基于PERA SIM Fluid的Ahmed类车体气动阻力研究

气动阻力是影响汽车油耗的重要因素，气动阻力由压差阻力和摩擦阻力构成，其中压差阻力约占85%，空气摩擦阻力仅占约15%。压差阻力是由于车身表面存在流动分离现象，致使车身前后表面形成压力差而产生。Ahmed等人的研究表明气动阻力大部分来自于车身尾部，不同的车身尾部形状会导致尾部分离区大小的不同，进而影响气动阻力的大小。

为了更进一步研究汽车尾部的流动结构，1984年，Ahmed^[1]等人通过对真实汽车进行合理的抽象和简化，提出了著名的Ahmed简化车体模型，如图1所示。车模主体分为三个部分，即车头、中段车身和车尾。车头处带有圆弧倒角，以避免此处的流动分离；中部车身为一个横截面为长方形的足够长的长方体。因此，流过车头的流体能在经过车身到达车尾之前发展为湍流边界层。车尾由倾斜尾窗和垂直后背面构成，各边缘皆为锐边。于是，充分发展的湍流边界层将在车尾各锐边处发生分离而形成尾部回流区。车模尾窗与水平面的夹角定义为尾窗倾角𝜑，用以研究汽车尾窗倾角对汽车尾流及汽车所受气动力的影响。

图1 Ahmed模型的几何结构（长度单位：毫米）

现有的对Ahmed车模的研究文献主要集中在对尾窗倾角𝜑从0°到40°之间变化时的气动特性研究。Ahmed车模气动阻力系数在尾窗倾角𝜑从0°到30°之间变化时，呈现出随着角度变化先降低再增高的趋势，当尾窗倾角为临界倾角30°时，达到Ahmed车模气动阻力系数的最大值。当尾窗倾角超过30°后，气动阻力突然下降约30%，随后一直呈现出低阻力的流动模态，气动阻力系数较低且变化缓慢。Ahmed车模尾流的高、低阻流动模态以尾窗倾角𝜑= 30°为分界。

图2 Ahmed模型气动阻力随尾部斜面倾角变化

虽然Ahmed车模的几何结构相较于真实的汽车十分简化，但现有的大量研究显示其产生的尾流能很好地反映真实汽车尾流的主要特征及流动物理，因此逐渐被学术界及工业界广泛地接受和认可，成为了领域内的标准模型之一。基于该标准模型，全世界各研究团队对相关的气动特性、流场特征进行了大量而广泛的研究，得到了丰富的研究成果。

本文基于安世亚太自主研发的通用流体仿真软件PERA SIM Fluid，对Ahmed类车体模型进行气动阻力特性的研究。

2.1 几何和网格模型的处理

本文选取了0°、12.5°、25°和35°四个典型的尾窗倾角作为仿真工况，建立相对应的几何模型。

图3 四个仿真工况的几何模型建模及Y=0对称面上的轮廓线

将几何模型导入到PERA SIM Fluid中，由于该车模为左右对称结构，故取一半使用对称面边界进行仿真，以减少计算量。

图4 使用对称面边界进行半模型的仿真

建立虚拟风洞并与车模几何做布尔减运算，得到流体计算域。虚拟风洞的边界选择足够大的空间，不影响车周围的流动特性。本文中使用的区域大小为，车前部为3倍车长的距离，车尾部为8倍车长的距离，侧面为8倍车宽的距离，顶部为8倍车高的距离。

图5 虚拟风洞的边界选择足够大的空间

全局网格尺寸的最小值为2.4 mm，最大值为76.8 mm，车身局部的网格最大值为4.8 mm。在车身表面和地面生成20层的边界层网格，第一层层高为0.2mm，增长率为1.1。

图6 网格尺寸设置

在车身附近和尾迹区等位置布置多个网格密度盒，对空间中的体网格尺寸进行加密。

图7 使用网格密度盒对车身附近和尾迹区等位置进行体网格加密

最终生成约282万的多面体和边界层网格，网格质量满足计算要求。

图8 多面体网格展示

图9 车身附近的边界层网格展示

2.2 物性及边界条件的设置

采用虚拟风洞的方式模拟Ahmed车模以40 m/s的速度行驶，此时计算域内的工质为不可压缩定常密度的空气，密度值取1.225 kg/m3，粘度值取1.7894e-5 Pa*s。

图10 材料物性参数

计算域内各边界条件如下：

风洞入口的风速为40 m/s；风洞出口的表压为0 Pa（绝对压力1 atm）；由于模型的对称性，取一半进行仿真，中心为对称面边界；车身及地面为无滑移的绝热壁面，虚拟风洞壁面为滑移壁面。

图11 边界条件的设置

2.3 求解器设置及计算

湍流模型使用可实现的K-Epsilon湍流模型和混合型的近壁面函数处理。

图12 湍流模型的选择

选择SIMPLE算法，对流项使用高精度的MUSCLPLUS格式。

图13 求解方法的设置

创建阻力系数的监视曲线。

图14 阻力系数的监视