应用STAR-CCM+对汽车外流场进行分析
Vehicle External Flow Analysis by STAR-CCM+
赵志明崔津楠贾宏涛
长安汽车股份有限公司汽车工程研究院CAE所
摘要：本文利用STAR-CCM+对长安自主品牌汽车某车型的1：3缩比模型进行了汽车外流场CFD计算，得出风阻系数和升力系数，并与实验结果进行了对比。
关键词：汽车外流场  CFD  STAR-CCM+
Abstract: The external flow simulation of a clay model, which was a 1:3 scale model of a CHANA vehicle, was carried out by STAR-CCM+. The main parameters, the drag coefficient and lift coefficient, had been calculated by CFD and the simulation was compared with the experiment. Keyword: vehicle external flow  CFD  STAR-CCM+
1  前言
随着汽车工业的迅速发展，汽车舒适性、环保、节能等成为衡量汽车品质的重要指标。汽车空气动力特性是汽车的重要特征之一，它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操作稳定性、舒适性和安全性。通过汽车空气动力学研究来降低气动阻力、提高发动机燃烧效率、改进发动机冷却效果，不仅可以提高汽车动力性，而且还可以改善其燃油经济性。对于高速行驶的汽车，气动力对其各性能的影响占主导地位，所以良好的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的前提。
计算流体力学在汽车开发中有着重要的作用，特别是在开发前期，对造型设计有着至关重要的作用，可以说计算流体力学主导整个设计过程。在产品开发后期，进行计算流体力学验证也是必不可少的环节。在问题整改阶段，数值模拟作用更是重中之重，它可以给出比试验更加丰富的信息。近年，随着计算机的发展及湍流理论的完善，计算流体力学在整车开发中的作用越来越大，它可以有效的降低开发成本、完善汽车性能、缩短开发周期。
本文利用计算流体力学软件STAR-CCM+对长安自主品牌汽车某车型的1：3缩比模型进行了空气动力学CFD计算，计算中采用了不同的湍流模型以及壁函数。并详细分析各个矢量云图特性，得出风阻系数、升力系数，并与试验结果进行了对比。
2  建立CFD模型
2.1几何模型
本文采用的几何模型是1：3、无后视镜缩比模型如图1所示。车轮与地面交接处用圆台连接，以确保边界层网格的质量。
图1 几何模型
本文采用其他网格生成软件进行面网格和体网格划分。计算域与风洞实验段尺寸相当（L=8m,W=4m,H=3m）。在车体表面的不同区域采用不同的网格尺寸，有利于提高计算精度和计算的收敛性与稳定性。车体表面网格数目为2.5万。在此次分析中，体网格采用四面体与六面体网格，车体附近区域为四面体网格，边界层为棱柱形网格，距离车体较远处采用六面体网格，网格总数为286万如图2所示。
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图2 网格截面图与网格分布图
2.2湍流模型与边界条件
本文采用Realizable K-E湍流模型，壁面采用STAR-CCM+推荐设置—Two-Layer All y+ Wall Treatment；进口为速度进口，速度值为27.8m/s，出口为压力出口边界，其它为固壁。
3  结果分析
计算完成后，在STAR-CCM+中进行后处理，图3为车体表面静压分布云图。
图3 车体表面静压分布
从压力分布图上可以看出，在发动机舱进气格栅、空调进气口等迎风区域存在高压区，在车体尾部背风区域存在低压区。迎风区的高压区位置分布较为合理。车体尾部气流下沉速度较快，所以在后挡风玻璃处气压很低，尾部高压区位置偏下；尾部中间位置气体流动缓慢为流动滞止区。
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图4 中截面静压分布图和速度分布图
图4给出的是中截面上的静压分布图和速度分布图，从速度分布图上可以看出，气流在前挡风玻璃处附面性较好，并未产生气流分离现象。车体尾部下沉气流较快，低速区偏下。
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图5 车体附近流线分布
在图5所示的流线图中可以看出，车体表面流线贴面性好，没有明显的气流分离产生。在车体尾部气体流动复杂，车体顶部下沉气流与两侧内旋气流在尾部汇合，形成两个明显的漩涡。流经A柱的气流在B柱处向上偏移，最后与顶部气流一同下沉。
图6给出的是总压为零的等值面图，可以看出在前轮附近存在较大的分离区，尾部的分离区也不很合理，都会导致气动阻力偏大。
图6  总压为0的等值面图
4  模拟值与实验值的对比
另外，此次模拟还利用High y+壁面函数进行了模拟计算，将其计算结果与实验值一同比较。如表1所示。
表1 结果对比
数值模拟
方法 风洞试验 Two-Layerlexusis300
All y+ Wall
Treatment
High y+ Wall
Treatment
阻力系数Cd 0.363 0.335 0.338 升力系数Cl 0.263 0.011
0.031
在整车CFD的计算中，RANS方法在较少网格节点数的境况下，很难确保计算的精度。其误差一般在10%左右，网格差时甚至可达15%。此次模拟阻力系数Cd的模拟值与实验值的误差在10%上下。对于
升力的模拟计算，低网格数时很难获得准确的结果，并且风洞试验对小模型的升力测量误差值也会偏大，因此和试验结果的差别很大。
5  DES方法模拟
为提高计算的准确性，本文采用DES湍流模型对其进行重新计算。图6给出的是车体表面静压分布，与RANS方法相比，车体尾部的高压区位置偏下，高压区的面积及最大压力值都有所减小，阻力系数明显增大。哈佛h6运动版1.5t精英型
图6 DES方法车体表面静压分布