基于计算流体力学的汽车车身造型外流场分析

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摘 要：计算流体力学（CFD）在汽车车身造型设计阶段具有重要作用。针对某SUV车型的中后期造型阶段的CAS面模型，经过几何清理和模型网格划分，构建了整车CFD计算模型。采用CFD软件STAR CCM++对整车的气动阻力进行了模拟仿真计算，计算结果显示该车的空气阻力系数为0.325，在对该车型整车汽车流场分析的基础上指出了影响汽动阻力的车身关键部件，为后续汽车外形的进一步优化指出了方向。关键词：计算流体力学;汽车外流场分析;汽车空气阻力系数;气动减阻中图分类号：U463.82  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）24-67-03

External Flow Field Analysis of Automobile Body Shape Using ComputationalFluid Dynamics

Huang Seen¹， Wang Yu²， Diao Shuo²， Cui Shihai²， Liu Xuelong¹

（ 1.China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd.， Tianjin 300300;2.College of Mechanical Engineering， Tianjin University of Science and Technology， Tianjin 300222 ）

Abstract： The computational fluid dynamics （CFD） is very important in the design process of vehicle dynamic shape. Based on the CAS model of a SUV styling， after geometrical cleaning and meshing， the CFD model of the whole automo -bile is developed. The aerodynamic properties of the SUV are simulated using CFD code STAR CCM+. The simulation results showed that the aerodynamic drag coefficient is 0.325. After analyzing the external flow field of the SUV， the key parameters of automobile body that influence the aerodynamic drag coefficient are figured out in order to further optimization of the automobile styling.Keywords： CFD; External flow field analysis; Aerodynamic drag coefficient; Aerodynamic drag reductionCLC NO.： U463.82  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）24-67-03

前言

汽车空气动力学这门学科主要关注气流经过汽车时的流动规律和气流经过汽车时与汽车之间的相互作用^[1]。汽车良好的动力性、燃油经济性和操纵稳定性都会因为汽车的空气动力学指标的好坏而受到影响。随着计算流体力学（CFD）的快速发展，在汽车空气动力学分析和气动造型的前期规划中CFD软件都起着重要作用^[2]。国内汽车气动外形越来越关注如何尽可能的降低气体流动阻力，现在我们通过风洞试验还有CFD仿真模拟可以很方便地解决这个问题^[3][4][5]。

本文主要针对某一SUV车型中后期造型阶段的compu -ter aided styling（CAS）模型，通過搭建模型进行CFD分析，模拟计算了整车的空气阻力系数，同时对影响整车气动阻力系数的关键部件进行了分析，为后续的汽车外形优化指出方向。

1 整车CAS面模型几何清理

一般而言，SUV车型的CAS数模会有很多间隙，在进行进一步建模前需要首先进行几何清理，几何清理质量的好坏对模型计算结果具有重要的意义^[6]。第一步采用澳汰尔公司的Hypermesh软件对汽车的CAS数模进行几何清理，简化车身上对仿真计算不重要的部分细节部件，例如删除雨刷等部件，因为汽车CAS数模，中还存在很多缝隙，所以我们还需要使用软件中的补面命令将其修补过来。在对汽车的气动外形进行仿真的过程中，为使模型简单化可以不考虑汽车的底盘结构部分，具体做法就是将底盘结构部分去除，然后通过搭建底部平面完成整个汽车底部的封闭;几何清理时还要考虑汽车前部格栅的开口，在处理格栅部时通过hypermesh补面命令将所有的开口进行封闭。经过上述几何清理，得到图1所示的SUV车型的CAS面模型，其车的长度为4625mm，车的宽度为1105mm，车的高度为1655mm。

2 CFD计算模型搭建

在汽车空气动力学数值模拟过程中，除了汽车表面的几何质量对网格生成质量起到关键性作用外，如何正确的处理车轮与地面接触区间的位置对CFD网格的生成质量也有很重要的影响^[6]。在本研究中，为了改善轮胎与地面接触区间的网格质量，我们采用了一种简化方法：即用一块平板来替代该接触区间。

将经过清理的几何模型导入到STAR-CCM+中，对模型进行包面（Surface Wrapper）处理，包面可以自动地在质量较差的表面上获得一个拓扑封闭的空间表面，为了得到良好质量的网格模型，我们还需要对网格进行表面的重构（Surface Remesher），因为多数情况下包过面的模型的网格质量都不能达到标准，是一定要处理之后方可进行后续的使用的，处理后的汽车的面网格模型如图2所示。

得到了新生成的面网格以后，可以将其作为体单元划分的基础。STAR-CCM+软件具有丰富的体网格划分功能，本次研究主要采用Trimmer网格方法对整车划分了六面体网格，针对汽车表面和非滑移地面等边界层采用了棱柱层网格。进一步设定了3个整车体网格加密区、汽车底部以及尾部共5个体网格加密区，这样可以使得模拟计算的精准度得以保证。

在实际模拟计算中，对称方法的使用可以大大减少实体单元的计算个数，同时令工作效率大大提升。因为本研究中汽车模型是左右对称的，并且在空气正面流动时，仿真时可以只对纵向对称部分的一侧进行运算分析。经过对称简化后该SUV车型的体单元总数为9790万。图3所示为最终完成的该车型纵向对称面的体网格示意图，图4所示为该SUV车型的边界层网格。

仿真计算中将CFD计算域设置为7倍车宽、 6倍车高、13倍车长（车前4倍车长，车后8倍车长）的长方体。

3 整车的CFD数值模拟计算

仿真计算时，在STAR-CCM+软件中选择Realizable K- Epsilon湍流模型，将计算域的入口设定为速度入口，气流流速为120km/h，计算域出口设为压力出口，相对压力值为0Pa，汽车前部地面设置为滑移（slip），其余地面设置为非滑移（no-slip）。

鉴于该汽车模型在仿真中的状态为半载，同时考虑到地面线方向与世界坐标系的x轴存在一定的夹角，本次模拟中的风洞模型应以地面线为基础，并且局部坐标系也是以地面为基础的，还有将风洞坐标系的x轴方向设定为风向。本次模拟经过4000步的迭代计算后就达到了收敛，因此计算结果合乎要求。

仿真结果显示该SUV车型的的空气阻力系数为0.325，在计算车速为120Km/h是该SUV的空气阻力为270.08牛顿。仿真结果同时还给出出了不同车身部位的空气阻力大小，并计算得出了不同车身部位占整车空气阻力的比值，其中发动机盖，前风挡玻璃，车身顶部，车身底部，翼子板及前部，后轮罩及后部等部位的空气阻力分别为-29.4N，9.2N，-7.4N， 8.7N， 100.1N， 123.2N，占整车空气阻力的百分比分别为-10.90%，3.42%，-2.74%，3.23%，37.05%，45.61%，其他部位的空气阻力大小为65.7N，占整车空气阻力的百分比为24.33%。

除了车身各部位的空气阻力分布外，为了进一步优化汽车的空气动力学性能，我们还需要对整车的速度云图，压力云图，湍流动能图等进行分析，以便能确定汽车行驶过程中的汽车周围流场情况，从而确定行驶中气流分离较为严重的车身部位，进而通过对这些关键部位的优化以进一步改善汽车的动力学性能。

该车型纵向对称面上的相对压力系数分布图如图5所示。由整车四周的压力云图可以看出，汽车行驶时前方的空气流动受到汽车前部的阻碍，因此空气向车身周边分散流动，被分离向上的气流经过发动机罩前端时分离现象特别严重，与此同时该处的负压值也非常大，这也解释了为何发动机罩处的空气阻力为负值。之后气流开始渐渐紧贴在发动机罩上，压力值渐渐增大，当空气流到前风挡玻璃与发动机罩的拐弯处时，气流再次受到阻碍，流速降低，这时气体流动压力渐渐加大，随后气流经前风挡玻璃流过汽车顶盖，因为此时气流还有向上流动的趋势，故气流不会立刻贴合在汽车顶盖上，导致前风挡玻璃与顶盖的拐角处气流流速较大，该处压力值较小，气流沿汽车顶盖继续流动，经汽车尾翼后散开;而向下流动的气流分离较为严重的位置是在汽车接近角的前端，并且在这里的负压值很大，之后气流渐渐贴近汽车底部表面，壓力渐渐提升，气流经汽车底部流到汽车后部时，因为汽车离去角处上扬的倾角会对气体流动产生一定的影响，随后气流经由汽车后缘散去，所以导致该位置的压力值减小。

该SUV车型纵向对称面上的湍流动能图见图6。可以看出，该车多个部位的气流分流现象特别严重，这也是湍流在这些位置产生的原因，湍流现象严重的位置包括车身底部和汽车尾部区域，汽车顶盖部分，发动机罩与前风挡玻璃转角处，发动机罩的前缘，其中湍流现象最为严重的区域就是车身底部和汽车尾部区域。

该SUV车型水平面上的湍流动能图如图7所示。可以看出，汽车行驶时，空气流经汽车前部受到阻碍后向车身左右两边分流，从而导致左右两侧发生了严重的湍流情况，从而导致空气在车身左右两侧没有很好地与车身贴合，这样使汽车尾部的湍流动能特别大，影响区域也很大。

为了能够充分降低空气阻力的大小，令气流在车身分离的现象得以有效控制，让气流平稳地流过车体，需要在汽车气动外形设计过程中对车身影响气流分离的关键部位进行形状优化。由于汽车行驶过程中湍流的形成很大程度上取决于车身各部位气流的分离，同时气流流经汽车尾部分离时向四周散去也会使得湍流区域变的较大，从而也会导致高的湍流动能。基于上述导致湍流动能变大的两个原因，针对该SUV车型的外流场特性，通过分析可以得到影响空气阻力的关键参数包括车身顶盖的角度、后导流板的长度、汽车离去角、后轮罩内收、发动机盖的倾角、前风挡玻璃的倾角、汽车接近角、前翼子板的外宽。如果要进一步降低该车型的空气阻力，需围绕车身的这8个关键设计变量展开后续优化研究。

4 总结

采用STAR-CCM+软件对处于造型阶段的SUV车型进行了汽车空气动力学分析，首先采用hypermesh软件对其CAS数模进行了前处理，在STAR-CCM+软件中进行了网格划分和相关仿真设置，搭建了整车的CFD计算模型，求解得到了整车的空气动力学特性，通过对整车的流场分析，提取了影响汽车流场的8个关键设计变量，基于这些设计变量可以进一步针对汽车的流场进行后续优化研究，从而降低其空气阻力。

参考文献

[1] 傅立敏.汽车空气动力学[M].北京：机械工业出版社，1998：1.

[2] 张英朝.汽车空气动力学数值模拟技术[M].北京：北京大学出版社，2011.6.

[3] 朱晖，杨志刚.类车体尾迹区流动的实验研究[J].同济大学.实验流体力学，2010，24（2）：24-27.

[4] 江涛.汽车车身气动造型设计优化研究[D].长沙：湖南大学机械与运载工程学院，2011.

[5] 黄森仁，王宇，崔世海等.汽车前部气动外形减阻自动优化研究[J]. 汽车实用技术， 2019， 282（3）：101-104.

[6] Ribaldone E De Puri，I Cogotti F Pizzoni R. et al. Optimizing the External Shape of Vehicles at the Concept Stage： Integration of Aerodynamics and Ergonomics[C].SAE Int. J. Engines 4（2）：2622- 2628， 2011.