基于FLUENT 的扰流器对某跑车阻力系数影响的仿真分析

田 会，张作森，张玉玲

（1.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044；2.天津外国语大学国际商学院，天津 300270）

前言

研究汽车的气动性能可以改善汽车高速行驶的稳定性，还可以降低油耗[1]。汽车气动性能的研究对象由最初仅限于车体本身，到现在对车身附件的模拟。目前主要有汽车风洞试验和计算机仿真两类方法来研究汽车的气动特性。风洞试验是一种研究汽车空气动力学的传统方法，存在投资大、成本高、试验的周期长等问题，此外还存在地面效应与车轮旋转效应模拟等问题[2]。与汽车风洞试验相比，计算机仿真具有成本低、可视化程度高等优点，应用的越来越广泛[3]。本文基于CFD 理论对某跑车车身进行外流场仿真，首先导入车身三维几何模型，利用ANSA 软件对车身模型进行几何清理并划分非结构网格，利用FLUENT 软件进行阻力系数的求解计算，最后在CFD-POST 软件中提取计算结果，分析扰流器对汽车阻力系数的影响，为以后减小汽车阻力系数提供参考。

1 模型的几何清理及网格划分

1.1 模型的几何清理

原始跑车模型的尺寸为：长L=3 350 mm，宽W=1 340 mm，高H=810 mm。将跑车模型导入到ANSA 软件中，由于原始模型的曲面细节过多，如后视镜等，从而导致在ANSA软件中生成的网格质量较差，最终会影响仿真结果的准确性，因此需要对模型进行几何清理，删掉对仿真结果影响较小的部分，将车身底部简化为平面，最终将汽车处理为一个封闭的壳体[3]。完成几何清理后的跑车原始模型如图1 所示。图2 为加装扰流器的跑车模型，本文一共有0 °、6 °、12 °三种不同角度的扰流器。

图1 几何清理后的原始跑车模型

图2 加装扰流器的跑车模型

设置跑车外流场计算域为长方体形，其尺寸设定为：车前取 L，车后取3 L，车两侧各取0.5 L，车上部取 0.2 L，车底部取0.001 L。外流场计算域模型，如图3 所示。

图3 外流场计算域模型

1.2 模型的网格划分

运用ANSA 软件对模型进行网格划分，由于混合网格具有精度高、数量少的优点，因此网格类型选择混合网格[3]。由于车身附近的气流变化大，速度、压力等物理量变化剧烈，流场情况相对复杂，故在车身附近对网格进行适当加密，以便于精确捕捉车身周围的气流流动情况，而在远离车身的计算域，物理量变化平缓，将网格划分得适当稀疏，以达到减少总体网格数量的目的。模型中间面的网格如图4 所示。

图4 中间面网格

2 阻力系数的仿真求解

2.1 控制方程

汽车外流场仿真是一个复杂的过程，但其遵循基本的流动控制方程，即连续性方程、动量方程、能量方程[4-5]。由于本次汽车外流场仿真仅进行流动参数（如速度、压力等）的仿真计算，不涉及温度场的仿真计算，因此下面仅给出连续性方程和动量方程。

（1）连续性方程：

式中：ρ为流体密度，τ为时间；为流体速度矢量；div为散度。

（2）动量方程：

式中：p为压强，Fi为体积力，Ui为沿坐标轴方向速度分量，sij为粘性应力分量。

2.2 湍流模型

目前，在工程中应用最广泛的湍流模型是k-ε 模型0，比较流行的k-ε 模型包括标准k-ε 模型、RNG k-ε 模型和Realizable k-ε 模型，本文选用 Realizable k-ε 湍流模型。

2.3 边界条件

外流场计算域设置入口（inlet）、出口（outlet）、地面（ground）、左右侧面及上壁面（wall）以及车身表面（car）五个部分。将入口边界条件设为速度入口，气流速度u=50 m/s，方向为垂直于入口边界；将出口边界条件设为压力出口；将地面设为移动壁面边界，速度、方向与入口相同；将计算域左右侧面及上壁面设为固定无滑移壁面边界；将车身表面设为固定无滑移壁面。

3 阻力系数结果及原因分析

3.1 阻力系数的计算结果

FLUENT 是基于有限体积法的数值模拟软件，其对流动问题的仿真具有良好的适用性。在 FLUENT 中对原始模型以及三种加装扰流器模型进行仿真计算，得到相应的阻力系数，如表 1 所示，图5 为各种模型的阻力系数柱状图。

表1 阻力系数汇总表

观察表中数据，可以得到以下结论：

（1）原始模型的阻力系数小于加装扰流器的跑车模型的阻力。

（2）在加装扰流器的模型中，扰流器的角度越大，对应的阻力系数越大，表现为汽车行驶时的燃油经济性越差。

3.2 阻力系数差异的原因分析

计算域中间对称面的速度矢量图，如图 5 所示。由图5（a）可以看到气流流经车顶和车底后在车身尾端以几乎平行的角度流出，在车尾处形成漩涡，导致车尾处形成负压区，这是产生汽车阻力系数的关键因素[1]。图 5（b）、（c）、（d）中，上侧气流流过车顶后由扰流器引导向上，下侧气流由引流板引导向上，扰流器的存在延迟了车身上方和车身下方两股气流在车尾处的平稳汇合。同时还可以观察到扰流板角度不同时，车尾漩涡的尺度（大小和形状）也不相同，正是由于该尾部漩涡的存在增大了汽车的阻力系数，并且扰流器的角度越大，扰流器下方的漩涡越大，表现为汽车的阻力系数越大。

图5 中间对称面的速度矢量图

图6（a）为原车模型车尾的压力云图，原车模型的阻力系数为0.47，低于加装扰流器的汽车模型的阻力系数，说明扰流器的存在明显增加汽车的阻力系数。图6（b）、（c）、（d）分别为加装不同角度扰流器模型的车尾的压力云图，扰流器的角度不同，对应的汽车模型的阻力系数不同，说明扰流器的角度变化使得车体后部的能量耗散发生变化。并且扰流器角度越大，汽车能量耗散越大，表现为阻力系数越大，燃油经济性越差。

图6 车尾的压力云图

4 总结

对某型跑车原车及加装三种不同角度扰流器后的模型进行阻力系数的仿真分析，得到以下结论：

（1）原始跑车模型的阻力系数为0.47，其阻力系数小于加装扰流器的汽车的阻力系数。

（2）不同角度的扰流器对整车的阻力系数会产生不同的影响，扰流器的存在延迟了两股气流在车尾处的平稳汇合，导致车尾处扰流器后方形成负压区，增大了汽车的阻力系数。扰流器的角度越大，阻力系数越大，汽车的燃油经济性越差。