0 前言

    自首輛汽車誕生一個多世紀(jì)以來，隨著汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車技術(shù)日新月異，安全與節(jié)能己成為汽車發(fā)展的兩大主題。汽車空氣動力學(xué)的發(fā)展不僅與目前汽車的發(fā)展主題相適應(yīng)，更與汽車的燃油經(jīng)濟性、動力性、操作穩(wěn)定性、舒適性以及安全性等息息相關(guān)。經(jīng)研究，在車速為60km/h時，氣動阻力與滾動阻力相當(dāng)，而當(dāng)車速達到80km/h后，氣動阻力將成為汽車行駛的主要阻力，當(dāng)車速達到150km/h時，氣動阻力甚至是滾動阻力的2～3倍。所以，隨著高速公路的發(fā)展和汽車速度的提升，汽車空氣動力學(xué)的研究將在汽車開發(fā)過程中占有越來越重的地位。車頭作為影響汽車空氣動力學(xué)性能的關(guān)鍵部分，其造型特點直接影響著汽車的流場分布和氣動阻力大小。

    本文使用STAR-CCM+軟件對公司某款車型進行了外流場數(shù)值仿真模擬，并對其車頭切風(fēng)角進行了細(xì)致的分析優(yōu)化，研究其具有最佳空氣動力學(xué)性能的切風(fēng)角造型。

1 氣動分析理論基礎(chǔ)及幾何模型

    1.1 理論基礎(chǔ)

    計算流體力學(xué)是指在流動基本方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程）控制下對流體流動的數(shù)值模擬。通過這種模擬可以得到復(fù)雜流場內(nèi)各個位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布情況，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定旋渦分布特性、空化特性、及脫流區(qū)等。目前研究湍流的控制方程主要有湍流瞬時控制方程和雷諾時均控制方程，同時，為了求解控制方程，需要將控制方程在空間上進行離散化，而常用的離散方法有有限差分法、有限元法和有限體積法。本次應(yīng)用STAR-CCM+分析主要基于時均化的Navier-Stokes方程組和近壁區(qū)壁面函數(shù)法處理，并采用有限體積法離散化。

    1.2 幾何模型與物理模型

    網(wǎng)格劃分：采用Trim網(wǎng)格，分別設(shè)置了五個加密區(qū)，五層壁面。

    進口條件：速度進口條件。

    出口條件：壓力出口條件。

    固壁條件：速度為零。

    湍流模型：Realizable k-e湍流模型。

    壁面函數(shù)：Two-Layer All y+ Wall Treatment。

    采用長方體區(qū)域模擬車體模型在風(fēng)洞中的情況，計算域的大小如下圖所示：

圖1 計算域

圖2 模型圖示

圖3 體網(wǎng)格加密圖示

2 結(jié)果分析

    2.1 壓力云圖與研究區(qū)域圖示

圖4 基礎(chǔ)模型的壓力云圖

    針對研究區(qū)域（圖中紅色線框區(qū)域），車頭壓力從左側(cè)的紅色高壓區(qū)很快變化到前輪眉處的藍(lán)色負(fù)壓，一般情況下，壓力變化過快的區(qū)域（氣流分離較嚴(yán)重）都屬于需要重點關(guān)注優(yōu)化的區(qū)域，下面針對此區(qū)域做了六種優(yōu)化方案，并分析研究其風(fēng)阻變化。

    2.2 優(yōu)化方案

    圖5中所示曲線從內(nèi)側(cè)至外側(cè)分別命名為：Mod 1、Mod 2、1 Mod 3、Mod 4、Mod 5、Mod 6、Mod 7，其中，Mod 1為基礎(chǔ)模型，其過度均勻，Mod 2～Mod 7分別在此區(qū)域做不同程度的切風(fēng)角，分析其對風(fēng)阻的影響，找出最有利于風(fēng)阻的造型特征。

圖5 優(yōu)化方案示意圖

    在做優(yōu)化方案時，Mod 2～Mod 5均將圖中紅色長箭線與方案曲線焦點作為控制點，紅色線框區(qū)域作為優(yōu)化變形區(qū)域，分別將控制點沿X負(fù)向移動，Mod 6和Mod 7將短箭線與截面曲線焦點作為控制點，優(yōu)化區(qū)域不變，分別將控制點沿X負(fù)向移動，并保持附近區(qū)域的造型特征與審美要求。

3 計算結(jié)果與分析

    對各個模型分別建模計算，其風(fēng)阻結(jié)果對比見下表：

表1 風(fēng)阻結(jié)果對比表

    從計算結(jié)果對比表可以看出，  Mod 1的風(fēng)阻為造型的基礎(chǔ)模型的風(fēng)阻，優(yōu)化方案Mod 4的風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化效果為3.1counts，方案Mod 7優(yōu)化效果變差，風(fēng)阻系數(shù)增大了1.0counts。

    下面針對基礎(chǔ)造型Mod 1(base)和最優(yōu)方案Mod 4以及最差方案Mod 7的截面壓力云圖進行對比分析：

圖6 Mod 1(base)截面壓力圖

圖7 Mod 4截面壓力圖

圖8 Mod 7截面壓力圖

    對比三個模型研究變形區(qū)域的俯視截面壓力云圖，可以發(fā)現(xiàn)：

    在高壓區(qū)(圖中藍(lán)色方框區(qū)域)，隨著變形程度的增大，其壓力也越來越大，越來越對風(fēng)阻不利；

    而在負(fù)壓區(qū)(圖中紅色橢圓區(qū)域)，在變形過程中，開始其負(fù)壓區(qū)域增大，壓力也持續(xù)減小，車頭負(fù)壓有利于風(fēng)阻的降低，但是當(dāng)變形到某一程度后，其負(fù)壓區(qū)受變形的影響將會很小。

    當(dāng)控制點變形至某一位置時，高壓區(qū)的不利影響和負(fù)壓區(qū)的有利影響對車輛的風(fēng)阻的綜合效果達到最佳，此時的變形方案即為最佳優(yōu)化方案，其所形成的切風(fēng)角即為最佳切風(fēng)角。

    下面針對Mod 1(base)基礎(chǔ)模型和Mod 4最優(yōu)模型的速度矢量圖進行對比分析：

圖9 Mod 1速度矢量圖

圖10 Mod 4速度矢量圖

    對比兩模型的速度矢量圖，發(fā)現(xiàn)氣流在流經(jīng)變形控制點（切風(fēng)角位置）之后，速度會有一個比較明顯的增加，依據(jù)伯努利方程，在流體速度相對較大時，壓力會相對較小，即在圖中紅色線框區(qū)域壓力較小，從而使車輛車頭和車尾形成的壓差阻力減小，有利于風(fēng)阻的降低。

4 結(jié)論

    (1)采用STAR-CCM+軟件的trim網(wǎng)格、Realizable k-ε湍流模型和Two-Layer All y+ Wall Treatment壁面函數(shù)在汽車設(shè)計初期就可以對造型進行空氣動力學(xué)分析優(yōu)化，縮短了開發(fā)周期，并節(jié)約了試驗成本。

    (2)對比分析優(yōu)化結(jié)果，在設(shè)計車頭兩側(cè)（前保兩側(cè)）的造型時，增加適當(dāng)?shù)那酗L(fēng)角，可以較好的降低其風(fēng)阻系數(shù)，改善其氣動性能。

    (3)最優(yōu)方案Mod 4的優(yōu)化效果為3.1counts。

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本文標(biāo)題：基于STAR-CCM+的某車型最佳切風(fēng)角仿真分析

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