0 前言
自首辆汽车诞生一个多世纪以来,随着汽车工业蓬勃发展,汽车技术日新月异,安全与节能己成为汽车发展的两大主题。汽车空气动力学的发展不仅与目前汽车的发展主题相适应,更与汽车的燃油经济性、动力性、操作稳定性、舒适性以及安全性等息息相关。经研究,在车速为60km/h时,气动阻力与滚动阻力相当,而当车速达到80km/h后,气动阻力将成为汽车行驶的主要阻力,当车速达到150km/h时,气动阻力甚至是滚动阻力的2~3倍。所以,随着高速公路的发展和汽车速度的提升,汽车空气动力学的研究将在汽车开发过程中占有越来越重的地位。车头作为影响汽车空气动力学性能的关键部分,其造型特点直接影响着汽车的流场分布和气动阻力大小。
本文使用STAR-CCM+软件对公司某款车型进行了外流场数值仿真模拟,并对其车头切风角进行了细致的分析优化,研究其具有最佳空气动力学性能的切风角造型。
1 气动分析理论基础及几何模型
1.1 理论基础
计算流体力学是指在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流体流动的数值模拟。通过这种模拟可以得到复杂流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布情况,以及这些物理量随时间的变化情况,确定旋涡分布特性、空化特性、及脱流区等。目前研究湍流的控制方程主要有湍流瞬时控制方程和雷诺时均控制方程,同时,为了求解控制方程,需要将控制方程在空间上进行离散化,而常用的离散方法有有限差分法、有限元法和有限体积法。本次应用STAR-CCM+分析主要基于时均化的Navier-Stokes方程组和近壁区壁面函数法处理,并采用有限体积法离散化。
1.2 几何模型与物理模型
网格划分:采用Trim网格,分别设置了五个加密区,五层壁面。
进口条件:速度进口条件。
出口条件:压力出口条件。
固壁条件:速度为零。
湍流模型:Realizable k-e湍流模型。
壁面函数:Two-Layer All y+ Wall Treatment。
采用长方体区域模拟车体模型在风洞中的情况,计算域的大小如下图所示:
图1 计算域
图2 模型图示
图3 体网格加密图示
2 结果分析
2.1 压力云图与研究区域图示
图4 基础模型的压力云图
针对研究区域(图中红色线框区域),车头压力从左侧的红色高压区很快变化到前轮眉处的蓝色负压,一般情况下,压力变化过快的区域(气流分离较严重)都属于需要重点关注优化的区域,下面针对此区域做了六种优化方案,并分析研究其风阻变化。
2.2 优化方案
图5中所示曲线从内侧至外侧分别命名为:Mod 1、Mod 2、1 Mod 3、Mod 4、Mod 5、Mod 6、Mod 7,其中,Mod 1为基础模型,其过度均匀,Mod 2~Mod 7分别在此区域做不同程度的切风角,分析其对风阻的影响,找出最有利于风阻的造型特征。
图5 优化方案示意图
在做优化方案时,Mod 2~Mod 5均将图中红色长箭线与方案曲线焦点作为控制点,红色线框区域作为优化变形区域,分别将控制点沿X负向移动,Mod 6和Mod 7将短箭线与截面曲线焦点作为控制点,优化区域不变,分别将控制点沿X负向移动,并保持附近区域的造型特征与审美要求。
3 计算结果与分析
对各个模型分别建模计算,其风阻结果对比见下表:
表1 风阻结果对比表
从计算结果对比表可以看出, Mod 1的风阻为造型的基础模型的风阻,优化方案Mod 4的风阻系数优化效果为3.1counts,方案Mod 7优化效果变差,风阻系数增大了1.0counts。
下面针对基础造型Mod 1(base)和最优方案Mod 4以及最差方案Mod 7的截面压力云图进行对比分析:
图6 Mod 1(base)截面压力图
图7 Mod 4截面压力图
图8 Mod 7截面压力图
对比三个模型研究变形区域的俯视截面压力云图,可以发现:
在高压区(图中蓝色方框区域),随着变形程度的增大,其压力也越来越大,越来越对风阻不利;
而在负压区(图中红色椭圆区域),在变形过程中,开始其负压区域增大,压力也持续减小,车头负压有利于风阻的降低,但是当变形到某一程度后,其负压区受变形的影响将会很小。
当控制点变形至某一位置时,高压区的不利影响和负压区的有利影响对车辆的风阻的综合效果达到最佳,此时的变形方案即为最佳优化方案,其所形成的切风角即为最佳切风角。
下面针对Mod 1(base)基础模型和Mod 4最优模型的速度矢量图进行对比分析:
图9 Mod 1速度矢量图
图10 Mod 4速度矢量图
对比两模型的速度矢量图,发现气流在流经变形控制点(切风角位置)之后,速度会有一个比较明显的增加,依据伯努利方程,在流体速度相对较大时,压力会相对较小,即在图中红色线框区域压力较小,从而使车辆车头和车尾形成的压差阻力减小,有利于风阻的降低。
4 结论
(1)采用STAR-CCM+软件的trim网格、Realizable k-ε湍流模型和Two-Layer All y+ Wall Treatment壁面函数在汽车设计初期就可以对造型进行空气动力学分析优化,缩短了开发周期,并节约了试验成本。
(2)对比分析优化结果,在设计车头两侧(前保两侧)的造型时,增加适当的切风角,可以较好的降低其风阻系数,改善其气动性能。
(3)最优方案Mod 4的优化效果为3.1counts。
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