王瑞丽 魏丽青

摘 要：根据对国内某跑车进行相应的研究，通过catia三维软件设计出其三维模型，之后再用CFD软件实现对跑车划分网格，之后再对得出的数值进行相应的模拟计算，并采取一定的加工处理，同时关注跑车内部的空气动力性问题。在一系列的模拟计算后，我们可以得知，进行局部的优化处理是可以有效地得出最佳画的跑车外部参数，同时实现跑车周身速度压力场的改善处理。

关键词：跑车车身;局部优化;风阻系数

前言

通常所说的汽车空气动力一般指在汽车的前行过程中和空气产生相应的作用力，由于产生的力对汽车消耗汽油的经济性能和舒适性能等产生的影响。目前我国的科学技术不断向前发展，随之而来的是信息技术的发展包括计算流体力学，这对于研究汽车的空气动力学有了很重要的推动作用。流体力学方法有很多的优点，例如所用时间少、消耗成本较低等，所以我们可以在汽车设计开发和相应的改进完善方面，都使用此技术。

1.跑车外流场的控制方程和湍流模型

在汽车以较高速度向前行驶的时候，可以得出此时的流体雷偌数是比临界雷诺数大的，所以它的流动可以视作湍流。根据雷诺平均方程：

在这个公式里，si是源项，代表催化器载体阻力;        是应力张量。

根据标准的K - ￡模型计算雷诺应力来封闭上述流动控制方程，即有

在这个公式里的      是指湍流粘性系数，可以根据以下得出：

式中：K、￡分别为湍动能和湍能耗散率。

2.计算模型的建立及网格劃分

2.1 车身模型

计算模型是在CATIA软件中以现实大小比例相等建立的（见图1）。要同时实现提高网格的质量以及达到计算的速度，就要简化车身模型。所以，忽略了跑车的一些部件，并对车身底部作平整化加工。

2.2 网格划分

从以往的研究可以得出，要进行汽车行驶的模拟，可以采用的计算域是长方形：根据汽车的大小长×宽×高（L×W×H），我们将计算域设定成10L×4W×5H，计算域入口和车头相距3L，出口处和车尾的距离为6L，车子的左右两侧宽度大小都是2W，高度是5W，完整的计算域都是通过结构网格来进行划分的。我们先将模型通过CFD软件，进行导入后根据车子的表面轮廓产生三角形网格，再讲整个计算域进行划分，通常这一步的划分是采用四面体网格完成的。除此之外，我们还需要明确一点，那就是空气中是存在粘度的，因此我们还需要在设计边界层。要想拥有可靠度较高的结果，那就还需要在车子的车身周围加密，一般这一步骤中网格尺寸在二十至四十毫米的范围内。

2.3 边界条件的设置

完成网格划分后，就是对跑车外部流场的基本条件进行设计，之后可以利用Fluent软件进行计算。其中，汽车外部边界条件同时将出口、进口边界条件以及固定壁面和车身表面等包含在内。通常，可以将压力出口（pressure-outlet）设为出口边界条件;速度出口（velocity-inlet）设为进口边界条件设定;并且将速度的具体数值设定为40m/s。

3.跑车外流场模拟结果及分析

在完成对边界条件设计后，通过Fluent软件进行相应的数值模拟，就能够产生跑车对称面上的速度矢量图、压力云图和气流速度云图。根据压力云图中可以看出整个跑车的压力分布特点。车子的前段所收到的压力是最大的，具体数值是1120 Pa，在车子上部的转折处产生了一个称为负压区的区域，压力值最小，具体数值表现为-2310Pa，同时可以得出，车子后部所承受的压力值在-252Pa至91Pa之间，并且车身下方所受到的压力要比上方受到的压力大得多值。这样在跑车的头部和尾部就存在了一个明显压力差，同理可得，跑车的上方和下方之间也同样是有着压力差的。

因为存在着这样的压力差，所以就产生了跑车在行驶过程中会受到的气动阻力和气动升力，并且进一步对跑车整体的气动特性产生了影响。车子以较高的速度向前的时候，产生的气流和车子的前方发生摩擦，因此阻挡了气流的运动，从而产生了气流分离的现象，同时气流也出现了减速，产生了正压区。在气流位于发动机盖和前挡风玻璃之间的时候，因为受到玻璃的阻碍作用，气流产生了分离现象，所以出现了一个区域，我们称之为正压区。在气流到车顶前部的时候，气流产生一定的转折，因此，流速有所增加，因为车子车顶后部和后车窗玻璃之间呈现一个较为圆滑的角度，所以气流在从车顶后部流动时几乎没有出现气流分离的情况。车子前方面的气流因为车头部的抵挡，出现气流分离，其中包括了向车子上方运动的气流以及向车子底部流动的气流。车子上方的气流沿车前端发动机盖最先产生加速，继而与车前方玻璃相遇，受到阻挡之后再次加速，所以我们不难得知，气流在车子前部时，其速度最大，之后快速减小，但却始终可以维持在一个较快的流速上。而到了车子的后部时，气流再一次遭遇阻碍产生流动分离，并且在车子的后部产生了一个区域，我们称之为涡流区。根据以上，我们可以通过减少尾部涡流的流动的方法来进行车身外形参数的优化，具体方式是对跑车尾部的外部轮廓进行修改，以实现增加空气动力性的目的。

4.跑车车身的局部优化

要实现对车子内部空气动力性的改进，我们可以通过对跑车进行局部的优化的方式达成。通过对跑车外部数据做一些修改，从而产生一些参数不同的跑车，之后再数值模拟这些不同的外形参数，比较其风阻系数的数值，就能够掌握更为优良的外形参数。所以，我们能初步设定前风窗的角都为X，X的具体数值可以是250、280、310;再将后风窗的角度设定为Y，Y的具体数值可以是180、210、240;最后将尾部翘角设定为Z，Z的具体数值可以是80、110、140。进行一点的改进后虽然不能完全的解决跑车尾部的涡流的问题，却能够最大化的对跑车空气动力性进行了相应的改进，因此，我们可以在实际应用中选择此局部优化的解决方案。

结语

我们采用了Fluent软件进行了简单的数值模拟，主要是针对跑车外流场，并根据此成功实现了车身的压力云图以及尾部的速度矢量图，同时也实现了对跑车外流场的流动机理、气动力特性以及流动特性关系进行了相应的研究，因此的得出了为何会出现气动力产生的理由。因为还是存在很多的局限性，所以未能进行风洞试验，以实现对跑车外流场进行最佳的数值模拟。

参考文献：

[1]钱娟，王东方，缪小东等.基于CFD的汽车外流场数值模拟及优化[J].制造业自动化，2016，38（04）：74-76.

[2]闫江.汽车外流场数值模拟研究[J].2013中国汽车工程学会年会，2013.

[3]张峰，王剑，黄霞等.汽车外流场数值模拟及优化设计[J].机械设计与制造，2016（02）：223-227.