计及车身附件气动干涉影响的汽车流场数值仿真研究

汽󰀁车󰀁工󰀁程AutomotiveEngineering

2010(Vo.l32)No.12

2010213

计及车身附件气动干涉影响的汽车

*

流场数值仿真研究

袁志群,谷正气,刘金武

1

2,3

1

(1󰀁厦门理工学院机械工程系,厦门󰀁361024;󰀁2󰀁湖南工业大学,株洲412008;

3󰀁湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙󰀁410082)

[摘要]󰀁以降低汽车气动阻力、获得最优气动造型为目的,应用计算流体动力学方法对某轿车内外流场进行了数值仿真,分析并总结了车身附件气动干涉和发动机舱内空气流动对整车气动性能的影响。计算结果表明:车身附件对整车气动特性有较大影响。其中,底部结构和轮胎的影响较大;余者(后视镜、雨刮器和门把手)的影响很小。考虑了车身附件的影响后,气动阻力约增加23%;加上发动机舱内空气流动的影响,整车气动阻力共增大约35%。分析还表明,车轮的转动有利于改善车底气流与尾流的相互作用,使气动阻力稍有降低。

关键词:气动阻力;内外流场;车身附件;发动机舱内空气流动

AStudyontheNumericalSimulationofVehicleFlowFieldwiththe

AerodynamicInterferenceofAttachmentsConsidered

YuanZhiqun,GuZhengqi&LiuJinwu

1

2,3

1

1󰀁DepartmentofMechanicalEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen󰀁361024;󰀁2󰀁HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou󰀁412008;

3󰀁HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha󰀁410082

[Abstract]󰀁Aimingatreducingaerodynamicdragandobtainingoptimalaerodynamicshape,CFDtechniqueisappliedtothenumericalsimulationontheexternalandinternalflowfieldofacar.Theeffectsofcarbodyattach󰀂mentsandunderhoodairflowonvehicleaerodynamiccharacteristicsareanalyzedandsummarized.Theresultsofsimulationshowthattheinfluenceofattachmentsisnotableonaerodynamiccharacteristics,inwhichtheeffectsofunder󰀂bodystructureandtiresaremoresignifican,twhilethoseoftheremains(rearviewmirror,windshieldwiperanddoorhandle)aretrivia.lWhentheeffectsofattachmentsareconsidered,aerodynamicdragincreasesbyaround23%;andifaddingontopofittheinfluenceofunderhoodflow,thetotalaerodynamicdragwillrisebysome35%.Theanalysisalsoindicatesthattherotationoftiresisconducivetotheimprovementoftheinteractionbetweenunder󰀂bodyflowandwakeflow,leadingtoalittlereductioninaerodynamicdrag.

Keywords:aerodynamicdrag;externalandinternalflowfield;carbodyattachments;underhoodair󰀂

flow

有效途径。国内外研究表明,汽车底部结构、车轮

以及行李架等车身附件对整车气动特性有较大的影响

对于高速行驶的汽车,在满足结构设计、美学、人体工程学和国家法规的同时,降低气动阻力是其空气动力学设计的准则,也是降低汽车燃油消耗的

[2-6]

[1]

前言

。而目前国内外对于汽车外流场计算以及风

洞试验基本都忽略了底部结构、雨刮器、门把手等车身附件,计算模型普遍过于简单,基本上没有考虑车身附件对整车流场干涉的影响

[7-8]

,计算结果相对

*福建省教育厅B类科技项目(JB10150)、国家自然科学基金(50975083)和国家863计划项目(2007AA04Z122)资助。原稿收到日期为2009年11月2日,修改稿收到日期为2010年1月10日。󰀂󰀁1034󰀂汽󰀁车󰀁工󰀁程2010年(第32卷)第12期

于实际道路车辆差别太大。

在汽车造型最初阶段进行缩尺模型风洞试验时,车身附件的空气动力学干涉的影响难以通过风洞测量,因为按比例缩小的这些突出附件所产生的

[1]

空气动力学干涉效应可能与全尺寸不相似;进行实车风洞试验虽然能对车身附件的气动干涉影响进行测量,但是耗时耗资,且实车风洞试验更适用于汽车后期开发,而不利于汽车前期设计指导。随着计算技术的发展,数值计算作为空气动力学研究的辅助手段,不仅不受风洞试验中存在的洞壁干扰、堵塞效应和雷诺数效应等的限制,而且效率高、费用低。所以对汽车车身附件进行气动干涉数值计算是很有意义的尝试,数值计算得到的车身附件与汽车空气动力学特性的规律关系,可以对改善汽车气动特性从理论上进行指导。

[1]

󰀂(!k)/󰀂t+󰀂(!kui)/󰀂xi=

󰀂[( + 󰀁t/∀k)󰀂k/󰀂xj]/󰀂xj+Gk-!

(2)湍动耗散率󰀁方程

(4)

󰀂(!󰀁)/󰀂t+󰀂(!󰀁ui)/󰀂xi=[( + xj]/t/∀󰀁)󰀂󰀁/󰀂

󰀂xj+󰀂!C1E󰀁-!C2󰀁/(k+

2

v󰀁)(5)

式中:!为流体密度;k为湍流动能;󰀁为湍流动能耗散率;Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,计算式为

Gk= t(󰀂ui/󰀂xj+󰀂uj/󰀂xi)󰀂ui/󰀂xi

[9]

(6)

以上各式中其它参数定义如下:∀k=1;∀󰀁=1󰀁2;C2=1󰀁9;C1=max(0󰀁43,#/(#+5));#=(2Eij󰀂Eij)

1/2

k/󰀁;Eij=(󰀂ui/󰀂xj+󰀂uj/󰀂xi)/2。

[9]

该湍流模型可用于不同类型的流动计算,包括剪切流、边界层流动和带有分离的流动

车流场的数值仿真计算。

,很适合汽

1󰀁数学模型的建立

汽车车速一般远低于声速,马赫数较小,汽车空气动力学属于低速空气动力学,因而汽车周围流场

[1]

可视为三维不可压缩黏性等温流场,由于其外形复杂容易引起分离,所以应按湍流处理。研究表明Realizablek󰀂󰀁湍流模型在气动参数计算方面比较理想,被广泛应用于汽车绕流问题中,本文中即选用该湍流模型。1󰀁1󰀁基本方程

湍流计算的基本控制方程为三维不可压缩雷诺时均Navier󰀂Stokes方程,简称RANS方程,其控制方程如下。

(1)连续方程󰀁󰀂ui/󰀂xi=0(2)运动方程

󰀂(uiuj)/󰀂xi=-󰀂p/󰀂xj+󰀁󰀁[ eff(󰀂ui/󰀂xj+󰀂uj/󰀂xi)]/󰀂xj

其中󰀁

eff= + t C k/󰀁t=!

2

[7-8]

2󰀁几何模型的建立

在UG中按1 1建立某前置前驱轿车模型,并进行适当简化(见图1)。外流场几何模型主要考虑了汽车外表面上诸如后视镜、雨刮器、门把手、车轮、

底板、车架、排气系统、油箱和备胎等车身附件。

(1)

图1󰀁汽车内外流场几何模型

(2)(3)

在外流场模型的基础上,内流场几何模型考虑了冷却系统(包括中冷器、冷凝器、散热器和风扇)、发动机、变速器、离合器、副车架和发动机舱内附件,对流动影响较小的线束进行适当简化,基本上保证了内外流场计算模型与实际车型一致。

式中:矢量ui、uj为平均速度分量;矢量xi、xj为坐标分量;p为流体微元体上的压力; eff为湍流有效黏性系数; 为动力黏度; t为湍动黏度。1󰀁2󰀁湍流模型

Realizablek󰀂󰀁湍流模型适用于雷诺应力下确定的数学约束和湍流流态,是k󰀂󰀁和RNGk󰀂󰀁湍流模

[9]

型不能实现的,关于k和󰀁的输运方程如下。

(1)湍流动能k方程

3󰀁计算模型的建立

计算域为一个围绕整车的长方体,汽车模型前部留3倍车长,后部留7倍车长,上部留5倍车高,两侧均留5倍车宽,整个计算区域与实际空气流动

2010(Vo.l32)No.12袁志群,等:计及车身附件气动干涉影响的汽车流场数值仿真研究󰀂1035󰀁󰀂

区域具有一致性。采用OCTREE方法在整个计算流域生成非结构化空间网格,在车身表面拉伸出与其平行的三棱柱网格,以满足壁面函数的需求,精确模拟汽车表面的附面层。在流动变化剧烈的区域加密网格,通过采用不同的网格数目验证了网格的无关性

[10]

法准确可靠,可运用该方法分析车身附件和发动机舱内空气流动对整车气动阻力特性的影响规律。4󰀁1󰀁车身附件气动干涉的影响分析与讨论

模型2气动阻力系数的数值计算结果见表3。对比表2可知,当车轮静止时,车身附件对整车气动阻力系数贡献量为0󰀁0606。而车轮转动条件下整车的气动阻力系数比静止时低,通过对比发现气动阻力降低主要集中在车身、底部结构和轮胎,而对后视镜、雨刮器和门把手的气动阻力基本没有影响。车轮转动有利于改善车底气流与尾流的相互作用对整车流场的影响,这与文献[12]的研究结论一致。

表3󰀁模型2气动阻力系数

车轮静止

气动阻力系数

0󰀁3192

车轮转动0󰀁3033

变化量-0󰀁0159

,测试表明所划分的网格单元数足以消除网格

密度的影响。

数值仿真边界条件的确定需要在数学上满足适

定性,在物理上具有明确的意义。汽车在实际行驶时,地面不存在附面层,在此采用移动壁面边界条件消除由于数值仿真产生的地面边界层,研究表明这种方法是切实可行的表1。

[11]

。计算域边界条件设置见

表1󰀁计算域边界条件设定

计算域边界计算域入口

边界条件设定速度入口u=30m/s,v=0,w=0

计算域出口计算域地板

压力出口p=101325Pa

移动壁面边界u=30m/s,v=0,w=0

计算域左右表面以及上表面

轮胎

滑移壁面边界静止壁面边界

∃=0旋转壁面边界∃=u/r=91󰀁7rad/s

汽车车身及其它附件发动机舱冷却系统

无滑移壁面边界多孔介质与多参考坐标系

为了更详细地了解车身附件对整车气动阻力的

影响,对模型2整车气动阻力的构成进行分析,如图2所示。

4󰀁结果分析与讨论

应用上述方法研究车身附件和发动机舱内空气流动对整车气动阻力特性的影响规律。根据所建立几何模型选用以下几种方案进行研究:(1)不考虑车身附件气动干涉和发动机舱内空气流动影响的外流场模型1;(2)仅考虑车身附件气动干涉影响的外流场模型2;(3)同时考虑车身附件气动干涉和发动机舱内空气流动影响的内外流场模型3。

模型1的风洞试验结果如表2所示,它验证了文中数值计算方法的准确性。计算值误差在5%以内,精度满足工程实际需要,表明本文中数值计算方

表2󰀁模型1气动阻力系数

数值计算值气动阻力系数0󰀁2586风洞试验值0󰀁2705误差4󰀁39%图2󰀁模型2汽车各部件气动阻力构成比例

车身是整车气动阻力的主要组成部分,而底部结构对气动阻力贡献量也达到27󰀁54%,轮胎、后视镜和雨刮器次之,贡献量依次为15󰀁49%、3󰀁19%和2󰀁47%,门把手对气动阻力的影响最小。

综上所述,在研究汽车气动阻力特性时,不能过度简化汽车模型,须综合考虑车身附件的气动干涉影响。

图3为汽车表面剪切应力分布,从图中可以直观地了解近车体气流的流动状况。气流在车身表面发生分离的位置就是表面剪切应力为0的位置。雨刮器附近、后视镜后部和门把手凹槽内部都部分存在气流分离现象。而汽车底部由于凹凸不平,流动非常复杂,出现了大量的气流分离现象,对于汽车尾部流场有较大的影响。图4为汽车表面压力云图,底部结构、雨刮器、󰀂󰀁1036󰀂汽󰀁车󰀁工󰀁程2010年(第32卷)第12期

示。对比表3可知,当车轮静止时,发动机舱内空气

流动对整车气动阻力系数贡献量为0󰀁0310。而车轮转动条件下整车的气动阻力系数比静止时低,但是降低量不如模型2明显,主要原因是考虑发动机舱内空气流动后,汽车底部和尾部流场更加紊乱。

表4󰀁模型3气动阻力系数

车轮静止

气动阻力系数

0󰀁3502

车轮转动0󰀁3388

变化量-0󰀁0114

汽车在行驶过程中,冷却气流由汽车前端的上下进风口进入发动机舱内,如图5所示。气流进入发动机舱后,由于冷却系统并不完全通风,气流在此受到了阻挡,小部分气流未流经冷却系统而直接从发动机舱底部排出;大部分气流直接进入散热器芯部,对其进行冷却。从冷却系统排出的高温气流直

图3󰀁模型2汽车表面剪切应力分布

接吹向发动机体,在其前面突然减速,气流在其四周发生分离;冷却气流流经散热器、发动机体等热源部分,通过对流换热将热量带走,有小部分高温气流从发动机舱前底部排出,大部分高温气流从发动机舱后底部排出。

图5󰀁发动机舱三维流线

发动机舱气流从底部排出后,使车底、车尾流场

图4󰀁模型2汽车表面压力分布

更加紊乱。它与侧面、顶面而来的气流形成的马蹄涡相互作用、相互影响,直至耗散消失,对车尾流场影响较大,增加了能量损耗。

后视镜和轮胎处压力梯度比较大,因而涡量损失大,气动阻力较大。

由以上分析可知,车身附件使气动阻力增加主要有两方面的原因:一方面由于突出于车身之外,直接受来流冲击,形成了压差阻力(如后视镜和门把手);另一方面由于自身流场结构紊乱,气流分离严重,增加了整车的涡量损耗(如底部结构和雨刮器)。而这两方面的因素相互制约与影响。4󰀁2󰀁发动机舱内空气流动的影响分析与讨论

模型3气动阻力系数的数值计算结果如表4所

5󰀁结论

(1)车身附件对整车气动特性影响较大,气动阻力增加了23󰀁43%;考虑轮胎旋转后,气动阻力有一定程度降低。因此,在对汽车进行空气动力学设计与分析时,不能过度简化模型,应充分考虑车身附件引起的空气动力特性变化。

(2)车身是整车气动阻力的主要组成部分;底

2010(Vo.l32)No.12袁志群,等:计及车身附件气动干涉影响的汽车流场数值仿真研究󰀂1037󰀁󰀂

部结构对气动阻力的影响仅次于车身;其次是轮胎、后视镜和雨刮器,而门把手的影响最小。

(3)车身附件形成的压差阻力以及涡量损耗是气动阻力增加的主要原因。

(4)考虑车身附件气动干涉和发动机舱内空气流动影响后,气动阻力增加了35󰀁42%。

(5)发动机舱温度场以及冷却风扇转速对整车气动阻力特性的影响有待日后进一步研究。

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(上接第1032页)0󰀁30 m)的数量浓度会有所增加。

(4)DPF对粒径大于0󰀁04 m的颗粒物的过滤

效率在98%以上,而对超细(粒径小于0󰀁04 m)颗粒物的过滤效果较差。

3󰀁结论

(1)车辆使用硫质量分数高的燃油时颗粒物数量浓度和质量浓度都比车辆使用硫质量分数低的燃

油的高,两者的质量差异为35%。

(2)车辆使用硫质量分数低的燃油时DPF对颗粒物数量和质量的减少率都比车辆使用硫质量分数高的燃油时高,但经DPF过滤后车辆使用两种燃油的颗粒物排放结果都可满足国!限值。

(3)车辆使用硫质量分数低的燃油与硫质量分数高的燃油时的颗粒物排放数量结果相差不大,但车辆使用硫质量分数高的燃油时,颗粒物数量浓度峰值向大粒径颗粒物偏移,而车辆使用硫质量分数较低的燃油时,细小颗粒物(粒径在0󰀁04~

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