微型面包车外流场数值模拟 张群锋
吕志咏
秦燕华 北京航空航天大学流体所 摘要：汽车的空气动力特性对整车性能有着重要的影响，本文利用STAR-CD软件对某一微型面包车进行了外流场的数值模拟，并对整个流场作了细致的分析，并提出了有关改进的措施。 关键词：微型面包车外流场数值模拟 1．前言 汽车的空气动力特性直接影响到汽车的燃料经济性、车速、高速操纵稳定性、受到侧风作用时的直线行驶稳定性、发动机和制动器的冷却、风的噪声、通风，除霜，空调、控制与减少汽车行驶中溅起和附着于汽车上的尘土及污泥、车窗刮水器的位置正确性等。对于微型面包车而言，属于厢式车型，空气阻力对汽车的动力性、经济性影响更加显著，而数值模拟是改善该车的空气动力特性的一个既便捷又经济的方法。 2．STAR-CD软件介绍 STAR-CD是业界领先的通用流体分析软件，它具有前处理器、求解器、后处理器三大模块，以良好的可视化用户界面把建模、解算及后处理与全部的物理模型和算法结合在一个软件包中。另外STAR-CD在三大模块中提供了与用户的接口，用户可根据需要编制Fortran子程序并通过STAR-CD提供的接口函数来达到预期的目的。 3．汽车外流场计算数值方法 3.1 汽车外流场的控制方程 汽车行驶时周围空气可以看成是不可压缩的。汽车外流场的三维控制方程为： 连续方程： 
动量方程： 
本构关系为： 
式中， 为空气密度， 为速度， ， 为压力， 为流体动力粘性系数， 应力张量， 应变率张量。 3.2
湍流模型方程 湍流模型采用RNG 湍流模型，该模型利用重整化群理论得到的，国外大量算例表明，该模型来模拟分离流较为合理。汽车外流场同样存在分离区，因此选用了该模型。 该模型的湍流动能方程为： 
湍流耗散率方程： 
式中， 为湍流动能， 为湍流耗散率， ， 为湍流粘性系数， ， ,其它经验参数为：
3.3 SIMPLE方法求解控制方程 可以利用压力修正法来求解定常的汽车外流场控制方程，SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation）方法是压力修正法中较为常用的一种，其基本思想是首先假定一个速度场和一个压力场，依次求解动量方程，并由连续方程得到压力修正项值，利用压力修正值来得到速度修正值，并求解 方程。再将压力修正值和速度值作为下次计算的假定值，重新计算。 4．计算区域的确定 为了和试验模型保持一致，本次计算也采用1:5的缩比模型。对于来流相对于汽车纵向对称平面无气流偏角的工况，利用对称条件，可只算计算区域纵向对称的一半。对于来流相对于汽车纵向对称平面有气流偏角的工况，则计算整个区域。 5．网格的生成 对该车型作了适当的简化，即删去了后视镜并对车身低部作了光滑处理。为了实现对网格的疏密控制，首先对计算区域进行分区。对于来流相对于汽车纵向对称平面无气流偏角的工况，网格总数为，470,000，对于来流相对于汽车纵向对称平面有气流偏角的工况，网格总数为940,000。 6．边界条件的确定 汽车外流场的数值模拟是在有限区域内进行的，因此在区域的边界上需要给定边界条件。确定边界条件要求在数学上满足适定性，在物理上具有明显的意义。汽车外流场的数值模拟的边界条件有如下几类：入口边界条件、出口边界条件、壁面边界条件和对称平面边界条件。 对于来流相对于汽车纵向对称平面无气流偏角的工况（以下称为工况1），均匀的来流速度为35m/s。来流相对于汽车纵向对称平面的气流偏角为10°的工况（以下称为工况2），均匀来流速度为20m/s。 7．计算结果及分析 7.1工况1计算结果及分析
图1、图2分别为工况1车身表面的静压分布图、纵向对称平面内的速度矢量图。这些图说明气流在前保险杠处受阻，形成气流滞点，形成正压区。前大灯和转向灯的拐角处以及前柱附近出现较大的气流分离，形成低压区，此处也是高速行驶时风噪声的来源之一，应优化该处的设计。上部气流在车顶前缘发生气流转折，形成负压区，顶部气流在车顶后缘发生分离，低部气流向上卷起，这部分卷起气流是使得后风窗玻璃泥水附着的主要原因。为了减少泥水附着，建议在车顶后缘合理安装扰流器。
7.2 工况2 计算结果及分析 汽车在行驶中，如果汽车的侧风稳定性差，使得驾驶员要随时转动方向盘，会导致驾驶员过早疲劳，增加了行驶危险性。
图3 车身表面压力分布
图3为该车在均匀来流速度为20m/s，与汽车纵向对称平面的气流偏角为10°时的车身表面压力分布图。可见，在侧风的影响下，气流滞点位置发生了变化，移到了前保险杠的迎风侧，压力最大。前柱的背风侧，气流发生分离，压力最小。整个车身表面的压力分布呈不对称性。汽车的侧风稳定性，与汽车外形、重心位置、悬架和轮胎的侧偏特性有着密切联系。要改善汽车的侧风稳定性，需从这几方面综合来考虑。 讨论讨论 | 
