斜背式轿车气动特性和三维分离流的研究 - 文章

斜背式轿车气动特性和三维分离流的研究

作者：北京航空航天大学乔军平康宁

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[摘要] 本文用商用计算流体力学软件STAR－CD 对斜背式轿车的外部流场进行了三维数值模拟，计算了在不同车速下的车身阻力系数和升力系数，并通过与试验结果的对比，验证了数值计算结果的正确性，同时还对车身周围的分离流和三维涡系进行了研究。
关键词：CFD 车身数值模拟气动力

1 前言

轿车外形的演变经历了厢形、甲虫形、船形、鱼形、楔形等类型[1]，它们都具有着各自的优缺点。而斜背式轿车作为船形轿车的一种，由于其既具有厢形轿车室内空间大的优点，又具有甲虫形轿车阻力小的优点，它使人体工程学与流体力学成功的统一起来，因此至今仍然是汽车的主流车型。文献[2]对斜背式轿车进行了数值模拟，得到了整车流场结构和尾部流场的二维涡系结构。本文将对斜背式轿车周围的流场进行三维数值模拟，计算不同速度下车身周围的分离流、阻力系数和升力系数，研究车身周围涡系的三维结构以及车身表面分离流的细致情况。研究结果对减少斜背式轿车的阻力和升力，为进一步优化改种车型提供了技术支持。

2 控制方程组及数值方法

一般情况下，汽车车速低于200km/h,远小于0.3 倍声速，因此汽车周围流动可按定常不可压流处理，根据国内外对汽车外部绕流计算的经验，本文采用? -e 高雷诺数湍流方程模型对车身周围流场进行数值模拟。

为了比较精确地表现汽车车身的复杂曲面，本文使用专业建模软件UG 进行车身建模。在建模过程中，为了减小计算量，对车身进行了简化，忽略了车轮、后视镜、门把手、雨水槽、排气管等外凸装置和复杂曲面，而以简单曲面代替。简化车身模型的长L 为228mm，高H 为65mm，宽W为80mm，见图1。

图1 简化车身模型

计算域为一个包围车身在内的长方体。根据文献[3，4]，在汽车模型前部取5 倍车长，上部取5 倍车高，后部取10 倍车长，两侧面均取5 倍车宽作为计算域较为适宜，模型底部离地面高度为10mm。见图2。

x=0 处为入流边界，来流速度为车速；y=0 处和车身表面为无流边界，满足无滑移条件，速度为0；在其它面上均为出流边界，采用外推方法，即出流边界上流向梯度为零的处理方法。

图2 计算域

在CFD 数值模拟中，网格划分的优劣关系着计算结果的好坏。为了节约计算机的计算时间，需要对网格的疏密度进行调整。首先将整个流场区域进行分区，对车身以及车身底部地面附近的区域进行网格加密，使之能够清楚的表现车身表面附近和地面边界层附近的细致情况。而对于远离车身的区域，网格适当的稀疏化，以减少网格的数量，节约计算时间。最终划分网格数为204 万。计算域网格划分如图3、图4。

图3 车身纵向对称面网格

图4 车身附近横截面处网格

本文使用CFD 商用软件STAR－CD 进行计算。STAR-CD 对定常流动采用SIMPLE 格式来进行计算，空间差分格式是二阶格式。

3 计算模型的验证

为了验证计算结果的准确性，对来流速度为35m/s 情况下计算的阻力系数和升力系数与文献[5]的计算结果和风洞试验结果进行了比较，见表1。

表1 数值模拟结果与文献[5]结果的比较

由表1 可知本文的计算结果与文献[5]的计算结果和试验结果还是很接近的,说明了计算结果的正确性。

4 计算结果及分析

下面对来流速度为10m/s，20m/s，30m/s，40m/s，50m/s 的情况进行了计算。表2 给出了在这几种来流速度下计算的气动力系数。由该表可知，阻力系数基本上在0.39 左右，并随着来流速度的增加，呈减少的趋势；升力系数基本上在0.23 左右，并随着来流速度的增加而增加。

表2 不同来流速度下的气动力系数

下面给出了来流速度为30m/s 情况下车身周围的速度矢量图和三维空间流线图。图5 给出了车身纵向对称面的速度矢量图。图6 和图7 为后风窗处的涡流和车身尾部的涡流的局部放大图。图8 则给出了距车身尾部10mm 处横截面的速度矢量图。

图5 车身纵剖面的速度矢量图（x＝3mm 处）

图6 后风窗涡流局部放大图

图7 尾部涡流局部放大图

图8 距车身尾部10mm 处横向速度矢量图

图9 给出了车身周围的三维流线图，图10 为三维涡流的后视图和尾部放大图。

图9 车身周围的三维流线图（u=30m/s）

a）后视图 b）尾部放大图
图10 车身尾部三维流线图（u=30m/s）

由车身周围的速度矢量图和流线图可以看出，在斜背式轿车的后风窗处气流产生分离，生成一个小的涡流。而在轿车尾部，则气流分离更加严重，形成了较大尺寸的上下两对漩涡。临近地面的一对漩涡较弱，上面的一对漩涡占支配地位，他们相互作用，相互吸引，并最终合并在一起，延伸到尾流。细致地研究这两对漩涡的产生与脱落，对减少斜背式轿车的阻力与升力有重要意义。

5 结论

本文对斜背式轿车车身周围的流场和气动特性进行了研究。计算了斜背式轿车的阻力系数和升力系数，研究结果表明阻力系数随来流速度的增加而减少，升力系数随来流速度的增加而增加；斜背式轿车在后风窗处形成分离流，并在轿车尾部形成两对较大的漩涡。本文的研究结果为对减少斜背式轿车的阻力和升力，进一步优化车型提供了技术支持。

参考文献
1 杜广生.汽车空气动力学.中国标准出版社，1999
2 傅立敏，沈俊，王靖宇.汽车流场及尾部涡系数值模拟.吉林工业大学自然科学学报，2000（4）
3 Cogotti A. Car-wake imaging using a seven-hole probe [A], SAE 860214[C], 1986:145～148
4 Addel A F. An investigation into the aerodynamics of the eternal flow around a bus (Daewoo Model) [A]. SAE 962173[C],1976:73～76
5 谢金法.高速轿车车身绕流场的三维数值模拟及试验研究.吉林工业大学博士论文，2000(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/8/2005)


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