基于Star-CCM+的某电动车外流场仿真分析

    本文对某纯电动车进行外流场分析，建立包含冷却系统在内的整车模型，仿真计算得到高速工况下车身外表面压力分布、空气域速度分布及整车风阻系数，根据仿真结果对原结构优化后再次计算，优化后整车风阻改善显著。

1 模型简介

    采用有限元软件对某电动车三维数据进行前处理，提取车身、后视镜、雨刮、格栅、前后轮胎、底盘及周边附件外表几何结构，进行几何清理和面网格的划分。要求几何能够完整表达各子系统表面结构，冷却模块、后视镜、进气格栅等局部结构的几何特征需要进行细化。各部件及系统表面网格单元不能出现交叉，相近的部件网格空腔区域可以连通，不能出现两个或多个独立零部件共节点现象。将划分好的网格模型导入流体软件，客车周边建立风洞模型，检查面网格质量并标记特征线，如图1所示。网格单元是模拟计算的基体，网格质量和数量分别决定计算的精度和效率。根据三维模型的结构，采用流体软件中多面体单元进行网格划分。建模过程中，总共生成面网格数700万，生成体网格数3300万。后视镜、保险杠、进气格栅、散热器等局部网格模型如图2所示。

图1 某纯电动车外流场分析模型

图2 某纯电动车局部网格模型

2 边界条件

    对后视镜及整车区域进行分层加密，并生成边界层以捕捉更微小的流动特征。因部件周边需要捕捉的空气流动特征要求不同，且部件本身的尺寸不同，各部件依据自身特点设置不同尺寸，各零部件及子系统网格设置尺寸如下表1所示。同时，空气域网格生成时，设置三层边界层，总厚度为6mm，增长率为1.5。

表1 各部件网格设置尺寸分布表

    采用速度入口作为气流入口边界，标准大气压作为出口边界，地面设置向后移动的行车速度，其余三个流道边界壁面设置为无边界层的滑移壁面。客车轮胎设置为向前旋转，由于前后轮不在同一平面上，对其建立独立坐标系。散热器设置为多孔介质，输入惯性系数及粘性系数，散热器风扇设置最大转速。

    计算客车高速工况下的车身外表面压力分布、空气域速度场分布及整车风阻系数，尽可能减少气流分离、正面冲击，风阻系数须满足性能要求。

3 计算分析

    采用恰当的湍流模型进行客车外流场数值模拟，从仿真计算得车身表面压力分布、空气域速度分布及整车阻风阻系数等多方面进行对比分析，找到需要优化改进的外形结构，包括整车流线结构、车身各表面曲面变化及局部的圆角过渡弧度等。查看流体软件计算结果，车辆的迎风面积为 8.05m²，整车风阻系数为0.496。

    在客车纵向中截面的速度、压力场上，可以看出整车气流的流速分布及气流吸附情况，客车顶部气流的吸附程度较弱，会影响到尾涡的形成。前脸与车顶连接区域的气流分离较为严重，会增大整车的风阻系数，需要进行优化以降低风阻。

    空气经过后视镜后的导流后，气流没有冲击在侧窗，造成很大的气流分离，也会影响尾涡的形成，使风阻系数增大，需要调整后视镜角度，后视镜处速度分布如图3所示。

图3 后视镜处速度分布云图

    空气流经车体上部，顶置空调后边缘气流分离较为严重，如图4所示，需要调整部件结构倾角。车体顶盖及后围连接处存在气体流动分离，需要改成渐增式变径弧线过渡。

图4 顶置空调后边缘速度分布

    车身上部冷凝器及天窗存在气流分离，需要调整各部件的相对位置，使其良好过渡；需要在客车下部增加挡流板以降低车体对风的正面冲击；车身后保后的气流上扬趋势不明显，需增大离去角，减小尾涡旋流的直径。主要优化结构汇总如表2所示。

表2 主要优化结构汇总表

4 优化计算

    结构改进后进行仿真分析，在客车新结构的纵向中截面速度、压力场上，可以看出整车气流的流速分布及气流吸附情况有所改善。优化后客车风阻系数为0.471，流体性能改善情况如下：（1）后视镜调整后，部分气流冲击在侧窗，减小了气流分离；（2）顶置空调后边缘与车顶过渡连接，减小了气流分离；（3）车顶与后围连接处改为渐增式变径弧线过渡后，车后气流分离位置向下偏移，尾涡直径减小；（4）在原结构中，冷凝器与车身上部并不连接，且在高度方向上不一致，优化之后两者直接圆滑过渡，优化之后的冷凝器处气流分离现象基本消失，车体顶部气流更好的依附在客车结构顶部；（5）增加导流板后，气流流向被定向引导，正面冲击轮胎的气流大幅减小，如图5所示；（6）离去角增大后，后保险杠后气流上扬，尾涡直径减小。

图5 车身前部下侧增加挡板后流线图

5 结论

    基于整车数模及流体力学理论建立某电动车外流场仿真模型，根据高速试验工况设置边界条件，得出此工况下车身外表面压力分布、空气域速度分布及整车风阻系数，并根据计算结果进行了结构改进及优化分析，风阻系数由0.496降为0.471，优化后的某电动车结构气动性能改善显著。