−模型来求解粘性影响比较明显的区域，要求在壁面区划分比较细密的网格。

越靠近壁面，网格越细。

壁面函数法是FLUENT 选用的默认方法，它对各种壁面流动都非常有效。

它避免了在速度梯度很大的近壁区运用精细网格，从而节省了计算开销。

3. 有限体积法和SIMIPLE 算法有限体积法是S.V .Patanker 提出的一种有限差分离散方法。

其基本思想是将计算区域划分为网格，并使每个网格周围有一个互不重复的控制体积；将待解微分方程（控制方程）对每一个控制体积积分，从而得出一组离散方程。

由于本文计算车身外部流动问题可简化为不可压缩流动问题，对压力项没有独立的方程存在，因此要对速度和压力的耦合问题进行处理。

SIMPLE 系列算法[3]是处理该问题的较为成熟的一类方法。

这种算法的基本思想是：由假设的速度场得到通过单元表面的单位质量对流流量，然后，通过假设的压力场来求解动量方程和由连续性方程导出的压力校正方程，得到的压力校正场又来更新原来的速度与压力场。

这样反复迭代直到收敛。

-2-4. 汽车模型的建立进行汽车外流场仿真，首先要做的工作就是车身模型的建立。

我们采用图1所示的车型作为仿真模型，建模比例为1：20。

这种车型的原始模型首先在UG上建立，因为造型软件UG具有多种功能，而且提供了与多种软件的接口。

然后把车身几何模型文件的.cpt格式转化成.igs格式，再传到GAMBIT上去进行网格划分。

图1 车体模型该模型对汽车实体表面作了简化处理：省略了车灯、门把手、后视镜等。

同时，还对底部作了平整处理。

这些改变对流场总体特性并没有大的影响，却反而能提高计算的经济性。

5. 网格的划分和计算域的建立本文使用GAMBIT软件划分网格。

网格力求简单并贴体，网格简单时求解方便，网格复杂则可能导致求解不精确甚至不稳定。

对于复杂表面的网格生成而言，贴体则是至关重要的。

为了解决汽车几何形状复杂，求解域大，网格数目多的难点，要对整个求解域进行分区，车身周围的局部求解域为内部区域，其余的为外部区域。

按照离车身的距离不同，网格的数量和大小也不同：离车身近的区域网格划分比较密，同时对车身以及车身底部地面附近的区域进行网格加密，使之能够清楚的表现车身表面附近和地面边界层附近的细致情况。

而远离车身的区域，网格可以适当的稀疏，以减少网格的数量，减少计算量，节约计算时间。

由于汽车尾流对汽车的气动性能影响很大，并且在汽车后部很长一段距离内存在，为了更好地仿真尾流，在汽车后部取很长一段距离。

同理，为了再现汽车行驶状态，在汽车的前部、上部和侧面都取大于汽车几倍尺寸的距离。

根据经验[4]，流场仿真计算所取的计算域到达一定的大小时，汽车的流场就不再受计算域大小的限制。

假设汽车模型长为L，宽为W，高为H，则计算域的取法为汽车前部取3L，侧面取4W，上部取4H，汽车后部取6L。

-3-最终该斜背式车型划分网格数为684，535个，网格划分如图2所示。

图2 斜背式车型车身纵向对称面内网格6. 边界条件入口边界：取远端来流方向的端面为入口边界，气流速度s m u /35=出口边界：车身后远端端面为出口边界，压强0=p （相对于大气压），其余各变量分量梯度为0；地面边界：假设汽车行驶的工况：在静止的空气中（无风条件下）、平直的路面上等速直线运动。

这样，汽车与地面，汽车与空气的相对速度均为汽车行驶速度。

这种工况在计算机上进行模拟实验，通常用均匀气流流过汽车模型来模拟行驶的汽车相对于静止的空气运动，显然这导致了附面层问题[5]：运动的气流在静止的地面会产生附面层。

而实际汽车行驶时，地面附面层是不存在的，只存在车身表面的附面层。

为了消除在计算机模拟中的地面附面层的影响，本文在计算模拟时采用了移动地面的做法，以消除地面边界层的影响，0u u =地面（来流速度） 0=地面v 0=地面w ；车身表面：车身表面为固定边界，各方向速度均为零。

7. 计算结果与分析图3为车身纵向对称面及车身表面压力分布图。

由图可知，在车身上表面，除车身前脸部分、发动机罩与前风窗交界处，及后风窗与行李箱罩交界出现正压外，其余部分均为负压。

出现负值较大的地方是车身前面上端拐角及侧面拐角处。

在汽车前部压力比较大，后部存在着负压，前后的压力差造成了汽车的压差阻力，这部分阻力占总阻力的主要部分，要想降低汽车的气动阻力，必须设法使尾部的压力升高，以此降低压差阻力。

-4-图3 车身纵向对称面及车身表面压力分布图图4为车身对称面上下表面的压力分布对比图，横坐标正方向代表车身长度，纵坐标数值为车身表面的压力大小值。

从图中可知，车身底部都是负压区，且变化平缓。

作用在汽车上的气动力与汽车周围的压力分布直接有关，而压力的分布又与气流流经汽车的流谱有紧密的联系。

-5-图4 车身对称面上下表面压力分布对比图图5表明了此轿车纵向中心对称面的流态。

根据定义可知，流线的切线方向即是质点速度的矢量方向。

通过流态分析，可以理解重要的流动过程。

从图中可以看出各流线之间不是等间距，而各流线之间间距的差异，表明了升力的来源。

间距近，表明流速高，因此静压低，产生与汽车行驶方向垂直的纵向力（升力），它是向上的，趋于提起汽车，从而减小有效载荷，随之产生的俯仰力矩，则造成前后轴荷的转移。

图5 车身纵向流线图6是斜背式车型对称面的速度矢量图，图7为该车型尾部的速度矢量分布图。

从图7中可以看出，由于气流分离在汽车尾部造成的上下两个涡系；汽车上表面气流自后车窗某个位置分离，使汽车尾部很大一部区域淹没在分离流中。

-6-图6 对称面速度矢量图图7 对称面尾部速度矢量图图8、图9、图10、图11分别为距车尾20cm处、70cm处、1m处和1m又20cm处横截面的速度矢量图。

观察汽车尾部四个横截面的速度分布图可以看出：第一个图离车尾最近，约为1/25个车长，这时的尾部气流比较紊乱，可以观察到有上下两个逆向涡；其后1/12车长处，气流的涡旋已比较规则；再向后，约1/8个车长处，此拖拽涡已发展的很规则，再向后，涡系逐渐扩散，强度减弱，约1/2车长处，涡系消失。

这些涡是由于上下表面气流的压差与卷带形成的，其中上面一对涡流速度强度与尺度远大于下面的涡系，在不断向后发展的过程中，不断参混，最后形成了单一的一对大涡流，大尺度的涡形成与消散使得气流能量消耗增加，从而显著增加气动阻力。

-7-图8 距车尾20cm处的速度矢量图图9 距车尾70cm处的速度矢量图图10 距车尾1m处的速度矢量图图11 距车尾1m又20cm处的速度矢量图8. 结论①分析说明，在新车型开发过程中，应用CFD技术对汽车外流场进行建模和仿真模拟，是一种对其进行气动性能分析快速有效的方法。

②车身周围的压强分布，很大程度上决定了汽车所遭受的压差阻力，这部分阻力占汽车总阻力的主要部分。

设法升高汽车尾部的压力，或者减少汽车头部的压力，都将有助于降低压差阻力。

③应该合理设计车型，控制尾涡的形成强度。

-8-参考文献[1] 乔军平，《轿车外流场的数值模拟》：[硕士学位论文]，北京：北京航天航空大学，2004..[2] 王福军，《计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用》，北京：清华大学出版社， 2004[3] 陈景秋，胡韩飞，张永祥，《STAR-CD对汽车外流场的三维数值模拟》，重庆大学学报，2005[4] 谷正气，姜乐华，吴军，方刚，《汽车绕流的数值分析及计算机模拟》，空气动力学学报，2000.[5] 谢金法，《三维湍流轿车外流场数值模拟》[博士学位论文]，吉林：吉林工业大学，2000.Numerical Simulation of the External Flow Around a CarNing Yan，Xin ZheChina Agriculture University (100083)AbstractThis paper numerically simulates the outer flow fields of the notchback car with the CFD software FLUENT, analyzes and discusses the results. It researches the 3-dimensional structure of the V ortexes around the car body, and the situation about separated flow upper the car surface. Due to the pressure differences and wrapping of main flow, some complicated V ortexes appear in the wake region. Keyword：Aerodynamics；CFD；External flow field；FLUENT-9-。