01_12基于STAR-CCM+仿真计算某轿车风阻系数

基于基于 STARSTAR- -CCM+CCM+仿真计算某轿车风阻系数仿真计算某轿车风阻系数 祝文举，陶其铭，许志宝 （安徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230061） (62259252, swjtuzwj) 摘要：本文应用 hyper mesh 软件提取某轿车整车外表面，划分初步网格模型，同时建立 60m20m10m的模拟风 洞。将整车模拟风洞模型导入 STAR-CCM+流体计算软件，优化网格后进行风阻系数仿真计算，模拟计算结果为 0.328。该车型风洞试验测试结果为 0.319，仿真误差为 2.82%，因此仿真方法精度较高。 关键词：风阻系数、边界层、湍流模型。 0 0 前言 随着能源问题的日益突出和第四阶段油耗标准的实施，节能减排已成为企业关注的首要问题， 而降低整车风阻系数是提升车辆的燃油经济性和动力性的有效手段。 研究表明，每降低 10%风阻系数，循环工况可降低油耗 23%，高速工况可降低油耗 57%， 当车速达到 80km/h 时，气动阻力占总阻力的一半，并随着车速的增加，所消耗的功率急剧增加， 如图 1所示。 图 1 气动阻力占比与所耗功率示图 本文通过 STAR-CCM+软件模拟车辆周围气流的流动情况，并提出优化建议。同时，对比该车 型风阻系数的计算值与实验值，仿真精度为 97.23%，表明该软件能够准确的模拟整车阻力，为车 辆的气动阻力优化提供有效的手段。 1 1 分析模型 1.11.1 整车模型 整车气动阻力分析需建立整车外表面网格模型，通常包含：整车外表面、外饰件、冷却模块、 发动机舱、底盘件等，如图 2 所示。 （a）主视图 （b）底部视图 （c）舱内视图 （d）侧视图 图 2 整车 CFD模型视图 0 10 20 30 40 50 60 70 80 020406080100120140160 车速v(km/h) 气 动 阻 力 占 总 阻 力 的 比 例 (%) 滚动阻力滚动阻力 气动阻力气动阻力 车速v(km/h) 消 耗 的 功 率 P(kW) 0 3.7 7.4 11.1 14.8 0163248648096112 1.21.2 模拟风洞模型 模拟风洞是指在软件中建立的流体计算域，为了保证边界不影响车辆周围的流动特性，尺寸 应足够大，本文采用 60m20m10m的模拟风洞，如图 3 所示。 图 3 模拟风洞模型 1.1.3 3 计算网格模型 STAR-CCM+软件是基于有限体积法进行求解，首先划分面网格，然后在面网格的基础上拉伸 边界层网格，最后填充体网格。物理量梯度较大的区域需要划分较为细密的网格，这样才能更加 准确的捕捉流动情况。本文采用 Trim网格，并对车辆周围进行加密，如图 4所示。 图 4 计算网格模型示意图 2 2 边界条件 CFD 模拟分析的边界应于风洞试验边界条件尽量保持一致，以便分析结果具有可比性。本文 模拟风速为 120m/s、0偏航角的流动情况，其边界如表 1所示。 表 1 CFD 模拟分析边界条件 边界名称 边界条件 取值 入口 流速 v v=120m/s，湍流度 1% 壁面 滑移壁面 Slip Ground 地面 非滑移 与风速等速移动 No Slip Ground、 v=120m/s 出口 压力 P=0pa 轮胎 旋转 Rotate=1028RPM 风扇 不旋转 0RPM 冷却模块 芯体 多孔介质 根据零部件流速-压降性 能曲线求解 3 3 分析结果 3 3. .1 1 投影面积计算 STAR-CCM+软件是通过积分车辆表面压力和摩擦力获取流动阻力，再除以 0.5v2*A 求取风阻 系数，A为车辆的正投影面积，因此能否准确的求解 A值直接关乎风阻系数的绝对精度。 本文所涉车型投影面积的计算值与风洞测试值如表 2所示，误差仅为 0.5%，精度很高。 表 2 投影面积对比列表 STAR-CCM+计算值（m2） 风洞试验测试值（m2） 误差 投影面积 A 2.1429 2.1321 0.5% 3 3. .2 2 速度分布图 图 5 Y=0 截面速度分布图 图 5 表明： （1）气流流经后窗底部时出现分离现象，然后在行李箱盖附着，最后在行李箱后缘 分离，形成顺时针方向的剪切涡旋； （2）尾部的涡旋主要由车身顶部和四周的气流形成，利于行 李箱盖清洁，但是会产生升力； （3）由于底盘件没有进行包覆，因此底部气流动能损失较大，产 生较大的压差阻力，建议增加底部覆板改善流动特性。 图 6 Z=-150mm 截面速度分布图 由于轮胎是风阻的重灾区，因此改善暴露在空气中轮胎的流动特性是必要的，这也是当前很 多车型都安装轮胎阻风板的目的。图 6 表明，该车型轮胎处的流动特性较好，并没有形成很大的轮 胎涡流区。 图 7 Z=150mm 截面速度分布图 图 7 表明，车身侧面的流动特性不好，气流流过前保杠后，在轮包附近产生了明显的分离现象， 主要是前保杠曲面造型和轮包内的气流流动特性共同影响所致。 图 8 Z=750mm 截面速度分布图 图 8 表明： （1）从后视镜表明脱落的气流没有直接击打在前侧窗表面，利于降低气动噪声； （2） 后视镜与侧窗之间的气流流速较大，利于雨天行驶时及时除去侧窗表面的水滴。 3 3. .3 3 冷却气流流线图 图 9 冷却气流流线分布图 图 9 表明： （1）流过冷却模块的气流在副车架处产生较大的干扰阻力，之后较为顺畅的流过车 身底部； （2）部分冷却气流进入轮舱，以一定的偏航角击打在旋转的轮胎上，将产生较强的涡旋。 3 3. .4 4 风阻系数 图 10 研究车型风洞试验测试 表 3 风阻系数对比列表 STAR-CCM+计算值 风洞试验测试值 误差 风阻系数 Cd 0.328 0.319 2.82% 表 3表明：应用STAR-CCM+软件，按照本文所述方法进行仿真计算，分析精度达到97.18%， 能够很好的进行该车型的后期优化分析。 4 4 结论 （1）基于 STAR-CCM+软件，可以很好的模拟该车型的风阻系数，分析精度达到 97.18%，满 足工程要求； （2）该车型风阻系数偏大，可以通过改善车身侧面流动、发动机舱内流及底盘流动特性，降 低整车风阻； （3）后视镜区域流动特性较好。 参考文献 1 Anderson，J.D.著. 计算流体力学入门.影印本.北京：清华大学出版社，2002.4 2 Wolf-Heinrich Hucho, Aerodynamics of Roa