王东， 杨松枝

(同济大学 汽车学院， 上海 201804)



基于CFD仿真技术对某敞篷车外流场的优化

王东， 杨松枝

(同济大学 汽车学院， 上海 201804)

通过CFD方法对某敞篷车与硬顶车进行空气动力学仿真分析，对比流场发现敞篷车座舱内部形成的局部涡流区是造成周围气流回流从而降低乘坐舒适性与增加风阻系数的主要原因.通过延长挡风玻璃、提升后背高度、调整挡风玻璃倾角在33°附近，可显著减少回流到座舱的气流以提升乘坐舒适性，并降低气流在座舱及后背处发生的分离，有效降阻达16%，获得较好的空气动力学特性.

CFD分析;敞篷车;乘坐舒适性;空气阻力

空气阻力在汽车车速超过100 km/h后即成为最主要的阻力，因此研究汽车的空气动力学特性对于提升汽车燃油经济性具有重要意义. 国内外关于普通乘用车的空气动力学的研究已经很成熟，关于敞篷车的研究，主要有Knight等[1]提出用来模拟软顶敞篷车车顶在受到空气阻力而变形的流固耦合算法；Cogotti[2]研究了用于做敞篷车空气动力学试验的技术及方法；Jae-ho Cho等[3]使用有限元模拟的方法找出敞篷车在受到侧面撞击时的保护方法；Felix Regin等[4]用CFD方法研究了敞篷车与硬顶车流场差异，并研究出敞篷车窗户在不同开闭状态下的风阻变化，并提出相应的优化方法；Currle等[5]用CFD仿真与模型风洞试验相结合的方法研究了SLK级奔驰车在不同形貌下的流场特性及阻力值，为优化敞篷车的流场提供参考. 基于以上学者对敞篷车的研究，文中主要是通过使用计算流体力学软件FLUENT对某款敞篷车进行空气动力学研究，通过改变车的外形结构来实现对流场的优化，达到提升乘坐舒适性与减小空气阻力的目的.

1 几何模型

敞篷车、硬顶车及车内其他部件的几何模型如图1所示. 模拟仿真中车体的长、宽、高均分别为4.23，1.70，1.25 m. 为了能够真实地模拟敞篷车在行驶中的流场，保留车内所有零部件，包括动力总成部分，底盘等，并加入两个人体模型.

2 仿真环境设置

2.1 计算域选定与网格划分

为使整车周围流场的湍流强度能够在计算域内充分发展，选取计算域长度为11倍车长，宽度为7倍车宽，高度为5倍车高，车头距离入口为3倍车长，如图2所示，采用边长为2～30 mm非结构网格(三角形网格)，对模型及整个计算域在Hypermesh里面划分面网格，如图3所示，然后将面网格导入Tgrid里面生成以四面体为主的体网格，在敞篷车外表面生成三棱柱边界层网格，控制网格大小保证yplus值介于30～300之间，并在车身附近进行网格加密，最终体网格数量为1 900万.

2.2 边界条件设置

此次仿真是通过求解稳态的Navier-Stokes方程来得到收敛解，求解器为CFD仿真软件FLUENT，车速为110 km/h，具体的湍流模型与边界条件如下：① 近壁面处理采用非平衡壁面函数；② 冷凝器采用多孔介质模型；③ 散热器多孔介质模型；④ 计算域入口边界为速度入口(110 km/h)；⑤ 计算域出口边界为压力出口(大气压)；⑥ 计算域侧面和顶面为对称边界；⑦ 计算域底面为滑移地面.

3 仿真结果

3.1 仿真可靠性验证

通过对上述敞篷车和硬顶车进行仿真计算，结果显示硬顶车的Cd<0.35，敞篷车的Cd接近0.46，敞篷车相对于硬顶车阻力值增加近37%，与Felix等[5]研究的同一款车在敞篷与非敞篷状态下Cd值的增加量接近35%，从而证实该仿真方法的有效性.原始敞篷车与硬顶车流场分析与对比，如图4～图5所示.

由图4可知敞篷车与硬顶车流场显著差异为气流在经过敞篷车挡风玻璃后，由于失去附着区不能像硬顶车那样沿着车顶向后发展，而是产生了较大的分离，分离的气流在座舱内部形成复杂的涡，与皮卡车仿真中，驾驶室后方与货箱内部形成的漩涡相似，能量耗散严重，造成座舱内部的低压区，如图5(a)，诱使周围气流不断回流至座舱内，由图4(b)可看出座舱附近的流线有明显弯向座舱的趋势，而背部回流的气体直接吹向乘员头部，降低驾驶的舒适性[5]，越靠近座舱，受内部涡的卷吸作用越强，气流更易改变方向，湍流强度也越强，湍动能是衡量湍流强度的一个指标，由图5(b)中可知，湍流强度从座舱向后的变化趋势是由弱变强再减弱的过程，座舱内部由于处于涡核中心的死水区，与外界能量交换较少，湍流强度也较弱，由于座舱内部形成的低压区对周围气流的强烈卷吸作用，使得在后背上方形成较强的气流回流区，所以湍流强度也在后背上方达到最大值，离座舱越来越远时，气流受到座舱的影响迅速减弱，卷吸现象逐渐缓解，湍流强度也逐渐减弱，气流得以正常向前发展.

敞篷车尾涡由两部分构成，上部分是由未发生分离的气流与后背上形成的分离气泡向后拖曳汇合而成，如图4(b)，而下部分则与硬顶车的一致，是由车底部上洗流与侧面的气流汇合而成. 由于座舱内部复杂涡流区造成的低压区，及后背上方形成的较大分离区、尾涡范围的扩大共同造成敞篷车相对于硬顶车有更大的阻力值.

4 敞篷车的性能优化

4.1 提升舒适性

为减少从后背回流至座舱的气流可考虑在座椅后部增加挡风墙至人头部的高度，经过仿真验证发现，增加的挡风墙可以有效切断从后背回流至座舱的气流，如图6所示，改善了舒适性，从而验证了方案的可行性.

4.2 减少风阻

4.2.1 提升后背高度

从后背回流至座舱内部的气流在增加挡风墙后显著减少，但敞篷车总体的Cd值却相对原来增加近4%，由图6可知，在挡风墙后形成新的涡流区是由回流的气流在遇到挡风墙阻挡时迅速发生分离并改变方向形成的，新形成的涡由于能量耗散而形成低压区，从而增大整车的压差阻力，为了解决该问题，可通过提升后背的方式实现挡风墙与车尾的平滑过渡.仿真结果显示Cd值降低0.2%，车后背上的分离区相对于增加挡风墙也明显减小如图7所示，证明该方案的可行性.

4.2.2 延长挡风玻璃

由图4可知，气流在由前方流过敞篷车时，发生两次分离，第一次是从动力舱盖流经到挡风玻璃下边沿处时，另一次则为气流在上升至在挡风玻璃的最上边沿时，分离的原因皆为气流流经的物体表面突然发生较大的形状改变而使气流分离. 基于以上考虑，可通过改变风窗玻璃倾角以实现与动力舱盖的光滑过渡来减少分离区，也可以通过延长挡风玻璃的上边沿以推迟气体的分离来减少尾部的分离区以达到降阻的效果. 由于风窗玻璃的倾角变化范围较大，所以先考虑延长挡风玻璃上边沿.

本次实验是通过向后延长挡风玻璃100 mm，仿真结果显示该方案可有效降阻达13%，说明延长部分能有效引导气流并推迟气体分离时间，使得车尾涡流区范围缩小如图8所示，减少负压区，从而降低总体压差阻力；若与4.2.1节提升车的后背结合后如图8所示，降阻增至16%.

4.2.3 改变挡风玻璃倾角

在延长挡风玻璃、提升后背高度的基础上，再对挡风玻璃倾角进行优化，汽车的前风窗倾角会影响气流向车身上部流动的方向和强度，对阻力系数有较大的影响，仅从空气动力学的角度看，前风窗倾角应该是越小越好，但是过小的前风窗倾角会影响到驾驶员的视野范围，给驾驶员的操作带来影响，同时也会影响其头部空间，因此在实际的汽车车身外形设计时必须综合考虑气动特性与乘驾性能的要求. 试验表明，当风窗玻璃的斜度小于30°以后，即使继续降低斜度，降阻效果也不明显，而且过大斜度的前风窗玻璃会以牺牲视野的效果和乘坐的舒适性为代价，因此关于敞篷车的优化选用的风窗倾角最小为30°，最大为50°，原始风窗玻璃倾角为33°，具体的选择方案共10种，倾角变化范围及对应的Cd值变化量如图9所示.

由图9可以看出，当倾角小于33°时，阻力增加值随着倾角的减小而逐渐增大；当倾角大于33°时，阻力增加值随倾角的增大而增大，由此得到较优的倾角接近33°.随着风窗玻璃倾角的增大，动力舱盖与风挡玻璃之间的分离区范围也增大(见图10中线圈所标定区)，由于此次仿真是通过求解雷诺时均方程得到的平均化的速度场，所以很难准确捕捉到动力舱盖上的气流分离点与挡风玻璃上附着点，但是可以定性看出气流分离点随着倾角的增大逐渐向车前脸处靠近，相反附着点则是随着倾角的增大逐渐向后靠近风窗玻璃上沿，分离区大小在30°与33°时接近，而阻力值33°较小的另一个原因则是挡风玻璃在该角度下，其倾角弧度刚好与此时提升的后背高度弧度接近，所以气流在被延长的挡风玻璃引导后能够很好地附着到后背上而不会因为与风挡的高度差而形成新的气流分离. 因此车原始挡风玻璃角度33°即为较优模型. 综上分析，最终的优化方案为同时延长挡风玻璃、提升后背高度，并配合33°的挡风玻璃倾角，仿真验证可有效降阻达16%.

将原始模型与最终优化模型进行仿真对比，图11展示出最终的优化效果与原始图的流场比较. 对比发现优化后车尾涡尺度有明显减少，从而验证组合方案的有效性.

5 结束语

通过使用有效验证的CFD方法对某敞篷车、硬顶车进行外流场的仿真，对比流场后发现敞篷车相对于硬顶车风阻偏大的原因为座舱内部形成的局部低压区对周围气流较强的抽吸作用，使得在座舱内部与后背区形成新的涡，增加气动阻力，而回流的气流降低成员的舒适性;本文作者在保证敞篷车舒适性的前提下，为减小风阻系数提出合理的优化方案：提升后背高度、延长挡风玻璃并配合风窗玻璃倾角在33°时，经仿真验证可有效减少回流气体及降阻达16%.

[1] 荣江磊.汽车气动力特性的分析与优化研究[D].长沙:湖南大学，2011:44-45.

Rong Jianglei. Analysis and optimization on the aerodynamic characteristics of vehicles[D]. Changsha: Hunan University， 2011:44-45. (in Chinese)

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Yang Yongbo， Wang Jingyu， Hu Xingjun.. Numerical simulation on flow field around pickup trucks[J]. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition， 2007，37(6):1236-1238. (in Chinese)

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Du Zixue， Zhang Jie. Simulation for external flow field around automobiles based on models of different parametric shape[J]. Journal of Chongqing University: Natural Science， 2011，30(4):848-851. (in Chinese)

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Fu Limin. The effect of the vehicle shape arguments on the aerodynamic characteristics[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition， 1997，27(4):11-15. (in Chinese)

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Wang Jia. Research on aerodynamic drag characteristics optimization design of the notchback vehicle[D]. Shanghai: Tongji University， 2013:48-49. (in Chinese)

(责任编辑：孙竹凤)

Flow Field Optimization of a Cabriolet Based on CFD Simulation

WANG Dong， YANG Song-zhi

(School of Automotive Studies， Tongji University， Shanghai 201804, China)

Through simulating the aerodynamics characteristics of a cabriolet and coupe by using validate CFD method, the reason was found that the extensive separation zone in the cabin results in the back-flow air around the cabin, which not only decreased the driving comfort, but also increased the drag coefficient of cabriolet. By lengthening the upper brim of windshield at an appropriate distance, raising the height of seat back, keeping the angel of the windshield around 33° can effectively cut off the reversed flow, improve the driving comfort, reduce flow separation zone, low down the drag coefficient (16%) and ameliorate the flow field of the cabriolet.

CFD analysis; cabriolet; driving comfort; aerodynamic drag

2015-01-16

国家“八六三”计划项目(2011AA11A290)

王东(1972—)，男，副教授，E-mail:wangdong@tongji.edu.cn.

U 461.1

A

1001-0645(2016)01-0031-05

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.01.006