某商用客车整车风阻系数CFD仿真分析
徐本祥
【摘 要】利用CFD软件工具可对对某商用客车进行空气动力学分析.通过对客车车身外围流场的计算机数值的模拟分析,研究它的气动特性和外围三维流场分布,计算出其风阻系数,为造型设计、新产品开发和产品技术改进提供理论依据.%It is practicable to carry out an aerodynamic analysis on a commercial bus by the CFD software. Theoretical reference can be provided for style design, new product development and technological innovation through simulation analysis on computational data derived from passenger car outer flow field, research on its aerodynamic characteristics and its outer three-dimensional flow field distribution, and calculation of its drag coefficient.
【期刊名称】《芜湖职业技术学院学报》
【年(卷),期】2015(017)004
【总页数】5页(P63-67)
【关键词】空气动力学;CFD;风阻系数;商用客车;仿真分析
【作 者】徐本祥
【作者单位】奇瑞商用车(安徽)有限公司工程研究院,安徽芜湖,241009
【正文语种】中 文
【中图分类】U461.1
为实现高速运输的安全、舒适、节能并满足环境保护的要求，世界各国逐渐开展了对车辆空气动力学问题的研究，并在此基础上形成了一个独立的学科——汽车空气动力学。这门学科通过对整车空气动力性能进行分析，为车身设计提供参考。在车辆高速行驶过程中气动阻力（风阻）相当于滚动阻力的2～3倍，用于克服气动阻力的燃油消耗量占总油耗32%以上，而气动阻力系数降低30%可以降低油耗12%左右［1］。目前国内外对轿车气动阻力的研究和应用已经非常深入［2-5］，对商用客车气动阻力的研究和应用近来逐渐发展起来［5-10］。在传统的汽车空气动力学研究中，大多采用风洞实测的方法，但该方法耗资巨大。随着计算机技术和湍流理论的发展， 计算流体力学CFD （Computational Fluid Dynamics）的
方法正被越来越多地运用到汽车空气动力学研究中，汽车外流场数值模拟就是利用数值模拟的方法对汽车行驶中的空气动力学特性进行分析， 与传统的研究方法结合， 可以有效地改善空气动力性能、节约开发经费，提高设计效率。
2.1　湍流流动模型
湍流流动模型很多，但大致可以归纳为以下三类：第一类是湍流输运系数模型，是Boussinesq于1877年针对二维流动提出的，将速度脉动的二阶关联量表示成平均速度梯度与湍流粘性系数的乘积。即：推广到三维问题，若用笛卡儿张量表示，即有：
模型的任务就是给出计算湍流粘性系数tμ的方法。根据建立模型所需要的微分方程的数目，可以分为零方程模型（代数方程模型），单方程模型和双方程模型。
第二类是抛弃了湍流输运系数的概念，直接建立湍流应力和其它二阶关联量的输运方程。
第三类是大涡模拟。前两类是以湍流的统计结构为基础，对所有涡旋进行统计平均。而大涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解三维经过修正的Navier-Stokes方程，得到其运动特性，而对小涡旋运动还采用上述的模型。
实际求解中，选用什么模型要根据具体问题的特点来决定。选择的一般原则是精度要高，应用简单，节省计算时间，同时也具有通用性。
2.2　标准k-ε模型
Launder and Spalding提出的该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略。汽车外流场空气流动是低马赫、高雷诺数、三维不可压缩粘性流动，因此我们采用高雷诺数标准k-ε两方程湍流模型建立数学模型。此湍流模型包含的非线性构成关系能够较好地处理流场中湍流的各向异性等困难问题。
标准k-ε模型需要求解湍动能及其耗散率方程。湍动能输运方程是通过精确的方程推导得到，但耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原形方程得到的。其湍动能k和耗散率ε方程为如下形式：
在上述方程中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，Gb是用于浮力影响引起的湍动能产生；YM表示可压速湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。在FLUENT中，作为默认值常数，，湍动能k与耗散率ε的湍流普朗特数分别为σk=1.0，σε=1.3。可以通过调节“粘性模型”面板来调节这些常数值。
FLUENT软件包含了工程上常用的多种湍流模型，包括单方程的S-A模型，双方程的ε-k模型、雷诺应力模型（RSM）和最新的大涡模拟（LES）、分离涡模拟（DES）等，而每一种模型又有若干子模型，以适应分析、转捩、旋流等不同具体工况。其中ε-k模型包括鲁棒性较好的standard（标准）ε-k模型，适用于一般情况下的流场模拟；RNGε-k模型，适用于复杂剪切流动、边界层分离等复杂流动情况下模拟；Realizableε-k模型，适用于自由射流情况。这三种湍流模型又分别包括三种壁面函数：标准壁面函数（应用最广泛，鲁棒性最好），非平衡壁面函数（适用于分离流，逆压梯度），双层区域壁面函数（将层流底层同湍流区分别计算）。
4.1　网格模型划分
FLUENT网格生成包括两方面的内容，首先要将几何离散成网格，其次还应该包括边界命名。由于在FLUENT中进行网格分割命名较为复杂，因此这部分工作最好在网格生成之前进行。Hypermesh是Altair公司的一款非常优秀的前处理工具，利用其可以为FLUENT生成网格。前处理工作是有限元分析计算中的重要环节，前处理质量的好坏将直接影响计算结果的精度和计算的规模。 HyperMesh软件就是针对这一难题应运而生的。HyperMesh是一个高
效的针对有限元主流求解器的有限元处理器，具有高效的网格划分功能，能够建立各种复杂模型的有限元模型，配有与多种有限元计算软件（求解器）的接口，可以为各种有限元求解器写出数据文件及读取不同求解器结果文件，并可实现不同有限元计算软件之间的模型转换功能，大大减少了建模的重复工作。
进行外流场的计算时，需要对中巴车进行简化处理，忽略后视镜、雨刷等的影响。汽车在行驶过程中受到各种气动力（矩）的作用，为了模拟汽车的实际流场，我们就必须建立一个计算域流场（虚拟风洞）。在计算域中，汽车静止，而空气以实际车速向汽车流动，模拟汽车在行驶中与空气的相互作用。计算域流场一般采用规则的长方体，长方体的各个侧面平行或垂直于某个坐标轴。为了避免计算域壁面对气流的影响，在汽车的前部、上部和侧面都取大于汽车几倍尺寸大小的距离。所取计算域为入口离车身前部8m，出口离车身后部15m，计算域长度为30m，宽度为11m，高度为5.5m。计算域模型如图1所示。
我们采用Hypermesh软件划分网格。对于三维网格，可以采用结构化网格和非结构化网格结合的方式进行。离车身较近的近壁区网格应划分密集（网格大小约为30mm左右），使之能够准确地贴合车身表面附近边界层的流动情况；而离车身较远的区域，网格可以适当稀疏，以减少其数量。中巴车简化模型如图2、图3所示。
4.2　边界条件处理
我们采用Fluent软件完成计算及后处理工作。采用三维分离式定常流求解器，RNG k-e湍流模型，压力－速度耦合采用SIMPLE 算法，各个物理量的离散格式均采用二阶迎风格式。入口采用速度入流，出口采用压力出口。具体的边界条件如下：
（1）入口边界
假设入口面来流的速度分布不会受到模型的扰动，在一般计算时来流速度取值越大，与计算的结果越接近实际值，但是如果速度过大会导致空气压缩及精度下降，所以在计算的时候是考虑空气不可压的，一般取值都要小于1/3声速，所以在进行CFD计算时，沿运动方向的速度取u =90km/h，而另外两个方向的速度分量为零。来流面的湍流能量系数k 和粘性耗散率e 的边界值分别取 0.3375和0.0035。
（2）出口边界
压力出口：Pr=0 Pa，p0=101325Pa，k=0.3375和e=0.0035。
（3）地面边界
假设汽车行驶的工况：在静止的空气中（无风条件下）、平直的路面上等速直线运动。这样，汽车与地面、汽车与空气的相对速度均为汽车行驶速度。在计算模拟时采用了移动地面的做法，以消除地面边界层的影响。
地面边界条件：u地面=90km/h（来流速度），v地面=0，w地面=0。
5.1　某竞标中巴车整车分析结果
5.2　某商用中巴车整车分析结果
压力分布云图结果的见图4-7，风阻系数计算结果对比见表1所示。
从表1我们可以看到，某商用中巴车整车风阻系数均小于某竞标中巴车，即某商用中巴车的空气动力学特性优于某竞标中巴车。
【相关文献】
［1］ 傅立敏. 汽车空气动力学［M］. 北京：机械工业出版社， 2006.
汽车风洞
［2］ 姜乐华，谷正气. CFD 在汽车空气动力学研究中的应用［J］. 湖南大学学报，1997，（4）：52-56.
［3］ 张扬军，吕振华. 汽车空气动力学数值仿真研究进展［J］. 汽车工程， 2001，（2）：82- 89.
［4］ 沈俊，傅立敏，黎妹红等.CFD 软件及其在汽车领域的应用［J］.汽车研究与开发， 2000，（5）：40-43.