丰田landcruiser汽车外围流场的数值模拟
2010年，我国已经成为第一大汽车消费国和第一大汽车生产国，但仍然不是汽车强国，汽车研发能力薄弱，其中汽车高速气动性能与国外高端研发行业仍然存在一定的差距。计算流体动力学方法（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）日益成为汽车空气动力学研究的主要工具和手段，被越来越广泛地应用到汽车的研发过程中。基于计算流体力学中的湍流理论，汽车外部流场模拟和气动阻力问题已基本解决，但是湍流模型对汽车气动升力的数值计算等问题仍存在不足。本文从湍流模型求解中遇到的问题出发，提出了解决方法和措施，并通过汽车风洞实验来验证其有效性，为汽车空气动力学中湍流模型的应用做了一些有益的探索。
本文对丰田陆地巡洋舰landcruiser车型的外部流场进行分析。首先运用AutoCAD对汽车模型进行了简单建模，然后在三维CAD模型基础上建立CFD计算网格模型，运用计算流体力学软件Fluent进行计算。并借鉴湖南大学张海峰的论文《基于湍流模型的汽车气动特性研究》的研究结果选择标准k-ε湍流模型，并在划分网格时使用了混合网格减少了网格数、并提高了计算效果。最后对模拟的结果进行了简单的分析。
【关键词】汽车；CAD；CFD；湍流模型
1 几何建模的建立
几何模型我们参照实际车型的基础上对模型的棱角、弯曲处做一简化。汽车实际尺寸为：全长5095mm，全宽1970mm，全高1930mm，轴距2850mm，绘图尺寸与实际尺寸约为1：4的比例，我们以此建立模型如图1所示。
车轮接地处由于有非常小的夹角，空间狭小，生成的网格质量很差，会影响到整个流场计算的精度。为了解决这个问题，将车轮与地面相接的厚度截去，代之以车轮截面向地面拉伸的小立方体垫板，如图2所示。这样，小的立方体垫板部分模拟了汽车轮胎的承重变形，对整个流场造成的影响可以忽略不计，又改善了车轮与地面相接触的网格质量。
2 模拟计算
2.1 计算条件的确定
汽车在道路上行驶时，除了与地面接触以外，在空间上基本不存在限制。因此，为了使计算结果更接近汽车行驶的真实环境，对计算域的基本要求是：计算域的边界不能对流场形成干涉，使车辆受到影响的流场完全包括在计算域内。
由于气流的分离而在车辆尾部形成了涡流，因此计算域在长度方向上要完全能够把所形成的涡流区包含在内，否则在出口处流动可能尚未达到充分发展的状态，这可能引起计算的不收敛、并导致相当的计算误差。同样，在宽度高度方向上也应该按照这样的原则来确定计算域，并保证内部模拟不受影响。模型尺寸为1966mm（长）×1300mm（宽）×436mm（高），如图3图5。
2.2 计算网格的划分
网格是控制方程离散的基础和CFD模型的几何表达形式，也是模拟的载体。网格分布的形式和密度对CFD计算精度和计算效率有重要影响。合理的网格分布可以提高收敛速度，提高数值计算精度。本文使用ICEM12.7进行网格的划分。网格的大小，决定了计算的精度，网格越小，越能贴合汽车表面，但是网格太小，又会造成网格数目巨大，计算费时，甚至由于计算机硬件的限制有可能无法生成网格。所以在汽车表面的敏感区参数变化梯度大，网格需要加密；在非敏感处参数变化梯度小，可以取较疏网格，因此，根据需要安排网格疏密，划分后如下图6～图9。
2.3 计算条件的选取
2.3.1 计算模型的选取
借鉴湖南大学张海峰的论文《基于湍流模型的汽车气动特性研究》的研究结果选择Realiable湍流模型。标准kε模型、Realiable模型、RNG模型三种模型中Realiable模型表现更接近实际，流场预测表现较好。且其收敛效果较好，收敛后湍动能和耗散率趋于平稳，计算结果可信，求解耗时较少。
2.3.2 边界条件的选取
入口来流的速度分布没有受到模型的扰动，除运动方向外，另外两个方向的速度分量为零。流入速度取理论上的无穷远处的来流速度。由于选用了Realiable湍流模型，则需要在入口边界条件中指定湍流参数。我们设定边界条件如下：入口：velocity_inlet，V=30m/s，湍流强度5，水力直径0.65；出口：pressure_outlet，湍流强度5，水力直径0.65；地面：wall，指定为滑移壁面边界条件，输入来流速度以模拟汽车与地面的相对运动；车身、墙壁：wall，无滑移壁面边界。
3 计算结果分析
3.1速度分析
围绕类车体三维流场的一个主要特征是流体的分离情况，它直接影响到汽车的行驶阻力、升力以及操纵稳定性等空气动力学性能。本文采用的软件具有强大的后处理功能，它能够生成所选截面或所选点的粒子迹线，这样就能清楚看到气流的分离情况，通常分离主要发生：汽车尾部，后窗上部，发动机罩与前窗连接处。
由车身周围的速度场图10～图15，观测可以发现：空气通过汽车模型表面时，由于模型不是绝对的光滑，加之空气具有粘性。紧贴模型表面的一层空气受到阻滞，流速减小为零。这层流速为零的空气又通过粘性作用影响上一层空气的流动，是上层空气流速减小。如此在紧贴物体表面的地方出现了流速沿物面法线方向逐渐增大的薄层空气，即附面层。边界层内的流速沿垂直于运动方向连续变化，该速度连续下降直到边界上流体质点相对静止为止。气流在该车的发动机罩和挡风玻璃之间及后挡风玻璃和行李箱之间并未出现漩涡和分离、再附着的现象，基本上呈现着车身平滑的流动。只是在汽车的尾部出现了较明显的尾涡，这是由于从上表面下来的气流与从汽车底部冲出的气流在这里交会而产生的。值得注意的是，这个尾涡只在汽车的尾部旋转，并在汽车行驶中逐步向后脱离，避免了气流上卷带动尘土落到行李箱和后挡风玻璃上，这有利于保持汽车的后部清洁。
3.2 压力分析
如图16～图20可以发现，道路上行驶的汽车不可避免地要受到空气动力的作用，空气动力的作用主要取决于汽车车身周围的压力分布，而压力分布与流经汽车表面的空气流流谱密切相关。行驶过程中的汽车，前方来流首先遇到前围，在那里形成阻滞区域，使来流速度大大降低，气流动压转变为静压形成正压区，由于汽车前围具有双向曲率，通过阻滞区域的气流分成四部分，一部分
经过顶围流向汽车尾部，一部分流经汽车底部到达车尾，其余两部分流向汽车两侧，最后到达汽车尾部。由于前围和顶围的过度曲率变化较大，流经该处的气流加速并形成较大的负压区，之后流经顶盖负压渐渐降低，并在尾部形成十分复杂的湍流。同理，在前围和侧围过度处形成较大的负压区，由于汽车底部凹凸不平，故而在汽车底部形成复杂的微湍流。
4 结论
本文数值模拟汽车流场的计算结果还存在着一些问题，如模型没能精确反映汽车的外部结构，模拟结构存在偏差等。但是通过本文的数值分析和模拟计算，已经初步显示了应用CFD对于优化车辆外形设计、改善气动性能、提高车辆性能和缩短开发周期将带来的效应。尤其是在我国目前汽车的设计制造水平与发达国家有一定差距时，若能大力发展CFD模拟汽车外部流场，用以优化车型，减阻降噪，提高燃油经济性，其意义将不限于提高车质与竞争力，其经济效益也是可观的。特别是对现有车辆的改型，如增加扰流器，负升力仪等，将显著降低其燃油量，有利于节约能源，促进经济发展。
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