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1、基于COMSOL的车身外流场数值模拟及计算摘 要：本文建立了汽车的一个简化模型Ahmed模型，其后风窗斜度为25。运用计算流体力学的方法，基于COMSOL软件对汽车车身的外流场进行了数值模拟，得到了汽车外流场的近似解，并画出了外流场的速度云图和压力云图，进而确定汽车的气动特性与参数，计算出了该汽车模型的风阻系数与升力系数。本文所介绍的方法为改善汽车的空气动力性能提供了重要思路。关键词：车身外流场；CFD；气动特性；数值模拟Numberical simulation and calculations of flow field for cars based on COMSOLAbstract :
2、This paper established a simplified car modelAhmed model, subsequently this particular geometry has a slant angle of 25 degrees. Using computational fluid dynamics method, the external flow field is numerically simulated based on COMSOL software. The approximate solution of flow car field is obtaine
3、d, and the three-dimensional velocity and pressure field for the car model are obtained which are used to determine the cars aerodynamic characteristics and parameters, calculate the drag coefficient and lift coefficient of the car model. The method described in this article provides important ideas
4、 to improve the cars aerodynamic performance. Keywords: car flow field ; CFD; aerodynamic characteristics; numerical simulation引言在汽车的行驶过程中，会与外界空气发生作用，空气会对汽车施加力与力矩，从而影响汽车的行驶。汽车的空气动力性能会影响其燃油经济性，而且也会对其动力性和稳定性产生影响。因此，研究汽车的空气动力性能具有十分重要的意义。在汽车的外流场中不仅有规则有序的层流，还广泛存在着湍流，尤其是在壁面约束的附件，其湍流对汽车外流场有着很重要的影响，因此研究汽车外流
5、场的湍流模型具有重要的应用价值。近年来，随着计算流体动力学的发展，基于CFD的汽车空气动力学数值模拟技术在汽车的造型设计中发挥着越来越重要的作用。CFD 技术的成本低、周期短，而且不需实车，还可模拟多种行驶工况, 并可以给出汽车周围流场全面而具体的情况，这对于预测和改进汽车的气动性能,指导产品的设计具有重要意义。1CFD的基本思想是指把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。这样我们就可以获得汽车的气动特性参数，为改善汽车的空气动力性提供重要依
6、据。1 基本假设对车身外流场空气动力特性的假设一般有介质的连续性假设、流场的定常性假设、空气的不可压缩性假设、流场等温假设和介质各向同性假设等。由于空气分子的自由行程与车身特征长度相比是高阶无穷小，可以认为空气是连续介质。2当轿车匀速行驶时，流场的定常性假设与模拟风洞试验情况基本相似，可以认为汽车在中速行驶时外围空气是不可压缩的, 且密度不变。在计算域内环境温度变化对结果的影响非常小，故不考虑温度变化的影响。CFD 可以方便灵活地改变初始条件和边界条件，并且可以获得整个流场中任意一点处的详细状况，计算的对象还限于车体基本形状，车身模型相对粗糙，车轮、保险杠、后视镜等都忽略了。2 汽车外流场的数
7、值模拟2.1 模型的建立本文将汽车的模型作简化处理，是经典的Ahmed汽车模型，但是也保留有汽车最显著的外形特征。车身从头到尾总长为1044mm，宽为389mm，高为288mm。车体下表面有简化的圆柱形车轮，高度为50mm，直径为30mm，忽略后视镜、刮水器、门把手等附件。后风窗倾斜角一般在0到40之间，而本文取的后风窗倾斜角为25，如图1所示。整个车身模型放置在一个长为8352mm，宽为2088mm，高为2088mm的流场中。图1 车身几何模型2.2 计算域的确定为了建模和划分网格方便，本文采用长方体形的计算域，此长方体的各个侧面平行或垂直于某一坐标轴，这将有利于控制网格的生成。由于汽车尾流
8、对汽车的气动性能影响很大，并且在汽车后部很长一段距离内存在，为了更好地仿真尾流，故在汽车后部取很长一段距离；同理，为了再现汽车行驶状态，在汽车的前部、上部和侧面都取大于汽车尺寸几倍的距离。根据国外学者的经验，流场仿真计算时所取的计算区域到一定大小时，汽车的流场就不再受计算区域大小的限制。所以，本文取的计算域为：汽车头部取2倍的车长，汽车尾部取5倍的车长，侧面取4倍的车宽，上部为5倍的车高。如图2所示为计算区域，也是汽车的外流场域。图2 外流场区域2.3 边界条件的确定车身外流场的数值模拟是在有限元区域内进行的， 计算流体力学CFD的边界条件的处理是一个难题。在实际流场计算中，如果边界条件不适当
9、，那么计算可能不稳定，或出现数值结果近似错误的解，或在计算定常解时收敛很慢。因此根据标准 k-模型，在区域的边界上需要给定边界条件，以 xoy 平面为水平面，y 轴正向为汽车行驶方向， vy、vz、vx分别表示汽车正向、垂直、侧向方向的速度，车身后远端端面为出口边界，为压力边界，压力值为一个标准大气压；在车身纵向对称面平面上为对称边界条件；地面和其余两个外表面为移动壁面边界，速度与入口边界速度相同。列表如表1所示：表1 边界条件边界入口出口上、下、左边界面右边界面边界条件速度入v=40 m/s压力出口移动壁面v=40m/s对称面2.4 网格生成汽车外流场网格生成的难点在于汽车外形复杂、求解域大
10、和壁面边界层计算的特殊要求。汽车几何形状复杂，要有效地模拟外部流场就必须使网格尽量贴体，表达出它的几何特征。汽车的流场求解域大，在具有强三维性、粘性、湍流、分离等特征的区域需要加密，其它区域对网格的要求低一些，根据流场特点控制网格疏密，可以在保证计算精度的前提下节约计算时间。在物理平面上的网格划分应适应物理区域中参量的变化情况，在变化剧烈的地方网格要划得稠密些，而在变化平缓处则可以适当稀疏一些。这样，可在同等计算精度的前提下，减少网格数，缩短计算时间。3为了节省计算时间和内存消耗，同时又要保证计算精度，采取逐层加密网格的方法，在车身表面附近加密处理，在远离车身的地方，网格可以适当稀疏。图 3
11、为车身表面的网格。图3 网格化结果3 数值模拟结果分析在对求解域设定好后，进行了网格划分后，利用COMSOL的后处理功能，对求解域进行求解，可以得到汽车外流场的速度与压力云图，还可以获得汽车尾部的流线图，并计算出了该模型的风阻系数和升力系数。3.1 外流场气流流速分析在对求解域求解后得到了外流场的速度云图，图4为三维视图，图5为yz平面视图。图4 速度场三维云图图5 速度场yz平面视图由上图分析可知，气流受车前进气栅阻滞，压力骤升，形成正压区，来流速度迅速下降且气流分为上下两部分。一部分气流绕过顶部流向车尾，一部分沿车头表面向下经轿车底板流向车尾。上部气流在车顶前缘发生转折，在车顶后缘发生分离
12、，形成低压区，由于轿车离地间隙较小，使得下部气流在流经这段区域时速度明显加快。轿车正前方气流受到轮胎而抬升车头，降低前轮轮胎与路面的附着性能，对汽车转向及操纵稳定性产生不利影响。同时当上下两部分气流在车尾汇集时，突然失去车体表面附着，分别在车尾形成上下两个涡流区。上涡流为逆时针方向流动，下涡流为顺时针方向流动，造成车尾压力降低，形成负压区，增大了压差阻力和空气升力，使得后轮与路面的附着性能降低，而且随着车速的提高，对汽车的安全操纵稳定性产生的影响更加明显。3.2 外流场气流压力分析通过COMSOL后处理求解，可获得汽车车身周围的压力图，如图6所示。图6 车身周围压力图从图 6可以得出，由于车轮
13、接地点与地面连在一起，其前部气流阻塞压力升高。对于后轮，由于侧面气流和底部气流流速都较低，气流在后轮前部因阻塞形成的压力要比前轮小。汽车前部的高亮度区域为正压区，将发动机冷却风口设置于此有利于发动机的冷却和散热。由于气流向车身两侧流动时在拐角处发生分离和转折，形成了低压区。在汽车尾部，气流再次发生分离，形成了大面积的负压区，引起压差阻力，压差阻力占总阻力很大的比例。气流从汽车的前方流向汽车时，汽车前部气流的压力会逐渐增大,而速度会逐渐减小。当气流到达汽车最前部的驻点时，气流的压力会达到最大值，该值高于未受扰动气流的压力值，此时流体的速度减小到最小值。在这个过程中没有能量损失且不会产生气流分离。
14、经过该驻点后，气流分离为两部分：一部分向上，从汽车的上部流过，另一部分从汽车的下部流过。在上部的气流,经过驻点的气流不会完全紧贴壁面的轮廓流动，而是在某点处开始出现脱体流动，4当流体运动到前挡风玻璃某处时又紧贴玻璃上，在此期间往往形成一个涡旋的区域，这个区域的压力相对来说是比较高的，而紧贴前挡风玻璃的气流顺着玻璃至汽车顶部，并在该区域保持着厚度较小的边界层，边界层内流体克服界面的粘性阻力，补充了表面粘性作用带来的动量损失。3.3 车身尾部速度流线图分析利用后处理功能，可得到车身尾部的速度流线图，如图7所示。图7 车身尾部速度流线图从图 4、图 5 速度云图中可以看出，汽车前部和尾部的气流速度非
15、常小，几乎接近于零。气流流过后迅速分为两部分，一部分经过前盖、前风窗绕顶部流向车尾，另一部分经过地板流向车尾，车身上部的气流流速较快，而在汽车底部由于下方路径短，并且相对速度慢。由流体力学的知识可知，流速较慢的底部存在较大的压力，对整车形成一个向上的升力。由图7可知，这两部分气流在汽车的尾部后方聚集，形成涡流，处在上方的涡流较大，处在下方的涡流较小，两个涡流的方向是相反的。上面涡流的形成是因为在来自顶盖的气流和尾部区域的气流之间存在压力差，导致来自后风窗玻璃上的气流向下卷，形成顺时针的涡流;下面较小的涡流形成的原因是底部和尾部区域存在压力差导致气流上卷，形成逆时针的涡流，由于它的压差相比上面的
16、压差较小，所以出现的涡流较上面的涡流小一些。较大的涡流能量损失造成车尾压力降低，提高了压差阻力和升力, 很明显车尾造型对整车的阻力、升力都产生较大影响，5需要着重分析优化，要避免来自顶部向下的气流与流过车底在尾部上卷的气流的汇合形成尾涡，通过优化轿车车身参数，可以改善尾涡特性，降低气动阻力系数，提高汽车的空气动力特性。3.4 汽车风阻系数和升力系数计算轿车在行驶时，作用在车身表面的流体是空气，仿真的状态是一个标准大气压，空气温度为15，空气密度=1.225kg/m3，该辆轿车在40m/s 的风速下行驶，受到的空气阻力由COMSOL计算得到Fn=340.56N,其迎风面积S=1.12m2。且风阻系数计算公式为Cd=2F/v2S，6计算可得Cd=0.31。这一结果比较符合目前小轿车的风阻系数范围。同样，由COMS
