基于Star-CCM+的某车气动特性数值研究
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了对某车型外流场的仿真分析及其气动性能的优化过程。通过建立外流场仿真模型，设置合理的边界条件，模拟了巡航工况下的车身外表面压力分布、空气域速度分布，并计算了整车风阻系数。基于仿真结果，针对后视镜、导流罩、导流板、前保、格栅等部件进行了结构优化，显著降低了风阻系数。通过进一步对比不同前保险杠下部倾角和导流罩长度的组合方案，最终选择向后延伸200mm的导流罩及前保倾角增大3度的组合，使车辆的气动性能得到显著改善。该过程为整车造型开发提供了有效的技术支持。
对某车进行气动特性数值模拟，通过对模型流场仿真分析,研究气动阻力影响因素，建立包含冷却系统在内的整车模型，仿真计算得到车身外表面压力分布、空气域速度分布及整车风阻系数，依据计算结果进行整车导流部件的优化，并着重对导流罩长度和前保险杠倾角进行参数优化，优化后整车风阻改善显著。
1前言
某车巡航过程中，受到车身周围空气所产生的力的作用，速度越快，气动力越明显，对整车动力性、经济性和稳定性有着直接的影响。汽车外流场流动尺度跨度大，各部件局部流动特征差异大，汽车尾部及底部的流场尤其复杂，局部非定常性较强。理论分析的精确度难以保证，风洞实验周期较长，耗资也较大，基于计算流体动力学理论的发展和计算机性能的提升，运用流体软件对车身外流场数值模拟进而指导车身设计的方法普及开来，大大缩短整车开发周期。采用CFD方法对某车的外流场进行数值模拟，得到了某车车身表面压力图、周边气流速度图及整车风阻系数等，根据结果对模型多轮次优化改进，并重点考察导流罩长度以及前保险杠倾角对行驶过程中空气阻力的影响，经过对比优化，最终模型风阻系数显著改善。
2 计算模型
采用有限元软件对某车三维数据进行前处理，提取驾驶室、后视镜、前后轮胎、冷区系统、底盘及货箱等外表几何结构，进行几何处理和面网格的划分。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。散热器芯体视为多孔介质，设定阻力系数，其他部分按照流体区域计算。外流场分析模型总共生成面网格数865万，生成体网格数2679万，后视镜、动力系统等局部网格划分模型如图1所示。
图1某车局部网格划分模型
3.边界条件
对后视镜以及整车进行分层加密，并生成边界层以捕捉更微小的流动特征。各部件网格设置尺寸如下表1所示，同时体网格生成时，设置三层边界层，总厚度为6mm，增长率为1.5。
采用速度入口作为气流的入口边界，标准大气压作为出口边界，地面设置行车速度，其余三个流道边界壁面设置为滑移壁面。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。计算巡航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。
4 计算分析
采用恰当的湍流模型进行外流场数值模拟，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评估，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 6.539m2，整车风阻系数为0.614。
在纵向中截面的速度、压力场上，可以看出整车气流的流速分布及气流吸附情况。整车顶部气流的吸附程度较弱，会影响到尾涡的形成。前脸与底盘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。
导流罩后部车厢区域，气流直接撞击到车厢迎风面，导致大面积正压区域的产生，这大大增大风阻系数，可以对导流罩形状适当修改，改善气流流动方式，降低风阻，此处导流罩倾角过大导致正压区域产生，可以通过减小倾角壁面正压区域来实现。
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2所示，速度矢量如图3所示。
图2后视镜处速度分布云图
图3后视镜处速度矢量图
综合本次计算结果，可得到如下推论，车厢外形和高度以及驾驶室与车厢之间的距离是影响整车阻力的最主要因素，可采用数学方法取样来得到最优的驾驶室距离和车厢高度匹配形式；尾部涡流的区域过大，导致前后压差较大，风阻系数较高，尾涡分离的比较晚，需要通过优化方案来使气流尽早的分离；前部格栅没有完全利用正压面的面积，进风量没有达到最优值，同时增大了风阻；导流罩倾角没有达到最优值，可进行优化；驾驶室前侧下端气流分离过慢，可进行改进。
外后视镜在满足法规要求下，调整外后视镜的外轮廓形状，后视镜内倾角以及车窗玻璃的距离进行优化分析。导流罩和前车顶的搭接处过渡不够圆滑，导致流通不畅，风阻较大；导流罩没有将货箱完全覆盖，存在小部分正压区，优化导流罩外形，使导流罩能够完全覆盖后部车厢，减小车厢正压区，从而降低风阻。
在符合相关法律且不影响整车公告前提下，在货箱后部添加导流板，减小车后部形成尾涡流并使得涡流提前分离，降低车尾部负压，可能导致整车加长；前轮后部的栏杆处加导流板，优化流场方向。在不影响接近角的情况下，优化前保下端面断面，由矩形做成斜角，优化气流方向，减小风阻；格栅以及前保处增加小格栅，导致此处的风阻贡献度增大，进行优化。
5 优化分析
通过流场仿真分析对外后视镜、导流罩、导流板、前保、格栅等部件进行了一系列优化，得到风阻系数为0.529，此模型定义为改进模型，相对于原始模型，改进模型的流体性能大幅度提升。这里主要讨论在改进模型基础上继续进行优化，介绍通过改进两种前保险杠下部倾角，将导流罩后部分别向后延长三种规格的方式，对比计算最优方案，计算结果如图4所示。
图4 速度矢量图
相对于改进模型来说，前保1方案车体风阻系数较原模型略减小，前保2方案车体风阻系数较原模型略增大。从局部部件风阻系数看出，前保1方案的风阻贡献较前保2较小，综合以上分析，倾角增大3度的前保1方案为最优选择。
相对于改进模型来说，三种不同导流罩方案下总的风阻系数减低0.01左右，中等长度导流罩对应的风阻系数最低。因此选择中等导流罩方案以及前保1方案的组合较为有效。在局部风阻系数上，由于导流罩覆盖面积增大，导致车厢的风阻系数大幅降低，导流罩本身风阻也大幅降低。
6 结论
基于整车数模及流体力学理论建立某车外流场仿真模型，根据巡航工况设置边界条件，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后视镜、导流罩、导流板、前保、格栅等部件进行了结构改进及优化，风阻系数大幅度降低，又通过对比优化前保险杠下部倾角及导流罩长度，进一步降低风阻系数。最终选择向后延伸200mm导流罩及前保倾角增大3度的组合方案，某车结构的气动性能改善显著，数值模拟与结构优化为整车造型开发提供技术支持。
