整车气动性能分析与优化

整车气动性能分析与优化

周欣1，乔鑫2，孔繁华3，李飞4

（华晨汽车工程研究院，沈阳 110141）

摘要：本文应用计算流体软件STAR-CCM+对某车型进行外流场的仿真计算，并以提高整车气动性能为目的进行了增加前唇扰流板，前后轮扰流板以及对后扰流板加长并调整角度的组合优化，有效的起到了减小风阻系数，提高冷却模块有效流量的作用。

关键词：外流场；气动阻力；CFD；STAR-CCM+；

Abstract: A CFD software STAR-CCM+ is used in this article to simulate the vehicle external flow of a certain vehicle type. In order to improve the aerodynamic performance of the whole vehicle, a front spoiler lip, spoiler lips of front and rear wheels are added, and the rear spoiler lip is lengthened which angle is also adjusted. Consequently, the drag coefficient is effectively reduced, and the effective flow of cooling module is increased.

Keywords: V ehicle external flow; Aerodynamic drag; CFD; STAR-CCM+;

0前言

汽车空气动力学对于整车的经济性、动力性、舒适性和行驶安全的研究具有特殊重要的意义，它是车辆工程领域一个非常重要的研究方向。随着计算机技术和流体力学数值计算理论的发展，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics ,CFD）已成为了汽车空气动力学研究的重要手段。传统的汽车空气动力学研究依赖与汽车风洞试验，但是现在应用CFD空气动力学数值模拟技术，可以在计算机上完成汽车风洞试验，使得对汽车空气动力学开展全面系统的科学研究更简便而有效。[1]

在国家战略政策的引导下，汽车工业逐渐开始走向自主开发的道路。随着能源问题的日益突出，节能减排也成为汽车设计的主要目的。整车气动性能是汽车空气动力学的核心问题[2]，在造型阶段，气动性能主要关注车辆的阻力系数。当车速达到100km/h时发动机约80%的动力用来克服气动阻力，假如整车空气动力学性能提高10%，油耗就可降低4%~5%。

本文利用计算流体力学软件STAR-CCM+对某车型进行了整车外流场的计算，通过对整车近壁面速度场以及各截面速度场分析，对该车前唇扰流板，前后轮扰流板，以及后扰流板的组合优化进行评价。

1建立计算模型

1.1物理模型

流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。

(1)质量守恒方程（连续方程）

d i v(1)

(2)动量守恒方程（运动方程，Navier-Stokes方程）

)()(i

e f f i i e f f i x v

d i v x p g r a d v v v d i v ??+??=-μμρ (2) (3)能量守恒方程

T P

S g r a d T C K

d i v T v d i v T T +=+??)()()(ρρ (3) 式中. v 为平均速度,

i

v 为平均速度分量,

i x 为坐标分量, T 为温度, K 为流体的传热系数, P C 为

比热容, T S 为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转化为热能的部分。

通常在对外流场模拟的时候应用较多的是RNG k - ε湍流模型。在这种模型中,通过在大尺度运动和修正后的黏度项体现小尺度的影响,将小尺度运动从控制方程中移除。在对Navier-Stokes 方程进行雷诺时均化处理时,引进了新的变量项 j

i u u ''(雷诺应力项) 。为使方程组封闭,必须对雷诺应力做出某种

假定,在大量的实验基础上推导出雷诺应做出某种假定,在大量的实验基础上推导出雷诺应力方程如

下[ 3]

(4)湍流动能k 方程

)()(21ρεε

ερC G C k

grad k v div eff -=

Γ- （4）

(5)湍动能耗散率方程

)

()(21ρεε

ερC G C k

grad k v div eff -=

Γ- （5）

其中，

])()()()(

2[2

23

122z u x v y v z y x y y u x v G i i i eff ??+??+??+??+??+??+??=∑=μ

式中k 为湍流动能, ε为湍流动能耗散率eff μ为湍流有效黏性系数, ρ为空气密度, eff Γ表示湍动能

有效扩散系数, eff

εΓ表示湍动能黏性耗散率有效扩散系数。

1.2几何模型

由于计算结果的精确度与网格单元的大小密切相关，但是网格数量受计算机硬件制约严重，故只能对模型做局部加密细化，例如近气格栅，发舱内部冷却系统等部件需要细化，对仿真结果影响不大的区域网格则需渐进粗化。在ANSA 中进行几何处理并划分面网格如图1、图2所示。

图 1 车体面网格 图2 发动机室面网格

在前处理后导入STAR-CCM+中进行Surface Remesher 以及体网格的生成[4]。生成流体计算域，域基本尺寸为：车前3倍车长，车后7倍车长，宽度4倍车宽，高5倍车高。外流场体网格采取三个区域加密，控制尺寸分别为60mm 、80mm 、120mm ，以及后视镜区域局部加密控制尺寸为15mm 。

图3 计算域 1.3初始边界条件

车速100km/h ，地面X 方向100km/h 移动，车轮转速702rpm ，入口采取速度输入，出口压力输出，滑移壁面。中冷器、冷凝器、散热器采用多孔介质模型。

2模型计算结果

2.1初始模型

经计算后初始模型的风阻系数Cd 为0.381，散热器空气质量流量0.666kg/s ，冷凝器空气质量流量0.903kg/s ，中冷器空气质量流量0.255kg/s 。 2.2优化模型

图4 优化局部放大

图 5 原始模型 图6 优化模型

在原整车详细模型的基础上，保证车身其他结构尺寸不变，增加前唇扰流板，前后轮扰流板以及延长后扰流板并且调整其角度，具体形式如图4、图5所示。具体计算结果如表1。

表1

图7 对称面速度标量图

由于气体粘性的存在，气流在流经车底不平整区域时产生不同程度的分离，以及流经尾部由于压力差的存在，不断产生漩涡，这些现象均造成了不可逆的能量损失，是空气阻力的主要原因。图7上图为原始模型的对称面速度标量图，下图为经过优化后模型的对称面速度标量图。可以看出由于前唇扰流板的存在高速气流在一定程度上避开了发动机室下部不平整区域，有效减少了气流对底部不平整部件的冲击。后扰流板的加长与角度调整，使得车尾去的负压区有明显向下的趋势，一定程度上减小了尾部负压区域。

图8 轮胎截面速度标量图9 近壁面速度标量

图8为后轮区域XY平面速度标量图，上图为原始模型，下图为增加后轮扰流板的优化模型，可以看出由于扰流板的存在有效的减小车轮后负压区域。在车尾近壁面速度标量图中也有所体现，如图9所示。

图10 原始模型发动机室图11 优化模型发动机室

计算数据显示前唇扰流板的存在不仅使得整车的风阻降低，还有效的提高了冷却模块的通风量，对于改善整车的冷却性能，提高换热效率有明显的效果，如图10、图11所示，发动机室气体流速明显改善。

3 结论

车底的不平整区域与车尾的负压区是影响整车气动性能的重要区域。高速气流对凸出零件的冲击与尾部漩涡的不断产生于均造成了不可逆的能量损失。通过增加前唇扰流板，前后轮扰流板以及后扰流板的加长与角度调整的组合优化，有效的改善了整车的气动性能，达到了减阻的目的。同时，组合优化有效的提高了冷却模块的进出口压力差，增大了冷却系统的通风量，改善了整车的冷却性能，提高了热交换效率。

参考文献

[1]张英朝.《汽车空气空力学数值模拟技术》[M].北京：北京大学出版社，2011

[2]谢金法《三维湍流轿车外流场数值模拟》[D].吉林：吉林工业大学，2000

[3]王福军. 《计算流体动力学分析》[M ]. 北京: 清华大学出版社,2004.

[4]STAR-CCM+ 帮助文档