汽车外流场的数值模拟
摘要：本文应用三维建模软件Pro/E建立了汽车的标准模型，运用计算流体力学软件Gambit、Fluent对一普通汽车的外流场进行了数值模拟，并对结果进行了处理与分析。研究了车身周围涡系的三维结构和车身表面分离流的情况，表明由于车身前后的压力差和主流的拖拽作用等，在汽车尾部形成了极其复杂的涡系。
关键词：汽车空气动力学；Pro/E；车身外流场；中国汽车模型网Gambit；Fluent
1. 引言
汽车空气动力学的研究主要有两种方法[1]：一种是进行风洞实验，另一种是利用计算流体动力学（CFD）技术进行数值模拟。传统的汽车空气动力学研究是在风洞中进行实验，存在着费用昂贵、开发周期长等问题。另外，在风洞实验时，只能在有限个截面和其上有限个点处测得速度、压力和温度值，而不可能获得整车流场中任意点的详细信息。
随着计算机技术和计算流体动力学的发展，汽车外流场的计算机数值仿真由于其具有可  再现性、周期短以及低成本等优越性而成为研究汽车空气动力学性能的另一种有效方法。
2. 汽车模型的建立进行汽车外流场仿真
首先要做的工作就是车身模型的建立，我们采用图1所示的车型作为仿真模型，直接用Pro/E的拉伸操作对汽车的侧面进行拉伸得到车的模型。然后导出Parreosolid文件并导入gabit中。它的尺寸为：长4527mm，宽1937mm,高1113mm。该模型对汽车实体表面作了简化处理：省略了车灯、门把手、后视镜等,同时，还去掉了轮子，底部作了平整处理。这些改变对流场总体特性并没有大的影响，却能大大减少网格的数量与计算量
。
图1
3.计算域的建立和网格的划分
由于汽车尾流对汽车的气动性能影响很大，并且在汽车后部很长一段距离内存在，为了更好地仿真尾流，在汽车后部取很长一段距离。同理，为了再现汽车行驶状态，在汽车的前部、上部和侧面都取大于汽车几倍尺寸的距离。根据气阻系数，流场仿真计算所取的计算域到达一定的大小时，汽车的流场就不再受计算域大小的限制。假设汽车模型长为L，宽为W，高为H，则计算域的取法为汽车前部取3L，侧面取4W，上部取4H，汽车后部取6L。同时体现轮子的存在计算域地面与小车下表面留一定的距离,如图2所示。
            图2
网格的建立采用了先是所有的面做网格（对小车的表面作了较细的网格，计算域外表面相对大一些），然后对体做网格（T/gried）。网格数量为348768.如图3所示：
图3
4. 边界条件
入口边界：取远端来流方向的端面为入口边界，气流速度分别取            60m/s、100m/s、 130m/s。取速度进口。
出口边界：车身后远端端面为出口边界，压强为0Pa（相对于大气压），压力出口。
车身边界：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。这种情况下，我们此次在计算机上进行模拟实验，采用均匀气流流过汽车模型来模拟行驶的汽车相对于静止的空气运动，达到模拟目的。车身表面全设置为壁面WALL。
计算域表面：全部设置为壁面WALL。
5.计算结果与分析
    图4为车身表面压力分布图。由图可知，在车身上表面，出现负值较大的地方是车顶处（最高的地方）。在汽车前部压力比较大，后部存在着负压，前后的压力差造成了汽车的压差阻力，这部分阻力占总阻力的主要部分，要想降低汽车的气动阻力，必须设法使尾部的压力升高，以此降低压差阻力。
图4
图5表明了此轿车纵向中心对称面的流态。根据定义可知，流线的切线方向即是质点速度的矢量方向。通过流态分析，可以理解重要的流动过程。从图中可以看出各流线之间不是等间距，而各流线之间间距的差异，表明了升力的来源。间距近，表明流速高，因此静压低，产生与汽车行驶方向垂直的纵向力（升力），它是向上的，趋于提起汽车，从而减小有效载荷，随之产生的俯仰力矩，则造成前后轴荷的转移。
图5
6.结论
① 分析说明，在新车型开发过程中，应用Fluent技术对汽车外流场进行建模和仿真模拟，是一种对其进行气动性能分析快速有效的方法。
② 车身周围的压强分布，很大程度上决定了汽车所遭受的压差阻力，这部分阻力占汽车总阻力的主要部分。设法升高汽车尾部的压力，或者减少汽车头部的压力，都将有助于降低压差阻力。