0 前言
汽車空氣動力學對于整車的經濟性、動力性、舒適性和行駛安全的研究具有特殊重要的意義，它是車輛工程領域一個非常重要的研究方向。隨著計算機技術和流體力學數(shù)值計算理論的發(fā)展，計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)已成為了汽車空氣動力學研究的重要手段。傳統(tǒng)的汽車空氣動力學研究依賴與汽車風洞試驗，但是現(xiàn)在應用CFD空氣動力學數(shù)值模擬技術，可以在計算機上完成汽車風洞試驗，使得對汽車空氣動力學開展全面系統(tǒng)的科學研究更簡便而有效。
在國家戰(zhàn)略政策的引導下，汽車工業(yè)逐漸開始走向自主開發(fā)的道路。隨著能源問題的日益突出，節(jié)能減排也成為汽車設計的主要目的。整車氣動性能是汽車空氣動力學的核心問題，在造型階段，氣動性能主要關注車輛的阻力系數(shù)。當車速達到100km/h時發(fā)動機約80%的動力用來克服氣動阻力，假如整車空氣動力學性能提高10%，油耗就可降低4%～5%。
本文利用計算流體力學軟件STAR-CCM+對某車型進行了整車外流場的計算，通過對整車近壁面速度場以及各截面速度場分析，對該車前唇擾流板，前后輪擾流板，以及后擾流板的組合優(yōu)化進行評價。
1 建立計算模型
1.1 物理模型
流體流動要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。
(1)質量守恒方程（連續(xù)方程）
(2)動量守恒方程（運動方程，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為流體的內熱源及由于黏性作用流體機械能轉化為熱能的部分。
通常在對外流場模擬的時候應用較多的是RNG k-ε湍流模型。在這種模型中，通過在大尺度運動和修正后的黏度項體現(xiàn)小尺度的影響，將小尺度運動從控制方程中移除。在對Navier-Stokes方程進行雷諾時均化處理時，引進了新的變量項u＇iu＇j（雷諾應力項）。為使方程組封閉，必須對雷諾應力做出某種假定，在大量的實驗基礎上推導出雷諾應做出某種假定，在大量的實驗基礎上推導出雷諾應力方程如下
(4)湍流動能k方程
(5)湍動能耗散率方程
其中，
式中k為湍流動能，ε為湍流動能耗散率μeff為湍流有效黏性系數(shù)，ρ為空氣密度，Γeff表示湍動能有效擴散系數(shù)，Γεeff表示湍動能黏性耗散率有效擴散系數(shù)。
1.2 幾何模型
由于計算結果的精確度與網格單元的大小密切相關，但是網格數(shù)量受計算機硬件制約嚴重，故只能對模型做局部加密細化，例如近氣格柵，發(fā)艙內部冷卻系統(tǒng)等部件需要細化，對仿真結果影響不大的區(qū)域網格則需漸進粗化。在ANSA中進行幾何處理并劃分面網格如圖1、圖2所示。
圖1 車體面網格
圖2 發(fā)動機室面網格
在前處理后導入STAR-CCM+中進行Surface Remesher以及體網格的生成。生成流體計算域，域基本尺寸為：車前3倍車長，車后7倍車長，寬度4倍車寬，高5倍車高。外流場體網格采取三個區(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 計算域
1.3 初始邊界條件
車速100km/h，地面X方向100km/h移動，車輪轉速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模型。
2 模型計算結果
2.1 初始模型
經計算后初始模型的風阻系數(shù)Cd為0.381，散熱器空氣質量流量0.666kg/s，冷凝器空氣質量流量0.903kg/s，中冷器空氣質量流量0.255kg/s。
2.2 優(yōu)化模型
在原整車詳細模型的基礎上，保證車身其他結構尺寸不變，增加前唇擾流板，前后輪擾流板以及延長后擾流板并且調整其角度，具體形式如圖4、圖5所示。具體計算結果如表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 計算結果
由于氣體粘性的存在，氣流在流經車底不平整區(qū)域時產生不同程度的分離，以及流經尾部由于壓力差的存在，不斷產生漩渦，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稱面速度標量圖，下圖為經過優(yōu)化后模型的對稱面速度標量圖�？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了發(fā)動機室下部不平整區(qū)域，有效減少了氣流對底部不平整部件的沖擊。后擾流板的加長與角度調整，使得車尾去的負壓區(qū)有明顯向下的趨勢，一定程摩上減小了尾部負壓區(qū)域。
圖7 對稱面速度標量圖
圖8為后輪區(qū)域XY平面速度標量圖，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輪后負壓區(qū)域。在車尾近壁面速度標量圖中也有所體現(xiàn)，如圖9所示。
圖8 輪胎截面速度標量
圖9 近壁面速度標量
計算數(shù)據(jù)顯示前唇擾流板的存在不僅使得整車的風阻降低，還有效的提高了冷卻模塊的通風量，對于改善整車的冷卻性能，提高換熱效率有明顯的效果，如圖10、圖11所示，發(fā)動機室氣體流速明顯改善。
圖10 原始模型發(fā)動機室
圖11 優(yōu)化模型發(fā)動機室
3 結論
車底的不平整區(qū)域與車尾的負壓區(qū)是影響整車氣動性能的重要區(qū)域。高速氣流對凸出零件的沖擊與尾部漩渦的不斷產生于均造成了不可逆的能量損失。通過增加前唇擾流板，前后輪擾流板以及后擾流板的加長與角度調整的組合優(yōu)化，有效的改善了整車的氣動性能，達到了減阻的目的。同時，組合優(yōu)化有效的提高了冷卻模塊的進出口壓力差，增大了冷卻系統(tǒng)的通風量，改善了整車的冷卻性能，提高了熱交換效率。
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本文標題：整車氣動性能分析與優(yōu)化
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