10.16638/jki.1671-7988.2017.10.048
基于CFD的某车型外流场分析
高志彬1，赵锴1，刘政2
（1.青岛理工大学，山东青岛266500；2.现代汽车研发中心（中国）有限公司，山东烟台264000）
关键词：汽车空气动力学；CFD方法；优化分析
中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)10-137-03
Analysis of Outflow Field of a Vehicle Based on CFD
Gao Zhibin1, Zhao Kai1, Liu Zheng2
( 1. Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266500; 2. Hyundai Automotive R&D Center
(China) Limited, Shandong Yantai 264000 )
Abstract: In order to study the aerodynamic characteristics of a vehicle and optimize the exterior shape of a vehicle, the CFD method is used to simulate the external flow field around the vehicle. The aerodynamic characteristics of the vehicle are calculated. Obtaining the vehicle aerodynamic characteristic parameters and the aerodynamic resistance distribution, which can guide the improvement of a car's design.
汽车风洞Keywords: automotive aerodynamic; CFD methods; analysis
CLC NO.: U461.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-137-03
引言
随着汽车工业的发展，人们对汽车性能的要求逐渐提高。对于汽车造型，它不仅要符合美学，更需要满足空气动力学要求。汽车的空气动力学特性直接影响车辆的动力性、燃油经济性和操控性。计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic，CFD)越来越广泛运用于汽车空气动力学研究中，国内外许多汽车企业和科研院所在汽车外流场模拟计算上取得较多成果，从理论研究进入工程实用化阶段[1-2]。
采用CFD方法对汽车外流场区域的数值模拟分析，对整车的气动阻力和升力进行仿真，分析仿真结果可
为车辆外形设计提供改进方案，减少高成本的车辆实车或模型风洞试验，为汽车的优化设计提供了有效途径[3-5]。1、汽车外流场计算流程
图1 汽车外流场计算流程图
进行汽车外流场工程计算的步骤主要包括：（1）使用前处理软件对汽车三维模型进行几何拓补、修补；（2）划分网
作者简介：高志彬（1969－），男，副教授，就职于青岛理工大学。研究方向为汽车动力学。
高志彬等：基于CFD的某车型外流场分析138 2017年第10期
格并判断网格质量；（3）进行计算，判断计算结果准确可信后进行后处理。计算流程如图1。
2、模型简化
由于本次分析车型外形结构复杂，在保证计算精度和计算要求前提下，对该车辆模型进行简化处理以保证网格划分质量。将进气格栅、车轮封闭，封闭车辆底部忽略底盘传动系统影响；忽略雨刮器、雨水槽和门把手，仅保持其曲面外形；车轮与地面接触变形视为小凸台。模型简化结果如图2。
图2 车辆模型简化结果
3、计算域确定及网格划分
3.1 计算域确定
模拟车辆周围流场状况，需在车辆周围建立一个区域包围车身模拟风洞监测流场状态，此区域作为流体计算域[6]。计算域通常为长方体，尺寸根据进行模拟的车辆尺寸确定。进行数值模拟使用的长方体计算域长度应完全包括汽车尾部的涡流区域，宽度和高度尽量保证内部气流不受计算域影响。计算域边界设置对仿真结果的精确度影响大，为了准确模拟汽车周围真实环境，计算域长方体设置越大越能模拟车辆周围气流情况，即使车辆周围存在漩涡也能计算在内，但计算域长方体尺寸太大会影响计算效率。本次计算域设置为总长度为11倍车身长度，车身前部距计算域入口为3倍车身长度，车身尾部距计算域出口为7倍车身长度；总宽度为7倍车身宽度；总高度为5倍车身高度。为减少计算时间本次分析采用半车辆模型，对计算域和汽车模型进行拓补检查，容错率设置为2mm，检查结果如图3。
图3 计算域示意图
拓扑结果不存在黄线，说明相邻面间缝隙满足要求，不会出现网格溢出情况，模型符合要求。
3.2 网格划分
流体仿真主要采用结构化网格和非结构化网格两种网格形式[7]。结构化网格网格结构简单、计算快捷、生产网格求解精度高；但对于复杂几何形状，结构化网格难以贴体形，往往不能满足要求。非结构化网格没有了结构性节点的限制，能够快速地控制网格形状，适应复杂体形能力强。汽车外形复杂，故适合
划分非结构化网格，本次分析采用ICEM网格划分工具，可自动生成高质量四面体网格。网格的大小将直接影响计算域内网格的数量和疏密程度，进而影响模拟精度和气动力计算结果的精度。计算域体网格设置为512，面积较大且较平滑的面设置为64，面积较小且曲率较大的面设置为16，轮胎凸台设置为2，在车身周围设置密度盒，网格大小设置为256。本文生成网格数156万，生成网格结果如图4、图5、图6。
图4 整车流体域网格图5 车身网格图6 中面实体网格
模拟车身周围气流还需对车身表面的网格进行处理，设置边界层以保证气动力计算精度。在车身周围拉伸出贴近且平行于车身的三棱柱网格作为边界层，初始层设置为1mm，高度比为1.5，共三层，图7为车辆边界层示意图。
图7 边界层网格图8 网格质量
网格质量对于对仿真结果收敛性和计算精度影响较大，需对网格质量进行评价，理论上实车网格质量应满足0.1以上，图8为网格质量结果。由图可见本文求解网格质量高于0.2，满足要求。
4、模拟计算结果
通过汽车外流场的数值模拟计算，得到相关的计算结果如表1。
表1 整车气动特性值
通过计算可以得到整车表面的压力云图，表面压力系数分布图，速度迹线图，速度云图，从而获得汽车周围的流场以及车身表面各处的压力分布情况。
4.1 车身表面压力
分析整车表面压力云图和表面压力系数图，进气栅处的迎风压力最大，其次是前挡风玻璃处，这部分区域为直接承受来流撞击，构成了气动阻力的重要因素；而在尾部边缘和车身侧面形由于气体分离成负压区。这些区域的气流分离又生成漩涡，会消耗大量的能量，降低汽车的空气动力学性能；在车体尾部由于车厢的作用使得车辆后部呈现一个压强较低的区域。在车尾形成的较大漩涡会损失掉能量，从而使后部呈现负压，而且随着漩涡的不断发展，使这个负压区扩展到了整个车体的后面的区域。等压线越密集着压强梯度越大，
汽车实用技术
139 2017年第10期
在正压区压强梯度大则意味着该区域平均压强大和流动能量损失大，在负压区压强梯度大则意味着该区域平均压强低和流动能量损失大，两者相互作用的叠加会使气动阻力变大。
图9 车身表面图10 车身中面图11 车身表面压力云图压力分布图压力系数图
4.2 整车迹线图
从迹线图可以观察到车身的上方的层流和附着在车身表面的气体，当气流流经车身时，前方来流首先遇到车头，在车头的进气格栅处会发生停滞而形成驻点，此处气流速度较慢，迫使气流向顶部、底部和侧面流动；当气流流经挡风玻璃及驾驶室上缘时，产生较小的气流分离区，使得此局部区域流速过高，然后又重新附着在驾驶室顶部向后流动。从图中可以看出在汽车尾部形成一个明显的涡流，在此处造成了相当大的能量损失，这是压差阻力形成的重要原因。
图12 速度迹线图图13 粒子轨迹图
4.3 汽车后视镜分析
以后视镜作为研究对象进行分析，得到计算结果：在30m/s的车速下，后视镜产生的阻力为10.87N，阻力系数为0.017，占总阻力的5.45%。
图14 后视镜压力云图图15 后视镜迹线图
4.4 轮胎分析
汽车在行驶过程中受到的阻力主要为滚动阻力和空气阻力，滚动阻力主要是轮胎与地面作用产生的，在高速行驶的过程中轮胎不仅受滚动阻力而且还受到空气阻力的影响，轮胎分析结果见图16、图17。
图16 表面压力图图17 迹线图
根据压力云图可知前轮轮胎所受阻力比后轮胎所受阻力大，由于来流经过车身及前轮胎到达后轮胎气流速度大大减小，因此风阻降低。从分析的结果来看，轮胎所受到的阻力大小为17.16N，阻力系数0.027，占总阻力的8.68%，也是不可忽略的部分。从迹线图能够看出对于减小轮胎阻力，包围轮胎部分导流罩起到关键作用，轮胎不裸漏在车身外面有利于降低风阻[8-9]。
5、结论
通过对车辆模型简化、确定合适的计算域和网格划分等一系列步骤对某车型进行空气动力学特性进行仿真计算，得到该车型整车气动阻力系数等空气动力学特性和车身压力分布情况，了解了车身周围气流流经车身的情况，可用于指导车辆设计和改进。选取车辆后视镜与轮胎分析，可知其阻力占整车总阻力比，
它们都不可忽视，对其优化设计显得十分重要。由于车辆三维模型做了理想化简化以及气流模型模拟限制，车辆外流场分析结果并不能完全反映汽车真实情况，分析汽车的空气动力学特性还需进一步研究，实车的风洞试验十分必要。
参考文献
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