汽车车体空气动力学性能数值分析方法研究

汽 车 车 体 空 气 动 力 学性 能 数 值 分 析 方 法 研 究,吉利大学汽车学院 王书义 副院长 教授 博导,摘要 本文用计算机数值计算方法对美人豹汽车车体空气动力学性能进行分析，文章给出了汽车在以60、100、120、160Km/h行驶条件下，汽车车体周围空气流速分布和压力分布，文章计算结果对分析美人豹汽车的空气阻力特性、车体设计品质、和空气力对汽车行驶的稳定性有重要参考价值，本文所使用的计算方法对其它汽车车体空气动力学性能计算也有借鉴意义。关键词：汽车、车体设计、空气动力学性能分析、三维流动数值计算Abstract A numerical method for computing car air-dynamics performance is presented in this paper. The distribution of velocity and pressure, at 60、100、120、160Km/h of speed, around Meribao car are given. These computed results have important sense for analyzing the characteristics of air resistance, the quality of car body design, and the car roadability, the numerical method has also referent sense for computing the air-dynamics performance of other cars.Key words: Automobile, Car body design, Air-dynamics performance analyses, 3-d numerical simulation,随着社会文明程度的不断提高，要求汽车产品向更安全、更舒适、更经济、更环保方向发展，为了达到这个目标，各个汽车生产厂家在技术上展开了激烈竞争，给汽车设计提出了更高要求。为了减少汽车行驶阻力，提高汽车燃油经济性，以及汽车行驶稳定性，汽车车体空气动力学性能设计成为汽车设计的一个重要方面。 本文以美人豹汽车为对象，对汽车车体空气动力学数值计算方法进行了研究。主要内容包括数学和几何模型的建立、数值计算方法，文章给出了文章给出了汽车在以60、100、120、160Km/h行驶条件下，汽车车体周围空气流速分布和压力分布的计算结果，同时对计算结果进行了分析。文章的主要目的是建立汽车空气动力学性能计算机数值模拟方法，为分析和评价汽车车体设计品质提供科学依据。1 汽车空气动力学性能计算机数值仿真基础 汽车在行驶过程中，汽车周围的空气被汽车车体自然分开，形成空气气流。气流的分布形式和强度与汽车车体的设计形状，以及汽车的行驶速度有关。在气流流经汽车车体周围时，在汽车车体周围形成压力场。汽车车体承受来自各个方向上的空气压力，在这些空气压力的综合作用下，形成汽车运行时的空气阻力、侧向压力，对汽车的燃油经济性和行驶稳定性构成影响。汽车空气动力学性能研究的基础是汽车与周围空气的相对运动。这种相对运动一般是指由于汽车运动而产生的，在自然风作用明显的情况下，仍然可以换算为汽车与周围空气之间的相对速度加以考虑。在汽车的前进方向与空气流动方向不同时，只需要定义与之相符的空气流入,角，其结果并不改变问题的性质。按照上面的说明，本文在研究汽车空气动力学性能计算机数值仿真方法时，在提及空气流动时，为了陈述方便，无论是由汽车运动引起的，还是由自然风运动引起的，两者都归结为由于汽车运动而产生的，其结果也并不改变研究方法的有效性。本文计算汽车车体周围的空气流动采用的数学方程为：（1）动量方程（2）连续性方程 （3）气态方程,其中 气体密度 气体流动速度矢量 气体黏度p 气体压力v 气体比容c 常量k 绝热指数 上述方程没有考虑空气流动的能量耗散，因为本文研究的对象主要是空气流动对汽车的宏观作用，并不考虑气体本身的能量变化，因此方程中也不包含耗散项及紊流项。气体在汽车表面流过时产生的摩擦，在计算中也忽略不计，因为与空气对汽车运动形成的阻力相比，两者相差甚远，不在同一量级上。在计算汽车车体周围的空气流动时，汽车的前后和上部要留够计算空间，否则不能反映流动的真实情况。根据其它同类汽车的风洞实验结果，本文在计算模型上部留下大约一个汽车的高度，同时假定汽车运动不再对大于这个高度的空气流动产生影响。 2 汽车空气动力学性能计算机数值仿真过程与方法 本文采用SIMPLAR方法计算汽车周围的空气流动过程。SIMPLAR方法计算流体流动需要建立流速和压力混合节点有限元网格，并且在流速和压力节点网格上分别建立求解速度与压力等参数的离散化动量方程与连续方程。,实际计算时，由于汽车车体外形对气体流动影响很大，为了准确描述车体和外部各种装饰板的几何形状，在建立汽车车体几何模型和数值模型时应该按照复杂几何形面来处理。由于本文主要研究的是计算方法，没有将重点放在复杂边界的处理上，而采用了803555的有限元网格。如果研究的重点是各种装饰板的几何形状对汽车运行阻力的影响，应该采用更细的网格。图1给出了本文所使用的计算汽车车体周围空气流动的汽车几何模型和计算模型实际计算时，由于汽车车体外形对气体流动影响很大，为了准确描述车体和外部各种装饰板的几何形状，在建立汽车车体几何模型和数值模型时应该按照复杂几何形面来处理。由于本文主要研究的是计算方法，没有将重点放在复杂边界的处理上，而采用了803555的有限元网格。如果研究的重点是各种装饰板的几何形状对汽车运行阻力的影响，应该采用更细的网格。图1给出了本文所使用的计算汽车车体周围空气流动的汽车几何模型和计算模型 。,图1汽车几何模型和计算模型,本文计算汽车在60、100、120和160Km/h 4种运行速度情况下的汽车周围的空气流动。根据相对运动原理，假定汽车处于静止状态，自然风分别以60、100、120、160Km/h的速度流入计算模型，入口角为零，即计算仅考虑没有侧向风时的最简行驶工况。在实际计算过程中，计算收敛控制采用控制容积内相对空气质量的变化，所有控制容积内相对空气质量的变化小于5%；控制收敛因子取为0.02，500个计算循环基本能够达到收敛要求。3计算结果与分析 为了较为完整地给出计算结果，全面考察汽车的空气动力学性能，分别给出了汽车纵向中心剖面、两侧面和汽车横向在迎风的头部、发动机机舱盖中部、前窗中部、座舱中部、后窗中部、后扰流板处和汽车后部横断面处的空气流场和压力场分布。图12分别是汽车在60和160Km/h运行速度情况下的汽车纵向中心剖面内的空气流动情况。从图可以清楚地看到，在汽车全部空气基本都保持层流状态，在汽车上方，随着车速的提高，表现为层流的范围越来越窄。汽车尾部的紊流表现的越强烈。,图1 在60Km/h运行时汽车纵向中心剖面的空气流动分布,图2 在160Km/h运行时汽车纵向中心剖面的空气流动分布,图34分别是汽车在60和100Km/h运行速度情况下的汽车外侧的空气流动情况。该侧面通过汽车车厢的下部，因为汽车座舱上部比下部窄，汽车下部为汽车车体部分，上部有空气流动。在前窗位置，有气流由下向上流动，容易将前部的灰尘和雨滴带到前窗。在60Km/h和100Km/h运行速度情况下，明显看到后窗位置有空气由汽车底部向上绕车体流动，这就是诱导气流形成的纵向涡流的部分表现。,图3 在60Km/h运行速度时的汽车外侧的空气流动,图4 在100Km/h运行速度的汽车外侧的空气流动,图56分别是汽车在120和160Km/h运行速度情况下的汽车尾部的空气流动情况。由图可以明显看到空气由上、下、左、右向汽车尾部集中流动，并形成涡流。两图的差别在于，汽车车速增加时，空气向汽车尾部集中流动的速度加快，涡流强度增加。,图5 在120Km/h运行速度的汽车尾部的空气流动,图6 在160Km/h运行速度的汽车尾部的空气流动,图78分别是汽车在100和120Km/h运行速度情况下的汽车纵向中心剖面内的空气压力分布情况。由图可以看到汽车前部的空气压力较高，明显对汽车行驶构成阻碍。除了汽车头部空气压力明显高以外，另一个具有迎风面积的区域汽车前窗处，以及发动机机舱顶、也具有高压特征。相反，在座舱顶、后背箱、汽车后窗，以及汽车尾部都呈现低压状态。这种前后压差构成汽车行驶阻力，并且压差越大，阻力越大。100和120Km/h运行速度下的纵向中心剖面内的空气压力比较，后者汽车行驶阻力明显大于前者。,图7 在 100 Km/h运行速度时的汽车纵向中心剖面空气压力分布,图8 在 120 Km/h运行速度时的汽车纵向中心剖面空气压力分布 图912分别是汽车在60和100Km/h运行速度情况下的汽车发动机机舱顶面和汽车前窗处的空气压力分布。由图可以看到汽车发动机机舱顶面空气压力由低向高，压力逐步减低。低部压力高是由于机舱顶面倾斜部分与前窗迎风面积对空气流动直接构成阻碍作用引起的，而上部受到的影响越来越小。空气流动速度增快，压力也有所降低。由两种车速的压力分布比较可以明显感到，汽车在较低速度行驶时，这种压力作用很小。,图912分别是汽车在60和100Km/h运行速度情况下的汽车发动机机舱顶面和汽车前窗处的空气压力分布。由图可以看到汽车发动机机舱顶面空气压力由低向高，压力逐步减低。低部压力高是由于机舱顶面倾斜部分与前窗迎风面积对空气流动直接构成阻碍作用引起的，而上部受到的影响越来越小。空气流动速度增快，压力也有所降低。由两种车速的压力分布比较可以明显感到，汽车在较低速度行驶时，这种压力作用很小。,图9在60 Km/h运行速度时汽车发动机机舱顶面空气压力分布,图10在100 m/h运行速度时汽车发动机机舱顶面空气压力分布,图11在100 m/h运行速度时汽车前窗处的空气压力分布,图1316分别是汽车在60和100Km/h运行速度情况下的汽车发动机座舱顶面和汽车后背箱处的空气压力分布。由图可以看到，汽车发动机座舱顶面和汽车后背箱处的空气压力处于低压区。同样，汽车在较低速度行驶时，这种压力作用很小。,图12在60 m/h运行速度时汽车前窗处的空气压力分布,图13在100 m/h运行速度时汽车座舱顶面的空气压力分布,图14在60 m/h运行速度时汽车座舱顶面的空气压力分布,图15在100 m/h运行速度时汽车后背箱顶面的空气压力分布,图16在60 m/h运行速度时汽车后背箱顶面的空气压力分布,图1718分别是汽车在60和100Km/h运行速度情况下的汽车尾部的空气压力分布。由图可以看到，汽车尾部的空气压力很低。尤其，在车速为100Km/h时，尾部存在一个很大的涡流区。其间的压力分布也不是很均匀。在车速为60Km/h时，尾部涡流区相对很弱。,图17在100Km/h运行速度情况下的汽车尾部的空气压力分布,图18在60Km/h运行速度情况下的汽车尾部的空气压力分布,4. 结论(1) 本文主要研究的内容是汽车车体空气动力学性能计算机数值计算方法，采用的是SIMPLAR方法，给出了计算数学模型与计算模型；根据所建立的计算模型将计算数学模型在流速和压力节点交错网格上分别建立求解速度与压力等参数的离散化动量方程与连续方程，进行求解，并给出了计算结果，从计算结果分析，该计算方法是有效的，本文所使用的计算方法对其它汽车车体空气动力学性能计算有借鉴意义。,(2)本文以美人豹汽车为例，计算了汽车在以60、100、120、160Km/h行驶条件下，汽车车体周围空气流速分布和压力分布，计算结果可以直接观察到美人豹汽车车体的空气动力学性能特征，这些计算结果对分析美人豹汽车的空气阻力特性、车体设计品质、和空气力对汽车行驶的稳定性有重要参考价值。(3)由于时间与文章篇幅的限制，在车体车体空气动力学性能对汽车的燃油经济性和行驶稳定性构成影响方面，本文没有根据计算结果进行更详尽的分析，这些内容有待以后进行研究。参考文献 (1)H.K.Versteeg, W. Malalasekera, An introduction to Computational Fluid Dynamics, Longman Group Ltd 1995(2)Liu Gaolian, Gas Dynamics of Impeller Mechanism, Mechanic Industry Publisher, 1979(3)Wang Shuyi, Wang Xiancheng, Computation and Analyses of Inline T