基于CFD软件汽车外流场数值模拟的发展概述

王瑞丽　王倩

摘要：在提升汽车行驶性能的研究过程中，由于车身外部的空气会对汽车的行驶产生非常重要的影响，所以对汽车外流场进行有效的分析能够更有针对性的提升汽车的行驶性能，为此，本文对其进行了实践分析和研究。

关键词：CFD;汽车外流场;数值模拟;技术发展

一、汽车外流场分析概述

分析汽车运行过程中的外流场特性，优化汽车空气动力学外形。研究开发的内容是从简化的汽车模型出发，基于CFD软件进行汽车模型网格划分，利用仿真计算软件进行三维模拟计算，最后，利用后处理软件，分析汽车运行过程中的外流场特性，提出汽车空气动力学特性的外形设计优化方法。拟采用计算机辅助三维模拟计算的研究路线，

二、汽车外流场数值模拟分析

2.1汽车模型的建立

在进行汽车外流场进行气流状况数值模拟的过程中，由于不同车型的外形存在差异，所以首先需要对于汽车的实际外形结构进行数据的测量，在其基础之上完成实车参数的简化之后建立能够有效表现汽车特征的汽车数学三维模型，确保模型能够有效表现出汽车的尺寸，第二步是建立三维气流和空间参数模型。之后基于前期的分析得出的汽车外部气流变化数学模型以及参数的确定，通过对计算机三维软件完成汽车三维模型的组建以及周围空间气流的模拟工作;在之前的基础上通过CFD软件对建立模型进行网格划分。之后利用仿真计算软件，设置相应的参数，对汽车运行过程进行模拟计算。最后利用后处理软件，对计算结果进行分析研究。相关汽车外流场的研究表明，在阻力情况下，尾翼与车身之间的干涉比升力情况更为复杂，无法用风洞试验中获得的数据充分解释，这些数据包括后窗和后备箱上的力测量和油流显示。这表明了 CFD 计算的重要性，它提供了非常广泛的信息流。本文对本田 CR-X del Sol 的流动特性进行分析和研究，这是一种塔尔加顶部的几何形状，具体示意图如下图1中的图（a）所示，图（b）为在进行风洞试验时汽车的模型以及侧面图：

这款车型具有半敞篷车车身类型与可移动的屋顶。在本田 CR-X 德尔索尔的情况下，车顶是硬的，而一些汽车有一个柔软的顶部织物制成。应该注意的是，由于流体-结构相互作用的发生，软顶可以与流动相互作用并影响空气动力性能。这种车身类型最显著的流动特征是从车顶后缘开始的回流区，其大小取决于车身的确切尺寸和车顶的形状。本田 CR-X del Sol 有一个相对较高的后窗，客舱伸出后备箱0.28米，而客舱后面的车身水平部分的总长度几乎为1米长。车顶有一个尖锐的后缘，导致流动分离，而在一些可转换的汽车的情况下，车顶是圆形的，因此不可能正确地预测分离从哪里开始，仅仅通过视觉检查车身的几何形状。之所以选择这款车，是因为它的主要特征与最近开发的波兰超级跑车 Arrinera Hussarya 的早期原型相似。为了保证数值计算能够正确预测关键的流动特性，本文的研究包括了 CFD 结果与实验数据的补充。通过对实测气动系数和表面流动显示的比较，验证了数值计算的正确性。为了进一步了解车体模型的流动特性，利用 CFD 结果获得了车体模型的压力和速度分布、三维流动显示和气动力的部分载荷。

2.2数值计算结果分析

汽车车身的后视图与数值计算的可视化结果如图2所示。汽车前部具有典型车身的流动特征，包括保险杠和引擎盖末端的压力积累。气流在发动机罩的前缘以及侧面和挡风玻璃顶部加速，这些区域对应于汽车车身上较低的压力。流动的特点在后方是独特的塔尔加顶部类型的几何形状。流体在屋顶的后缘分离，在图2的对称面上的速度轮廓上可以看到，回流区几乎延伸到汽车尾部的圆形部分。但是，应该注意的是，该区域的流动是高度三维的，回流区在其他截面上并不长。

2.3汽车外流场模型的实际应用

汽车的车声外部气流对于汽车的行驶性能具有十分明显的影响，在通过汽车外流场对汽车的数值模型进行分析的基础上能够对汽车的外形进行改进，进而优化汽车性能，这样的设计研究模式在赛车的设计领域得到了更为广泛的应用。现有的在汽车外部配备的车身空气动力学部件有1989年东京车展上推出的三菱 HSR II 概念车配备的可移动的空气动力元件，例如扰流板、后部下襟翼、和后襟翼，根据提供的实验数据，当使用主动空气动力元件来增强制动时，风阻系数增加了0.21，升力系数减少了0.42。布加迪凯龙跑车将其风阻系数从最高速度模式下的0.36改为增加空气制动器后的0.60，导致风阻系数增加了，相当于0.24。这款车的前身，布加迪威龙16.4 Super Sport ，不仅有一个作为空气制动器的尾翼，而且还有一个扰流板放置在它下面，这使得风阻系数更大的增加了0.347。

到目前为止，这种讨论只涉及高性能车辆。将主动空气动力学引入乘用车的概念并不新鲜。1984年的阿尔法罗密欧90配备了可移动的扰流板，而1990年的三菱3000GT 有可移动的前后扰流板。近年来，采用各种主动空气动力装置的汽车越来越多。主动空气动力学在客车领域影响力上升的最重要的原因是追求风阻系数的减少。文献[1]中对这类元素进行了回顾。主动格栅百叶窗是最普遍的装置之一，它们关闭时，通过散热器的流量可以受到限制。主动空气动力学元件的另一个用途是它们能够隐藏在车身内部，并在车开始移动或达到一定速度時收回，以提高汽车的操纵性，如奥迪 A7。其他一些有效的空气动力学元件，例如用于改善敞篷车舒适性的装置，然而，直到今天，乘用车还没有配备有效的空气刹车装置。在文献检索过程中，人们认识到，尽管前面提到了赛车和跑车的专利和实施，但是对于乘用车空气动力制动增强的研究还很缺乏。关于这一主题的最新文献包括为方程式 SAE赛车开发的空气动力制动增强装置，而诸如文献[2]、文献[3]、文献[5]等研究则提出了利用主动空气动力学元素来增强摩托车空气动力制动的可能性，另一个例子是文献[2]，它处理了简化赛车车身形状（艾哈迈德车身）的空气动力制动问题，这些实例足以说明制动的空气动力学增强的重要性和潜力。

三、结束语

综上所述，在本文的研究过程中，为了能够基于本文前期的对汽车外流场数字化模拟的计算基础提出改善汽车制动时空气动力特性的可能方法，文研究了当尾翼处于低迎角以增加下压力时，以及当尾翼处于高迎角时，由于产生的阻力大大增加而起到空气动力制动的作用，从而提高了操纵性和制动性。

参考文献

[1]钱娟，王东方，缪小东，苏国营. 基于CFD的汽车外流场数值模拟及优化[J]. 制造业自动化，2016，38（04）：74-76+92.

[2]孟生才，陈倩云. 基于CFD的汽车外流场数值模拟[J]. 齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2014，30（04）：32-36.

[3]贾志浩. 基于不同湍流模型的汽车外流场数值模拟[D].郑州大学，2013.

[4]黄永辉. 基于CFD的汽车外流场数值模拟及车身造型优化[D].湖南大学，2011.

[5]张奇，赵又群，杨国权. 基于CFD的汽车外流场数值模拟的发展概述[J]. 农业装备与车辆工程，2005，（12）：8-11.