某轿车气动特性的CFD分析及优化
CFD在进气歧管优化设计中的应用
CFD在进气歧管优化设计中的应用本文以江淮汽车某型三缸汽油机进气歧管为研究背景,用数值模拟的方法研究了该进气歧管的进气性能,分析了歧管的压力损失和进气均匀性,并与以前的计算模型进行对比.本文以江淮汽车某型三缸汽油机进气歧管为研究背景，用数值模拟的方法研究了该进气歧管的进气性能，分析了歧管的压力损失和进气均匀性，并与以前的计算模型进行对比。
结果表明，优化后的进气歧管在压力损失和进气均匀性方面均得到了明显的改善，提高了该歧管的进气性能。
发动机进气歧管的性能高低影响着发动机的运行效果。
本文针对江淮汽车某三缸发动机及其歧管在设计过程中出现的问题进行优化分析，根据分析结果提出整改方案，对整改方案进行分析。
数值模型1.三维模型与网格划分优化前和优化后的歧管模型如图1、图2所示。
从图1中可以清楚看到在歧管1出口下方有一凸出区域（圈中部位），此部位就是一缸优化设计中增加的凸台区。
原设计方案中在歧管三缸处设计一凸台（见图2），优化方案为取消该凸台，在一缸歧管入口处增加导流凸台。
本次计算应用STAR-CD计算软件，为保证计算的准确性，此计算中网格尺寸为1mm，优化前后网格总数均为35万左右。
2.计算仿真进气歧管内流场的计算分析主要包含两方面的内容：稳态计算，评价歧管各通道的流通能力；瞬态计算，评价一个循环过程中歧管各通道的进气均匀性。
流体流动要受物理守恒定律（包括质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律）的控制，控制方程就是这些守恒定律的数学描述。
而进行模拟计算，实际上就是求解控制方程的过程：质量守恒方程（也称连续性方程）：动量守恒方程：能量守恒方程：3.边界条件本文采用稳态计算和瞬态计算两种方法对进气歧管进行分析。
稳态计算主要分析歧管的流通性能，稳态计算整改前后均进行3个case计算，在每个case中分别将歧管的一个出口定义为出口边界，其余进口定义为壁面，计算中进口速度取一个循环的平均值30?m/s；瞬态计算主要分析歧管的进气均匀性。
机械工程中的气动力学分析与优化设计
机械工程中的气动力学分析与优化设计概述：机械工程中的气动力学分析与优化设计是一门关于流体力学在机械系统中应用的学科。
它研究的是流体在机械系统中的运动规律和相应的力学问题，通过理论和实验手段进行气动力学分析，从而对机械系统进行优化设计，提高其性能和效率。
一、气动力学基础气动力学是研究气体流动的力学学科。
在机械工程中，气动力学分析主要侧重于流体的速度、压力、密度等参数的变化规律以及流体与机械结构之间的相互作用。
气动力学基础理论包括流体的连续性方程、动量方程和能量方程，通过这些方程可以描述气体在机械系统中的流动过程。
二、气动力学分析方法1. 数值模拟方法数值模拟方法是一种常用的气动力学分析手段。
通过建立数学模型和计算方法，对机械系统中的流体流动进行模拟和计算。
数值模拟方法可以通过计算流体力学（CFD）软件对复杂的气动力学问题进行高精度的数值模拟，从而获得流体的速度、压力、温度等参数分布情况，为机械系统的优化设计提供准确的依据。
2. 实验方法实验方法是气动力学分析的重要手段之一。
通过实验设备和测量仪器对机械系统中的流体流动进行观测和测试，获取实际数据并进行分析。
例如，通过安装压力传感器和风洞实验，可以获得流体在机械系统中的压力分布情况，从而评估系统的气动性能，并优化设计。
三、气动力学在机械工程中的应用气动力学在机械工程中有广泛的应用，涉及航空航天、汽车工程、风力发电等多个领域。
以下举几个例子说明气动力学在机械工程中的重要性。
1. 飞机设计在飞机设计中，气动力学分析是关键的一环。
通过对机翼、机身等气动构件的流场分析，可以优化设计飞机的升力、阻力、起飞和降落等气动性能参数，提高飞行效率并降低能耗。
2. 汽车设计在汽车设计中，气动力学分析同样起着重要的作用。
通过优化车身外形以减小风阻，可以提高汽车的燃油经济性和驾驶稳定性。
此外，气动力学还可以作为汽车安全性评估的重要参考，分析车辆在高速行驶时的空气动力学性能，提高行车安全性。
基于试验设计的某MPV整车外气动特性优化
第26卷第2期 2017年4月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol. 26 No. 2Apr. 2017文章编号：l〇〇6 - 0871(2017)02-0014-06DOI ： 10. 13340/j. cae. 2017. 02. 003基于试验设计的某MPV整车外气动特性优化彭婧，李小梅，张光亚，王伟(上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西柳州545007)摘要：以某型多用途车（Multi-Purpose Vehicles,MPV)为研究对象，对整车外气动特性优化模型进 行参数化数值仿真.基于结合试验设计方法和优化算法，与原模型相比，最终优化模型的仿真结果 可使目标车型风阻因数降低4. 69% .另外，基于试验设计分析后视镜造型对整车外气动特性的影 响，后视镜的优化仿真结果可使整车风阻因数降低1.04 %.关键词：多用途车；风阻系数；样本设计；网格变形；近似模拟；后视镜设计中图分类号：U461.1 文献标志码：BAerodynamic characteristics optimization onMPV based on design of experimentPENG Jing,LI Xiaomei,ZHANG Guangya,WANG Wei(Technical Center, Shanghai Automotive-General M o t o r-Wuling Automobile Co. ,Ltd. ,Liuzhou 545007,Guangxi, China) Abstract；Taking a type of Multi-Purpose Vehicles(MPV)as the research object,the parametric numerical simulation is performed on an aerodynamic characteristics optimization model.Based on design of experiment method and optimization algorithm,compared with the base model,the drag factor of the final optimization model is reduced by4.69%.In addition,the aerodynamic influence of rearview mirror on the aerodynamic characteristics of whole vehicle is studied on the basis of design of experiment method,and the optimization simulation results of rearview mirror indicate that the drag factor of whole vehicle is reduced by 1.04%.Key words ：multi-purpose vehicle;drag coefficient;sample design；mesh morph；approximate simulation；rearview mirror design0引言空气动力学指标是汽车性能最重要的参数之 一，其对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性等有极 其重要的影响.在汽车运行时，空气会对车身产生气 动阻力，并且阻力大小与汽车运行速度的平方成正 比.CFD技术的发展使得仿真手段可部分替代风洞 试验，可通过CFD技术快速评价汽车外气动特性，从而减少风洞试验的次数.[1]将CFD技术与优化设 计相结合，能大大提高汽车外气动造型优化效率，对 汽车的早期设计很有帮助.以某型多用途车（Multi-Purpose Vehicle,MPV)为研究对象，基于整车外气动特性数值仿真模型，结 合试验设计及优化算法分别对整车参数及后视镜参 数展开优化研究.首先选取前窗角、前舱角、前车体 长度、格栅角、侧窗角、顶盖弧度、后车体长度、后窗收稿日期=2017-01-13修回日期=2017-02-27作者简介：彭婧（1985—），女，湖北潜江人，硕士，工程师，研究方向为计算流体力学，（E-mail) jingl. peng@ sgmw. com. cn第2期彭婧，等:基于试验设计的某MPV 整车外气动特性优化15角、后侧鼓角、尾翼角共计10个外气动造型参 数[2_7^通过首轮试验设计获得10个参数对风阻系 数的空间响应模型的近似模拟;通过多参数全局寻 优算法，获取最优风阻系数的参数组合.在首轮试验 设计优化方案的基础上，优选出参数灵敏度较大的 造型参数进行第二轮试验设计，并参考首轮试验设 计过程，获得最优参数组合.最优参数组合较初始模型可以实现4. 69%的风阻系数优化.此外，选取4 个影响后视镜造型的主要参数，基于试验设计展开 研究，优化后视镜较初始模型可以实现1.04%的风 阻系数优化.1 初始整车外气动分析为确保仿真模型的准确性，首先对原始车型进 行建模分析，并通过试验对比，确保整体仿真模型不 会因模型简化、网格等因素带来太大的误差.整车分 析示意见图1.图1整车分析示意Fig . 1 Schematic of whole vehicle analysis初始模型的分析流程主要包括以下几个步骤.(1)简化模型预分析.预分析模型不关注局部(如格栅、发动机舱、底盘等）特征，只保留大的造型特征，通过对预分析的模型造型进行改变、试算，初步得到影响风阻系数的大灵敏度造型参数.(2) 整车详细建模.对包含格栅、发动机舱、底盘等局部特征的整车模型进行建模，在规模允许的情况下尽可能保留对风阻系数有影响的外气动造型特征，从而确保仿真模型的准确性.对于发动机舱内的冷凝器和散热器，因存在大量格栅构造，若在整车模型中全部建模，会导致网格规模大大增加，因此采用多孔介质模型进行近似模拟.通过实验手段获取冷凝器及散热器的P -F 特性曲线，再通过FLUENT中的多孔介质模型进行简化模拟.(3) 网格无关性分析及试验比对.对车速为30m /s 的整车模型进行分析，并通过网格逐步加密的 方式，对不同网格规模的整率模型进行分析，在确保 网格无关性的基础上尽可能地减小分析规模.将仿真分析结果与试验结果进行比对，试验与仿真的风阻和风阻系数值的结果误差在3%以下， 表明整体的简化、网格划分方案可以满足精度要求.2 试验设计2.1试验设计一般步骤试验设计的应用一般分为3个步骤:试验计划 (取样）、执行试验(计算）和结果分析(优化）.试验设计有多种取样方法，常用取样方法的说 明[S ]见表1.表1试验设计取样方法说明Tab . 1 Description of sampling method for design of experiment名称说明全因子设计为每个因子指定任意水平数并研究所有因子的所有组合部分因子设计取全因子设计中的部分样本进行试验（通常为1/2, 1/4等），包括2水平、3水平和 混合水平组合正交数组部分因子试验的一种，通过仔细构造试验方案，保证因子的正交性（整齐可比和均 匀分散）拉丁超立方设计每个因子的水平等于点数，并进行随机 组合最优拉丁超立方设计使传统拉丁超立方法生成的抽样点更加 均匀2.2近似模拟方法简介近似模型方法是通过建立数学模型的方法逼近一组输入参数与输出响应值的方法.通过样本数据创建近似模型过程[8]包括：（1)试验样本的数据采集；（2)选择合适的近似模型；（3)通过样本拟合近似模型；（4)通过回代计算验证近似模型，通过计算 模型近似误差验证模型预测的效果；（5)如果近似模型可信度不够则通过增加样本或改变方法来提高其预测精度，如果近似模型具有足够可信度则可以使用该近似模型进行设计目标预测.Isight 软件提供的近似模型方法[S 1包括：（1)RSM 方法，即响应面模型方法；（2) RBF /E B F 方法，即径向基/椭圆基神经网络模型方法；（3 ) Orthogonal方法，S 卩正交多项式模型方法；（4) Kriging 方法，即克里格模型.2.3试验设计优化流程基于整车外流场CFD 分析，对整车的气动外形 进行优化，从而实现减小整车风阻的最终目的.以 Isight 软件作为试验设计优化平台，使用Sculptor 软16计算机辅助工程2017 年件作为网格工具实现外气动造型的快速变化.整车 及后视镜外气动特性优化流程见图2.图2外气动特性优化流程Fig. 2Process of aerodynamic characteristics optimization3 整车参数试验设计3.1首轮试验设计参数选取首轮共选取10个可变的外形设计参数进行试 验设计分析，分别为:前窗角、前舱角、前车体长度、格栅角、侧窗角、顶盖弧度、后车体长度、后窗角、后 侧鼓角、尾翼角.各参数变化示意见图3.参数均需要满足|定的设计范围要求，所选取的10 个设计参数其变化许可范围见表2.表210参数变化范围Tab. 2R a n g e of 10 parameters参数变化上限变化下限前窗角/(°)10-6前舱角/(°)10-6前车体长度/mm120-100格栅角/(°)5-3侧窗角/(°)14-6顶盖狐度/mm40-40后车体长度/mm100-120后窗角/(a)20-20后侧鼓角/(°)5-10尾翼角/(°)5-10整车外气动风阻系数对于各个设计参数的响应 关系往往存在很强的非线性.与正交试验相比，拉丁 超立方设计用同样的点数可以研究更多的组合，而 最优拉丁超立方设计使所有的试验点尽量均匀的分 布在设计空间内，具有非常好的空间填充性和均衡 性.因此，采用最优拉丁超立方的方法，对影响风阻 系数的10个参数进行设计取样.在样本空间内共选 取130个设计样本进行计算.进行试验设计首先需要将车体的造型参数化，通过网格调节变化实现车身空气动力学造型优化.将整车原始面网格导入Sculptor中进行网格变形，对样本空间内的130个设计样本通过建立网格变形 控制体直接对面网格进行操作进而改变车身造型; 再基于面网格，分别生成体网格进行整车外气动分 析计算，从而获取130个设计样本的风阻系数.主效应图为各个参数在整个设计空间内的平均 响应，可以大致反映各个参数对目标风阻系数的影 响，Pareto图可以反映各参数灵敏度.本次试验设计 中10个参数的主效应图见图4,Pareto图见图5.由首轮试验设计样本分析Paret◦图结果可知，10个参 数的灵敏度系数由大到小依次为:侧窗角、尾翼角、格栅角、后窗角、后侧鼓角、前舱角、前窗角、前车体 长度、后车体长度、顶盖弧度.3.3近似模型选取b) c) d)图3 10参数示意图Fig. 3 Schematic of 10 factors3.2首轮试验设计样本计算及分析由于整车造型要求、结构刚度等限制，各个设计获取所有的设计样本点及其对应的仿真分析结 果后，可通过创建近似模型的方法拟合样本空间的 近似响应.近似模型与样本点项符合的程度采用炉 值衡量，炉值越接近于1，表示近似模型可信度越 高.采用不同的近似模型获得的最优参数组合时的第2期彭婧，等:基于试验设计的某MPV整车外气动特性优化17-6 10前窗角/(°) a)前窗角-6 10前舱角/(。
旋转车轮气动效应的CFD仿真和风洞实验及减阻优化研究
然而该区域的流场受到汽车侧面和车底的前方 来流以及发动机舱内流场的共同影响，与车身、车底 结构和地面之间产生比较强烈的相互干扰［７］，并且 旋转 车 轮 还 会 对 这 一 区 域 的 流 场 产 生 能 量 输 入［８－９］，使该 处 的 流 场 结 构 更 为 复 杂。 目 前 对 该 区 域的流动现象和流动规律的认识较为有限，９月 ６日，修改稿收到日期为 ２０１８年 １１月 ２０日。 通信作者：王夫亮，博士，Ｅｍａｉｌ：Ｆｕｌｉａｎｇ＿Ｗａｎｇ＠ｐａｔａｃ．ｃｏｍ．ｃｎ。
２０１９（Ｖｏｌ．４１）Ｎｏ．９
方健，等：旋转车轮气动效应的 ＣＦＤ仿真和风洞实验及减阻优化研究
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阻力成为行驶阻力的最主要组成部分［１］，汽车气动 特性是影响节能减排和续航里程的重要性能，气动 减阻优化是整车开发中的重要工作。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ；ｍｏｖｉｎｇｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｒａｍｅｍｅｔｈｏｄ；ｗｈｅｅｌｒｏｔａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓ；ｎｕｍｅｒｉ ｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔ
前言
当前对传统汽车日益严苛的节能减排和电动汽 车延长续航里程的要求，使汽车空气动力学减阻开 发越来越受到重视。当车速超过 ７０ｋｍ／ｈ时，气动
关键词：汽车空气动力学；运动参考坐标系方法；车轮转动效应；数值模拟；风洞实验
ＡＳｔｕｄｙｏｎＣＦＤＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＷｉｎｄＴｕｎｎｅｌＴｅｓｔｏｎＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＥｆｆｅｃｔｓ ｏｆＷｈｅｅｌＲｏｔａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｇＲｅｄｕｃｔｉｏｎＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
CFD方案
CFD方案介绍CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）是一种基于数值方法的流体力学模拟技术，可用于分析和解决与流体相关的问题。
它通过对流体的运动进行数值求解，预测流体的行为，并提供详细的流体力学信息。
CFD方案是一种将CFD技术应用于实际工程问题的方法和流程的总称。
它包括建立数学模型、网格划分、数值求解和后处理等步骤。
CFD方案可以帮助工程师在设计和优化过程中对流体流动进行准确的分析和评估。
CFD方案的步骤步骤1：建立数学模型CFD方案的第一步是建立数学模型，这是对实际工程问题进行描述的数学公式和方程。
在建立数学模型时，需要考虑所需的物理方程、边界条件和初始条件等。
CFD方案中常用的数学模型包括：•线性稳态模型：适用于稳态流动问题，如管道流动和流体输运等。
•瞬态模型：适用于瞬态流动问题，如爆炸冲击、速度冲击等。
•湍流模型：适用于湍流流动问题，如湍流边界层、湍流流体力学等。
步骤2：网格划分网格是对空间进行离散化处理的方法，用于将连续域的问题转化为离散域的问题。
在CFD方案中，网格划分是非常重要的一步，它直接影响到模拟结果的准确性和计算效率。
常见的网格划分方法包括：•结构化网格：将计算区域划分为规则的网格单元，适用于简单几何形状和边界条件规则的问题。
•非结构化网格：将计算区域划分为不规则的网格单元，适用于复杂几何形状和边界条件复杂的问题。
步骤3：数值求解数值求解是CFD方案中的核心步骤，它通过数值方法对建立的数学模型进行求解，得到流体的速度、压力和温度等相关信息。
数值求解方法可以分为迭代求解和直接解析两种。
常用的数值求解方法包括：•有限差分法（FDM）：将问题的连续域离散化为有限的局部域，并在每个局部域中使用差分近似来计算非线性方程。
•有限体积法（FVM）：将问题的连续域离散化为有限体积，利用控制方程在体积内进行积分得到离散方程。
•有限元法（FEM）：将问题的连续域划分为有限的单元，并在每个单元上构建适当的形函数来近似求解问题。
基于CFD的汽车外流场数值模拟及优化
分类号 密级U D C 编号硕士学位论文基于CFD 的汽车外流场数值模拟及优化二零一五年五月研究生姓名： 查朦导师姓名： 苏小平申请学位级别： 硕士一级学科名称： 机械工程二级学科名称： 机械制造及其自动化Numerical Simulation and Model Optimization For Carbody Base on CFDA Thesis Submitted toNanjing Tech UniversityFor the Academic Degree of Master ofEngineeringBYMeng ZhaSupervisor: Prof. Xiaoping SuMay. 2015学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名：日期：学位论文的使用声明□1、南京工业大学、国家图书馆、中国科学技术信息研究所、万方数据电子出版社、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文并通过网络向社会提供信息服务。
论文的公布（包括刊登）授权南京工业大学研究生部办理。
（打钩生效）□2、本论文已经通过保密申请，请保留三年后按照第一项公开（打钩生效）□3、本论文已经通过校军工保密申请，不予公开（打钩生效）研究生签名：导师签名：日期：日期：硕士学位论文摘 要随着汽车工业技术及经济的发展，人们对汽车安全性、舒适性要求越来越高，而这很大程度上取决于汽车空气动力特性。
由于近年来数值计算理论及计算技术的发展进步，在新车开发初期越来越趋向于采用计算流体力学对汽车空气动力性能进行测试计算，该方法试验周期短、耗资少。
机械设计中的气动优化研究
机械设计中的气动优化研究在机械设计领域，气动优化研究是一项非常重要的工作。
通过对流体运动和空气动力学原理的研究，可以大大提高机械设备的性能和效率。
本文将探讨机械设计中的气动优化研究，并介绍一些常用的气动优化方法。
一、气动优化的背景和意义在机械设计中，气动力学是一个非常重要的方向。
随着科技的发展，人们对机械设备的性能和效率要求越来越高。
而气动力学作为一门研究流体运动和空气动力学原理的学科，可以为机械设计师提供很多有用的信息和指导。
气动优化的研究旨在通过改善机械设备的气流分布和阻力分布，以提高其性能和效率。
在汽车、飞机、风力发电机等领域中，气动优化已经成为一项不可或缺的工作。
通过气动优化，可以减小机械设备所受的阻力，降低能量损失，提高能源利用率。
二、常用的气动优化方法1. 数值模拟分析数值模拟分析是气动优化中最为常用的方法之一。
通过建立物理模型和数学模型，可以通过计算机模拟得到机械设备的气流分布和阻力分布。
数值模拟分析具有高精度、高效率的特点，可以大大加快气动优化的进程。
2. 实验测试实验测试是气动优化研究中不可或缺的一环。
通过搭建实验平台，可以对机械设备进行真实环境下的测试。
实验测试可以获得更加准确的结果，验证数值模拟分析的准确性。
同时，实验测试还可以发现一些数值模拟无法得到的问题和影响因素，对气动优化提供更多的信息。
3. 优化算法优化算法是气动优化中的核心内容。
通过建立数学模型和优化目标函数，可以利用优化算法搜索最优解。
常用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法和模拟退火算法等。
这些算法可以根据不同的气动优化问题选择合适的算法进行求解。
三、气动优化的应用领域气动优化在很多领域都有广泛的应用。
以下是一些典型的应用领域。
1. 汽车工业在汽车工业中，气动优化可以减小汽车的空气阻力，提高行驶稳定性和燃油效率。
通过改进车身外形和空气流线设计，可以减小车辆在高速行驶时所受的阻力，降低空气湍流噪音，提高车辆的安全性和舒适性。
汽车空气动力学的仿真与优化设计
汽车空气动力学的仿真与优化设计一、概述汽车空气动力学是指汽车与运动空气之间的相互作用。
汽车在高速行驶时会在前方形成一个压缩空气区，而在车身后方则形成一个低压区，这个区域叫做“尾流”。
汽车空气动力学仿真与优化设计可以帮助设计者在保证车辆外观美观的前提下，将车辆的空气动力学性能进行优化，从而提高车辆的性能。
二、汽车空气动力学仿真汽车空气动力学仿真是利用计算机对车辆在不同速度下的空气动力学特性进行模拟和分析。
通过仿真可以得到车辆的气动系数、压力分布、气动阻力、升力等等数据。
其中，气动系数指的是车辆外形、前进速度、气流方向等参数对空气动力学特性的影响。
在汽车空气动力学仿真时，需要采用数学模型对车辆在运动时所承受的气流压力、阻力进行分析，同时要考虑车辆的形状、尺寸、质量等因素。
针对不同的车型和设计方案，需要选取不同的数值模拟工具和方法。
以CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）为例，利用CFD软件可以对空气在车辆表面流动的物理过程进行数值求解。
在求解过程中，需要将车身模型放入数值计算区域内，通过建立网格、设定运动状态和气流条件等设定参数，得出汽车在不同速度下的气动力学特性。
三、汽车空气动力学优化设计汽车空气动力学优化设计是指在保持车辆外观美观的前提下，对车辆外型进行改良，从而降低车辆的空气阻力和汽车的油耗。
优化设计主要包括以下几个方面：（一）车身风阻降低车身的设计和外形是在保证车辆美观的基础上进行优化的。
优秀的外形设计不仅能够提升车辆品质的形象，还可以通过降低车身风阻来减少空气阻力。
例如，凸起和边角分明的车身设计会导致流体分离，提高拖拽系数，增加风阻。
相反，流畅的车身设计会减缓空气流动并降低阻力，使车辆动力性能更好。
（二）提高车辆通风性在车辆高速行驶时，为了降低车辆的空气阻力，通风口和散热孔一般要尽量少，但是这也会导致车内温度过高。
因此，通过改变通风口位置或者设置特殊的气流引导装置，可以解决车内通风问题。
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从 图 ４对称 面压力 云 图可 以看 出 ， 车头 缘角 、 挡风玻 璃 以及行 李 箱盖 后缘 等 压线 比较密 集 ， 味着 较 意
大 的压强梯 度 ， 而正压 区压强 梯度大 意 味着 该 区域平均 压强大 和流 动能量损 失大 ； 而在负 压 区压 强梯 度大 则 意 味着该 区域平 均压 强低 和流动 能量损 失大 ， 两者相 互作用 的结果 就是气 动阻 力大．
文 章 编 号 ：０ ０ ５ １ （ ０ ２ ０ ０ ６０ １ ０ — ８ １ ２ １ ） ２０ ５ — ６
某轿 车气 动特 性 的 Ｃ Ｄ分 析及 优 化 Ｆ
张 怀 华 ， 江 磊 ， 建 成 容 郭
（． 南 长 丰 汽 车 沙发 有 限责 任 公 司 ， 南 永 州 １湖 湖 ４ ５ ０ ； ． 汽 大 众 汽 车有 限公 司 ， ２１１ ２一 吉林 长 春 １０ １ ； ３ ０ １ ４０８） １０ ２ ３ 湖 南 大 学 汽 车 车 身 先 进 设 计 制 造 国 家重 点 实 验 室 ， 南 长 沙 ． 湖
中 图 法 分 类 号 ： ６ ． Ｕ４ １ １ 文献标 识码 ： Ａ
０ 引 言
随着现 代汽 车工业 和高速 公路 的发展 ， 全球 汽车每 年 的产 销量 和保有 量不断 增加 ， 汽车产 业 巨大 的能
源需求 ， 给石 油资 源带来 越来 越大 的压力． 而汽 车的燃 油 消耗 与其 空气 动力 学性 能 ， 别是 气 动阻 力 有很 特 大 的联系． 究 表 明， 研 当车速 达到 ８ ｍ／ ０ｋ ｈ时 ， 气动 阻力 与滚 动 阻力 几 乎 相等 ； 当车速 为 １０ｋ ｈ时 ， ５ ｍ／ 气
第 ３ Ｏ卷
第 ２ 期
陕 西科 技 大 学 学报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｈ ａ ｘ ｉ ｅ ｓｔ ｆＳ ｉｎ ｅ ＆ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｒ ａ ｆＳ ａ ｎ ｉ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ ｃｅ ｃ ｙ ｃ ｎ ｌｇ
Ｖ ０ Ｏ ＮＯ． Ｌ３ ２
Ａｐｒ ０１ ．２ ２
２１ ０ ２年 ４月
动阻 力相 当于滚 动阻力 的 ２ ～３倍口 ． ］ 因此 ， 研究 汽车 的动气 动力 学 特性 ， 通 过改 进其 气 动性 能 ， 别是 并 特 对气 动 阻力 的优 化 ， 于提 高汽 车的燃 油经济性 有 十分重要 的意 义． 对 传统 的汽 车空气 动力学研 究方 法主要 有理 论分析 、 试验 研究 和数值模 拟［ ． ２ 汽车空气 动力 学 的数值模 ］
Ｏｕｔｅ ｌｔ Ｇ ｒ ｎｄ ｏｕ Ｔｏｐ ａ ｉ ｌｓ ｎｄ ｓｄｅ ｗａ ｌ Ｐｒ ｓ ｕｒ ｕｔｅｔ 一 １ ３ ｅ ｓ ｅｏ ｌ ， ０１ ２５ Ｐａ
流 处理 ． 仿真 中常用 的 湍流模 型 有 Ｒ ｙ ｏｄ ｔｅｓ ｅ ｎ ｌｓＳｒｓ 模
Ｍ ｏ ｉｇｗａ１ － ４ ｓ ｖｎ ｌ．Ｖ－ ０ ｍ／
摘 要 ： 以一轿 车模 型 为研 究对 象 ， 采用 Ｃ Ｄ仿 真的方 法 ， Ｆ 对其 车 身表 面压 力分布 和车 身周 围
气 流 状 况进 行 了 深 入 地 分 析 和 研 究 ， 明 了轿 车 气 动 阻力 产 生 的原 因． 了 实现 对 气 动 阻 力 的 阐 为
优 化 ， 合 全 局 优 化 方 法 和 局 部 优 化 方 法 的 优 点 ， 迭 代 的 思 想 引 入 局 部 优 化 方 法 中 ， 过 迭 结 将 通
拟方 法一 般称 为计算 流体力 学 （ Ｆ ） 具 有耗 时短 、 Ｃ Ｄ ， 操作 简便 、 结果 不受实 验条件 影 响等 优势 ， 在汽 车空 气 动力 学性 能 的研究 中应 用 最 为广 泛 ． 国外 对 Ｃ Ｄ方 法 的 研究 和运 用 已经达 到 较 高 的水平 ， 内虽 然 对 Ｆ 国 Ｃ Ｄ方 法 的研究起 步较 晚 ， Ｆ 但也 获得 了很 大 的 进步 和成 果 ． 目前 ， 内运用 Ｃ Ｄ方 法 对 汽车 主 要 空气 动 国 Ｆ 力 学指标 的仿 真 ， 风洞试 验验 证 已经 能达 到较高 的精度 ． 经 本文 即是基 于 Ｃ Ｄ方法 ， Ｆ 对某轿 车 的空 气动 力
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图 １ 某轿 车 简 化 模 型
图 ２ 计 算域 示意 图
为 准确模 拟实 际 风洞 的气流 状况 ， 建立 外轮 廓 为长方 体 的计 算 域． 根据 汽 车 外流 场 的特 点 ， 结合 以往
对轿 车 的仿 真计 算 是在 大 型商用 软 件 Ｆ ＵＥ Ｌ ＮＴ 中进 行 的． 车速 为 ４ ｓ ， 在 Ｏｍ／ 时 通过 仿真 计 算得 到 的气 动 阻力 系数 ｃ 为 ０ ３ ８ 封 闭进 气 格 栅 时 Ｃ ．３ ， 为 ０ ２ ６ 而 封 闭格 栅 的 模 型 风 洞试 验 测 得 的 ｃ ．８ ， 为
部优 化方 法具有 “ 全局 单调下 降” 点 ， 证整个 优化 过程 中气动阻 力一直 降低 ， 而优 化 了某轿 车的气动 特 保 从
阻 力． １ ＣＦ 仿 真 分 析 方 法 Ｄ
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收稿 日期 ： ０ ２Ｏ — ２ ２ １ －１ １
基金项 目： 国家 自然科 学 基 金 项 目（ ０７ ０ ３ ； 南 省 科 技攻 关 计 划 重 点项 目（ｏ ９Ｔ１１ ） 教 育 部 长江 学 者 与 创 新 团 队 发 展 计 划 ５ ９ ５８ ） 湖 ２ ＯＪ ｏ ４ ； （ ３ １ ５５ ０ ７ ； 南 大 学 汽 车车 身 先 进 设 计 制造 国家 重 点 实验 室 自主课 题 （ １ ７０ １ ． ５ １ ００ ０ ３ ）湖 ６ ０５ ０ ） 作 者 简 介 ： 怀 华 （ ９ ４ ）男 ， 南 省永 卅『 人 ， 程 师 ， 究 方 向 ： 车整 车 性 能 优 化 张 １７一 ， 湖 市 工 研 汽
化 网格 ， 车身 表 面拉伸 出与 其平行 的 三棱柱 网格 作为 附 面层 ， 在 以消除 壁面 函数 的影 响． 为提 高计算 精度 ， 建立 包 围车身 的密 度核 ， 同时 为 了避 免 网格差 异对 仿真 结 果 的影 响 ， 在每 次仿 真 过 程 中 ， 持模 型 的相 同 保 部分 网格 尺寸不 变 ， 同时用 不 同数 目的 网格验 证 网格 的无关性 ｌ ． 车底 部 的网格模 型如 图 ３ 示． ＿ 轿 ４ ］ 所
０ ２ ０ 仿 真结果 和实 验误差 在 ３ 以内 ， 明 了仿 真 的可 靠性 ． ．８， 证
２ 原 车 气 动 特 性 分 析
２ １ 车 身表 面压 力分析 ． 汽 车车 身表 面压力分 布与 汽车外 形有着 非常 密切 的联 系 ， 的研 究对 汽 车气 动力 的产生 有 重要 的影 它
代 式的局 部 改型 ， 保证 了优 化过程 中气动 阻力是一 直降低 的． 结果表 明 ， 气动 阻力 系数 由０ ３ ８ ． ３
降 至 ０ ３ ７， 幅 ６ ２ ， 得 了很 好 的 效 果 ． ．１ 降 ．１ 取
关键 词 ： Ｆ 仿真 ； 车 ；空气 动力 学特性 ；气动 阻力 ； Ｃ Ｄ 轿 迭代 式局部 优化
图 ３ 底 部 网格 模 型
图 ４ 纵 对 称 面 压 力 分 布
１ ３ 湍 流 模 型 及 边 界 奈 件 ．
表 １ 边 界 条 件 参 数 设 置
汽 车 周 围 流 场 可 以 看 作 是 三 维 不 可 压 缩 粘 性 等 温
流 场． 由于其 外形 复杂容 易引 起气 流分离 ， 以应按 湍 所
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３ｅ ｓ ｒ （ ｏｎ ｏ ｒ ， ｒ ｓｕ ｅ Ｃ ｔ ｕ １
口 １
图 ５ 车身表 面压 力云 图
图 ６ 纵对称 面尾 涡示意 图
从 图 ５车身 表面压 力云 图可 以看 出 ， 车前 部 、 轿 后视 镜 和前 风窗 玻璃 等处 都 有一 定 的 正压 区域 ， 是 这 由于 这些 区域都 是直接 承受来 流 冲击 的， 它们是 构成整 车气动 阻力 的主要 因素． 果能够 进一 步改进 车头 如 造型 ， 减小 车头 正投影 面积 ， 减小 气动 阻力有一 定 的效 果． Ａ 柱 、 风玻 璃与 顶棚 的交 接处 等 ， 对 在 挡 由于气 体 的分离 ， 致使 这些 区域为 负压 区 ， 这些 区域 的气 流分 离会 造 成漩 涡生 成 、 旋转 、 落 ， 样 会 消耗 大 量 的 脱 这
第 ２期
张 怀 华 等 ： 轿 车 气 动 特性 的 Ｃ Ｄ分 析 及 优 化 某 Ｆ
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１１ Ｃ ． ＡＤ 模 型 建 立
某轿 车 Ｃ ＡＤ模 型 是在 ＵＧ 中建 立 的． 由于实 车模 型 比较 复杂 ， 给 网格绘 制和 仿真 计算 带来 很大 困 会
难， 而且耗 时长 、 效率 低 ， 因此 需要对 车 身模 型进行 简化 ， 略 一些 对 气动 力计 算 影 响很 小 的 细节 ， 门把 忽 如 手 ， 刮器 等 ， 雨 简化后 的模 型如 图 １所示 ．
能量 ， 大汽车 的气动 阻力 ． 增
２ ２ 车 身周 围 流 场 分 析 ．
汽 车 的流 场分 为外部 流场 和 内部 流场 ， 汽 车 空气 动 力 学特 性 的重要 方 面． 是 研究 汽 车周 围 的流场 情
况 ， 以更 好 的理解气 流 的运动 情况 ， 一步 找出优 化 的方 案． 可 进
将 散 热器 、 中冷 器 、 冷凝器 设置 为多 孑 介 质 ， 孔介 质参 数是 根 据各 部件 压 降 与迎 面 风速 的关 系 曲线 的方 Ｌ 多
法 确 定． 算域 边界 条件 设置 如表 １ 计 ． ・ Fra bibliotek５ ８・