0 前言

    汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)于整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、舒適性和行駛安全的研究具有特殊重要的意義，它是車(chē)輛工程領(lǐng)域一個(gè)非常重要的研究方向。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算理論的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)已成為了汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究的重要手段。傳統(tǒng)的汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究依賴(lài)與汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)，但是現(xiàn)在應(yīng)用CFD空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)上完成汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)，使得對(duì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)展全面系統(tǒng)的科學(xué)研究更簡(jiǎn)便而有效。

    在國(guó)家戰(zhàn)略政策的引導(dǎo)下，汽車(chē)工業(yè)逐漸開(kāi)始走向自主開(kāi)發(fā)的道路。隨著能源問(wèn)題的日益突出，節(jié)能減排也成為汽車(chē)設(shè)計(jì)的主要目的。整車(chē)氣動(dòng)性能是汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的核心問(wèn)題，在造型階段，氣動(dòng)性能主要關(guān)注車(chē)輛的阻力系數(shù)。當(dāng)車(chē)速達(dá)到100km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)約80%的動(dòng)力用來(lái)克服氣動(dòng)阻力，假如整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能提高10%，油耗就可降低4%～5%。

    本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+對(duì)某車(chē)型進(jìn)行了整車(chē)外流場(chǎng)的計(jì)算，通過(guò)對(duì)整車(chē)近壁面速度場(chǎng)以及各截面速度場(chǎng)分析，對(duì)該車(chē)前唇擾流板，前后輪擾流板，以及后擾流板的組合優(yōu)化進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 建立計(jì)算模型

    1.1 物理模型

    流體流動(dòng)要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。

    (1)質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）

    (2)動(dòng)量守恒方程（運(yùn)動(dòng)方程，Navier-Stokes方程）

    (3)能量守恒方程

    式中，v為平均速度，vi為平均速度分量，xi為坐標(biāo)分量，T為溫度，K為流體的傳熱系數(shù)，Cp為比熱容，ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。

    通常在對(duì)外流場(chǎng)模擬的時(shí)候應(yīng)用較多的是RNG k-ε湍流模型。在這種模型中，通過(guò)在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的黏度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，將小尺度運(yùn)動(dòng)從控制方程中移除。在對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行雷諾時(shí)均化處理時(shí)，引進(jìn)了新的變量項(xiàng)u＇iu＇j（雷諾應(yīng)力項(xiàng)）。為使方程組封閉，必須對(duì)雷諾應(yīng)力做出某種假定，在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雷諾應(yīng)做出某種假定，在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上推導(dǎo)出雷諾應(yīng)力方程如下

    (4)湍流動(dòng)能k方程

    (5)湍動(dòng)能耗散率方程

    其中，

    式中k為湍流動(dòng)能，ε為湍流動(dòng)能耗散率μeff為湍流有效黏性系數(shù)，ρ為空氣密度，Γeff表示湍動(dòng)能有效擴(kuò)散系數(shù)，Γεeff表示湍動(dòng)能黏性耗散率有效擴(kuò)散系數(shù)。

    1.2 幾何模型

    由于計(jì)算結(jié)果的精確度與網(wǎng)格單元的大小密切相關(guān)，但是網(wǎng)格數(shù)量受計(jì)算機(jī)硬件制約嚴(yán)重，故只能對(duì)模型做局部加密細(xì)化，例如近氣格柵，發(fā)艙內(nèi)部冷卻系統(tǒng)等部件需要細(xì)化，對(duì)仿真結(jié)果影響不大的區(qū)域網(wǎng)格則需漸進(jìn)粗化。在ANSA中進(jìn)行幾何處理并劃分面網(wǎng)格如圖1、圖2所示。

圖1 車(chē)體面網(wǎng)格

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)室面網(wǎng)格

    在前處理后導(dǎo)入STAR-CCM+中進(jìn)行Surface Remesher以及體網(wǎng)格的生成。生成流體計(jì)算域，域基本尺寸為：車(chē)前3倍車(chē)長(zhǎng)，車(chē)后7倍車(chē)長(zhǎng)，寬度4倍車(chē)寬，高5倍車(chē)高。外流場(chǎng)體網(wǎng)格采取三個(gè)區(qū)域加密，控制尺寸分別為60mm、80mm、120mm，以及后視鏡區(qū)域局部加密控制尺寸為15mm。

圖3 計(jì)算域

    1.3 初始邊界條件

    車(chē)速100km/h，地面X方向100km/h移動(dòng)，車(chē)輪轉(zhuǎn)速702rpm，入口采取速度輸入，出口壓力輸出，滑移壁面。中冷器、冷凝器、散熱器采用多孔介質(zhì)模型。

2 模型計(jì)算結(jié)果

    2.1 初始模型

    經(jīng)計(jì)算后初始模型的風(fēng)阻系數(shù)Cd為0.381，散熱器空氣質(zhì)量流量0.666kg/s，冷凝器空氣質(zhì)量流量0.903kg/s，中冷器空氣質(zhì)量流量0.255kg/s。

    2.2 優(yōu)化模型

    在原整車(chē)詳細(xì)模型的基礎(chǔ)上，保證車(chē)身其他結(jié)構(gòu)尺寸不變，增加前唇擾流板，前后輪擾流板以及延長(zhǎng)后擾流板并且調(diào)整其角度，具體形式如圖4、圖5所示。具體計(jì)算結(jié)果如表1。

圖4 優(yōu)化局部放大

圖5 原始模型

圖6 優(yōu)化模型

表1 計(jì)算結(jié)果

    由于氣體粘性的存在，氣流在流經(jīng)車(chē)底不平整區(qū)域時(shí)產(chǎn)生不同程度的分離，以及流經(jīng)尾部由于壓力差的存在，不斷產(chǎn)生漩渦，這些現(xiàn)象均造成了不可逆的能量損失，是空氣阻力的主要原因。圖7上圖為原始模型的對(duì)稱(chēng)面速度標(biāo)量圖，下圖為經(jīng)過(guò)優(yōu)化后模型的對(duì)稱(chēng)面速度標(biāo)量圖�？梢钥闯鲇捎谇按綌_流板的存在高速氣流在一定程度上避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)室下部不平整區(qū)域，有效減少了氣流對(duì)底部不平整部件的沖擊。后擾流板的加長(zhǎng)與角度調(diào)整，使得車(chē)尾去的負(fù)壓區(qū)有明顯向下的趨勢(shì)，一定程摩上減小了尾部負(fù)壓區(qū)域。

圖7 對(duì)稱(chēng)面速度標(biāo)量圖

    圖8為后輪區(qū)域XY平面速度標(biāo)量圖，上圖為原始模型，下圖為增加后輪擾流板的優(yōu)化模型，可以看出由于擾流板的存在有效的減小車(chē)輪后負(fù)壓區(qū)域。在車(chē)尾近壁面速度標(biāo)量圖中也有所體現(xiàn)，如圖9所示。

圖8 輪胎截面速度標(biāo)量

圖9 近壁面速度標(biāo)量

    計(jì)算數(shù)據(jù)顯示前唇擾流板的存在不僅使得整車(chē)的風(fēng)阻降低，還有效的提高了冷卻模塊的通風(fēng)量，對(duì)于改善整車(chē)的冷卻性能，提高換熱效率有明顯的效果，如圖10、圖11所示，發(fā)動(dòng)機(jī)室氣體流速明顯改善。

圖10 原始模型發(fā)動(dòng)機(jī)室

圖11 優(yōu)化模型發(fā)動(dòng)機(jī)室

3 結(jié)論

    車(chē)底的不平整區(qū)域與車(chē)尾的負(fù)壓區(qū)是影響整車(chē)氣動(dòng)性能的重要區(qū)域。高速氣流對(duì)凸出零件的沖擊與尾部漩渦的不斷產(chǎn)生于均造成了不可逆的能量損失。通過(guò)增加前唇擾流板，前后輪擾流板以及后擾流板的加長(zhǎng)與角度調(diào)整的組合優(yōu)化，有效的改善了整車(chē)的氣動(dòng)性能，達(dá)到了減阻的目的。同時(shí)，組合優(yōu)化有效的提高了冷卻模塊的進(jìn)出口壓力差，增大了冷卻系統(tǒng)的通風(fēng)量，改善了整車(chē)的冷卻性能，提高了熱交換效率。

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