0 前言

    自首輛汽車誕生一個(gè)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(dòng)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(jì)性、動(dòng)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(shí)，氣動(dòng)阻力與滾動(dòng)阻力相當(dāng)，而當(dāng)車速達(dá)到80km/h后，氣動(dòng)阻力將成為汽車行駛的主要阻力，當(dāng)車速達(dá)到150km/h時(shí)，氣動(dòng)阻力甚至是滾動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵部分，其造型特點(diǎn)直接影響著汽車的流場(chǎng)分布和氣動(dòng)阻力大小。

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

1 氣動(dòng)分析理論基礎(chǔ)及幾何模型

    1.1 理論基礎(chǔ)

    計(jì)算流體力學(xué)是指在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程）控制下對(duì)流體流動(dòng)的數(shù)值模擬。通過這種模擬可以得到復(fù)雜流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)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(shí)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(shí)控制方程和雷諾時(shí)均控制方程，同時(shí)，為了求解控制方程，需要將控制方程在空間上進(jìn)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(shí)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(gè)加密區(qū)，五層壁面。

    進(jìn)口條件：速度進(jìn)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(zhǎng)方體區(qū)域模擬車體模型在風(fēng)洞中的情況，計(jì)算域的大小如下圖所示：

圖1 計(jì)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(duì)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(diǎn)關(guān)注優(yōu)化的區(qū)域，下面針對(duì)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(duì)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(shí)，Mod 2～Mod 5均將圖中紅色長(zhǎng)箭線與方案曲線焦點(diǎn)作為控制點(diǎn)，紅色線框區(qū)域作為優(yōu)化變形區(qū)域，分別將控制點(diǎn)沿X負(fù)向移動(dòng)，Mod 6和Mod 7將短箭線與截面曲線焦點(diǎn)作為控制點(diǎn)，優(yōu)化區(qū)域不變，分別將控制點(diǎn)沿X負(fù)向移動(dòng)，并保持附近區(qū)域的造型特征與審美要求。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

    對(duì)各個(gè)模型分別建模計(jì)算，其風(fēng)阻結(jié)果對(duì)比見下表：

表1 風(fēng)阻結(jié)果對(duì)比表

    從計(jì)算結(jié)果對(duì)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(duì)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(jìn)行對(duì)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(duì)比三個(gè)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(duì)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(huì)很小。

    當(dāng)控制點(diǎn)變形至某一位置時(shí)，高壓區(qū)的不利影響和負(fù)壓區(qū)的有利影響對(duì)車輛的風(fēng)阻的綜合效果達(dá)到最佳，此時(shí)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(duì)Mod 1(base)基礎(chǔ)模型和Mod 4最優(yōu)模型的速度矢量圖進(jìn)行對(duì)比分析：

圖9 Mod 1速度矢量圖

圖10 Mod 4速度矢量圖

    對(duì)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(diǎn)（切風(fēng)角位置）之后，速度會(huì)有一個(gè)比較明顯的增加，依據(jù)伯努利方程，在流體速度相對(duì)較大時(shí)，壓力會(huì)相對(duì)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(jì)初期就可以對(duì)造型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析優(yōu)化，縮短了開發(fā)周期，并節(jié)約了試驗(yàn)成本。

    (2)對(duì)比分析優(yōu)化結(jié)果，在設(shè)計(jì)車頭兩側(cè)（前保兩側(cè)）的造型時(shí)，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(dòng)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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