电动客车外流场的数值模拟

2014-04-04夏应波

客车技术与研究 2014年3期

夏应波

（比亚迪汽车工业有限公司，广东深圳 518118）

汽车在行驶中会受到与之有相对运动的周围空气所产生的力的作用。随着车速的增加，这种力变得愈加重要[1]。气动力对汽车的动力性、经济性和操纵稳定性有直接的影响[2]。汽车的外流场理论分析比较困难，早期研究以风洞实验为主，随着计算流体动力学（CFD）理论的发展和计算机性能的提高，运用车身外流场分析的方法指导车身设计已经得到广泛应用[3]，大大缩短整车的开发周期[4]。本文对某型电动客车的三维外流场进行CFD模拟，获得了车身表面压力场分布及气流的速度场分布等，计算出了车身的气动阻力系数。

1 计算模型的建立

1.1 几何模型建立及网络划分

由某型电动客车车身三维数模，在其车头前部取2倍车长，车尾后部取3倍车长，车身外侧取2.5倍车宽，车顶上部取2.5倍车高，最后得到如图1所示的外部流场计算域。

将简化后的车身外流场几何模型进行网格划分，因车身表面曲面较复杂，流场的网格划分采用四面体混合网格，如图2所示。在车身表面和地面边界处生成附面层网格，图3是图2中框形内部网格的局部放大图。

1.2 边界条件

流场入口设为速度入口边界，此处车速为60km/h，即入口风速为16.67m/s。流场出口采用压力出口；地面设为移动壁面，移动速度与车速保持一致；其余壁面设为对称边界，消除壁面对流体切向速度的影响[5]。

空气的密度为1.228kg/m3，计算中不考虑温度的影响。计算模型采用Reliableκ-ε湍流模型，非平衡壁面函数法进行壁面处理。压强离散采用stand格式，动量及湍流动能、湍流粘性耗散比采用二阶迎风格式，收敛容差设为0.0001。

2 计算结果

2.1 压力分布

如图4所示，车身表面最大静压值为174.0Pa，位于车头迎风面中央附近，此处存在滞点，气流流速为0，动压全部转化为静压，故静压值最大。最小静压值为-712.0Pa，发生于车头迎风面边缘倒圆角位置，此处因边界的扰动不断形成高速涡流，静压转化为动压，因而局部静压最小。

如图5所示，车头迎风面、车顶空调与电池包的前缘以及轮胎罩前后缘等位置位于正压区（图5中黑色区域）；其余均处于负压区，静压小于标准大气压。

图6是流场中央对称面及车身表面的静压分布图；图7是流场中央对称面上的正压区分布图，其中白色区域代表正压区。在车头迎风面前方以及车尾部后方的大部分区域内空气静压大于0；另在车顶面的安全顶窗、空调和电池包彼此之间的夹缝内空气静压也大于0，在这些位置的空气流速非常低，动压转化为静压。在其他位置处空气流速较高，由静压转化为动压，故空气静压小于0。

图8是中央对称面及车身表面的总压分布图。除车头迎风面以外的其他车身表面处的空气总压都较小，表明这些位置存在较多的粘性耗散，气流的机械能转化成为热能，能量损失较大；尤其是车头迎风面边缘倒圆角位置，此处气流能量损失最大。

2.2 速度分布

图9为中央对称面上的气流速度分布云图；图10为中央对称面的速度矢量分析图。图9中车头面前部空气流速较低，在车身尾部后侧可见很长一段低速涡流区域。

图11为车头迎风面存在滞点（空气流速为0），在车头迎风面边缘圆角位置处则出现局部高速流动。在图12中，车顶面的安全顶窗、空调和电池包之间的夹缝内存在流动分离和低速涡流，涡流的产生意味着能量的耗散[6]。

在车身尾部后侧存在着两个相互叠加的涡旋流动区：一是绕水平轴y轴旋转的一对不对称的反向马蹄形涡（如图13所示）；二是对称于中央对称面的一对反向涡旋（如图14所示）。它们的相互作用共同构成客车车身独特的尾涡结构。

2.3 湍流动能分布

流场内存在流动分离和涡旋的地方必然会形成湍流。湍流可看作是由各种不同尺度的涡所组成。在车顶面的狭缝处和车身尾部后侧存在气流分离和低速涡流，可见较小的湍流动能分布，在车头迎风面的边缘倒圆角位置附近形成高速涡流，此处出现最大的湍流动能如图15所示。在车轮处，气流通过面积突然变小，也出现流动分离和涡流，表现出较多的湍流动能分布，如图16所示。

2.4 流线分布

如图17所示，在车身顶面夹缝处及车尾部后侧的流线出现较大弯曲，且速度较小，体现了这些位置涡流的存在，能量损失较大。

在图18中，由于车轮的阻挡也发生较大弯曲，经过车底面的流线出现了紊流，且从车底经过的流线沿着离去角方向可一直爬升至后窗玻璃处，从而易导致地面泥尘上扬。

2.5 气动阻力及阻力系数

在空气动力学中，风阻系数定义为CD=D/q/A，其中D为气动阻力；q为气流动压；A为车身的正面投影面积。如表1所示，计算得到车身气动阻力系数值为0.572。

表1 车速60km/h工况下的阻力及阻力系数

公共客车类车身的气动阻力系数区间为0.50～0.80。本文计算得到的阻力系数位于该区间偏下段，可能与车身的简化有关，此处的车身几何模型省略了后视镜且简化了底盘及轮胎等复杂结构。

车身的气动阻力主要由压差阻力和粘性阻力两部分组成[7]。由表1可知，压差阻力占气动阻力的主要部分。车身的压差阻力主要由车头迎风面和车尾面的静压差所引起，因此，降低车身的气动阻力系数主要从降低车头和车尾面的压差着手。主要措施有：减小车头迎风面的迎风面积；减小车身尾部所形成的湍流的强度；减少车身表面的高压区面积；减少导致气流分离的结构设计。

本文所研究的客车车身，在位于车顶面的安全顶窗表面以及空调与电池包之间的缝隙处出现流动分离和涡旋流动，导致能量损失较大。针对该问题可进行相关的结构改进，譬如将安全顶窗前方迎风面进行圆滑过渡处理；对安全顶窗、空调、电池包等结构之间的缝隙进行填充等。通过减小这些位置的气流分离和涡流产生，从而达到降低能量损失、减小车身阻力的目的。