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摘 要：本论文以东风小康自主品牌某车型为案例，通过对该车型进行外流场分析，并对其分析过程与结果做通用性描述，模拟出整车满载下的风阻系数、表面压力分布云图、车身流线分布情况等。通过风阻系数与迎风面积等相关参数，利用cruise 软件对该车型的最大速度、各档位的加速度、油耗等进行预测；根据表面压力分布云图、流线情况，可以判断车型设计是否满足预期设计。汽车外流场分析应用到汽车开发、设计，能给国内自主品牌汽车相关分析设计做参考性建议。
关键词：外流场分析；风阻系数；汽车设计
中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）02-0049-04
Abstract： Taking a self-owned brand vehicle of DFSK for example， the external flow analysis has been carried out， and its analysis process and the result was generally described that have resulted in the drag coefficient of the vehicle under full load， the surface pressure distribution nephogram， streamline body distribution and so on. Using cruise software， it could be predicted by the drag coefficient and fragment windward area and other parameters about the maximum speed， each gear acceleration， fuel consumption， etc. That would be determined whether the vehicle was designed to meet expected design model by surface pressure distribution nephogram and streamline body distribution. The external flow analysis is applied in the related analysis and design of domestic independent brand automobile.
1 概 述
计算流体力学（CFD）是一种由计算机模拟流体流动、传热及相关传递现象的系统分析方法与工具。目前广泛的应用于汽车、高速铁路和航空领域等。CFD的基本思想是把原来在时间域与空间域上连续的物理量场，用一系列离散点上的变量值的集合来代替，并通过一定的原则和方式建立起反映这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组得到场变量的近似解。随着国民经济的快速发展，客户对汽车的节能、平顺性、噪音与振动等特性的要求越来越高，而这些特性与空气动力学息息相关。在传统的汽车空气动力学研究中主要用风洞实测的方法，但是这样会造价高、试验周期长。近年来随着计算机技术与湍流技术的飞快发展，把原来只能在风洞实验室才能完成的试验用计算机模拟来完成，这样就大大的缩短开发周期与节约开发成本。虽然一般认为试验的可信度高，但是其成本高、测量结果要进行换算、周期长等因素的影响，这在汽车开发设计中广泛的应用汽车外流场分析模拟，通过与传统的试验方法相结合，这样对一款新的汽车开发设计中可以缩短工期与降低成本。通过对该车型进行外流场分析 ，给出整车满载下的风阻系数，把风阻系数、迎风面积等相关参数，输入cruise 软件能够对该车型的最大车速、各档的加速度、油耗进行预测。通过对该车型车身表面压力分布云图、车身流线图等分析判断该新车型外型设计是否合理。因此用CFD相关软件对汽车的外流场分析，对汽车的设计是十分必要的。
2 模型处理与网格划分
汽车车身表面存在大量细小特征，要精确地模拟所有详细特征，经常会导致生成的网格单元数目巨大，从而大大增加了求解计算时间，因此在处理计算模型时对几何模型进行合理的简化。
2.1 CAD模型的前处理
在CATIA中将汽车模型（特别是底盘部分）作合理的简化：保留轮胎、后视镜、门把手、行李架等部件；底盘部分，考虑其复杂性，这里将汽车底部简化为一个完整平面，然后将车身表面和底盘的碎面缝合起来，形成若干个大的特征表面，将整个汽车简化为封闭的壳体；然后在汽车周围形成适当的空气域，汽车与风洞几何模型如图1所示：
2.2 有限元模型的前处理
网格生成采用贴体网格，由于主要关心车身周围的流场变化，特别是由于车身的影响使得车身周围的流体有分离与再附着现象，为了较合理的模拟车身表面附近的空气流动，在车身外做边界层网格，边界层以外适当放宽网格大小控制网格规模。将车身的外?表面生成为三角形网格，单元大小为5～20 mm，计算域单元大小为30～500 mm。体单元总数约为280万左右，网格总体连续、均匀，过渡平缓，车身表面网格如图2：
3 模型分析条件及结果分析
3.1 分析条件
设风洞入口边界条件为：u0 = 30 m/s，出口边界条件为压力出口；空气密度为ρ = 1.18415kg/m3；
计算中不考虑温度影响；由于计算限制，采用Realizable k-ε 湍流模式和Two-layer Ally Wall 壁面函数；计算选择一阶迎风格式，这样虽然降低了收敛速度，但保证了计算精度。设置计算步数为5 000步。
3.2 求解结果分析 分析完成后，在Starccm 中进行后处理，根据上述模型及边界条件进行外流场计算，现将计算结果整理如下：
图3是汽车在行驶过程中车身表面压力分布云图（其中色柱表示的是不同的压力值，单位为Pa），从压力分布云图可以看出汽车前部进气格栅处和前保险杠处压力最大，约为556.57 Pa，前端滞止区域影响范围较大，增大了阻力。尾涡区的压力梯度变化较小，会减少尾涡区域的影响范围，减少阻力，其中，在A柱附近、前轮胎外侧以及后视镜边缘处出现较低负压区，见图3中椭圆标记所示。
图4为车身对称面上速度分布云图，图5和图6分别表示车身对称面的速度矢量图和车身尾部的速度矢量图。由于车体阻碍，气流在汽车头部形成滞止区，形成高压区；车底部气流基本流畅；车尾出现较明显的涡。
图7、图8分别表示侧视流线图和车身尾部流线图，流线基本贴合车身表面流动，在整车表面流动状态较好，汽车尾部出现了漩涡。由图9、图10可以看出左、右后视镜的流线情况，后视镜的镜壳处产生的流线没有贴近车窗玻璃，镜座处的流线有贴近车窗玻璃。
4 空气阻力系数的计算
气动阻力计算公式为：
式中：FW为空气阻力，N；ρ为空气密度，Kg/m3； A为迎风面积，m2；v0为相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度，m/s。
经Star-ccm 模拟可得：空气阻力FW=401.067N，迎风面积A=2.397m2，空气阻力系数CD=0.314 。
本次计算中对发动机舱进气格栅进行了简化，忽略了发动机舱内流场的阻力，同时，地板简化为一个大平面，这样仿真结果与实际值有一定误差。通过对试验车做风洞试验，得到修正系数20%，可以预测该车的风阻系数约为0.377。
5 汽车动力性、经济性指标
通过外流场分析所得的风阻系数、迎风面积、车重、轮胎直径等相关参数，输入cruise 软件能够对该车型的最大车速、各档的加速度、油耗进行预测，模拟所得参数如图11所示：
图11 模拟所得
6 结论
（1）通过对该车型满载整车状态下的模型分析，得到阻力系数为0.314，但是CFD分析由于简化发动机舱进气格栅，忽略了发动机舱内流场的阻力，简化了地板，通过对试验车做风洞实验得到修正系数20%，因此预测其风阻系数约为0.377。
（2）从流场各个特性显示可以看出，整车总的流动性较好，有很好的贴体性能，整车表面流线光顺，没有大的曲率的流动曲线，除了尾涡区，没有大的回流和流动分离现象，尾涡区的压力梯度变化较小。
（3）在局部区域还是有一些增加阻力或降低性能的因素，例如前挡风玻璃的压力分布。
（4）从左、右后视镜的流线情况可以看出，后视镜的镜壳处产生的流线没有贴近车窗玻璃，镜座处的流线有贴近车窗玻璃。
（5）把所得参数输入cruise软件进行模拟，得到的该车型的最大车速、各档的加速度、油耗等参数值，这些参数值达到前期设计确定的目标值。
参考文献：
[1]黄金陵.汽车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]汽车工程手册编写组编.汽车工程手册（设计篇）[M].北京：机械工业出版社，2001.
[3]傅立敏.汽车空气动力学[M].北京：机械工业出版社，1998.
[4]李明.STAR-CCM 与流场计算[M].北京：机械工业出版社，2011.
关键词：外流场分析；风阻系数；汽车设计
中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2015）02-0049-04
Abstract： Taking a self-owned brand vehicle of DFSK for example， the external flow analysis has been carried out， and its analysis process and the result was generally described that have resulted in the drag coefficient of the vehicle under full load， the surface pressure distribution nephogram， streamline body distribution and so on. Using cruise software， it could be predicted by the drag coefficient and fragment windward area and other parameters about the maximum speed， each gear acceleration， fuel consumption， etc. That would be determined whether the vehicle was designed to meet expected design model by surface pressure distribution nephogram and streamline body distribution. The external flow analysis is applied in the related analysis and design of domestic independent brand automobile.
1 概 述
计算流体力学（CFD）是一种由计算机模拟流体流动、传热及相关传递现象的系统分析方法与工具。目前广泛的应用于汽车、高速铁路和航空领域等。CFD的基本思想是把原来在时间域与空间域上连续的物理量场，用一系列离散点上的变量值的集合来代替，并通过一定的原则和方式建立起反映这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组得到场变量的近似解。随着国民经济的快速发展，客户对汽车的节能、平顺性、噪音与振动等特性的要求越来越高，而这些特性与空气动力学息息相关。在传统的汽车空气动力学研究中主要用风洞实测的方法，但是这样会造价高、试验周期长。近年来随着计算机技术与湍流技术的飞快发展，把原来只能在风洞实验室才能完成的试验用计算机模拟来完成，这样就大大的缩短开发周期与节约开发成本。虽然一般认为试验的可信度高，但是其成本高、测量结果要进行换算、周期长等因素的影响，这在汽车开发设计中广泛的应用汽车外流场分析模拟，通过与传统的试验方法相结合，这样对一款新的汽车开发设计中可以缩短工期与降低成本。通过对该车型进行外流场分析 ，给出整车满载下的风阻系数，把风阻系数、迎风面积等相关参数，输入cruise 软件能够对该车型的最大车速、各档的加速度、油耗进行预测。通过对该车型车身表面压力分布云图、车身流线图等分析判断该新车型外型设计是否合理。因此用CFD相关软件对汽车的外流场分析，对汽车的设计是十分必要的。
2 模型处理与网格划分
汽车车身表面存在大量细小特征，要精确地模拟所有详细特征，经常会导致生成的网格单元数目巨大，从而大大增加了求解计算时间，因此在处理计算模型时对几何模型进行合理的简化。
2.1 CAD模型的前处理
在CATIA中将汽车模型（特别是底盘部分）作合理的简化：保留轮胎、后视镜、门把手、行李架等部件；底盘部分，考虑其复杂性，这里将汽车底部简化为一个完整平面，然后将车身表面和底盘的碎面缝合起来，形成若干个大的特征表面，将整个汽车简化为封闭的壳体；然后在汽车周围形成适当的空气域，汽车与风洞几何模型如图1所示：
2.2 有限元模型的前处理
网格生成采用贴体网格，由于主要关心车身周围的流场变化，特别是由于车身的影响使得车身周围的流体有分离与再附着现象，为了较合理的模拟车身表面附近的空气流动，在车身外做边界层网格，边界层以外适当放宽网格大小控制网格规模。将车身的外?表面生成为三角形网格，单元大小为5～20 mm，计算域单元大小为30～500 mm。体单元总数约为280万左右，网格总体连续、均匀，过渡平缓，车身表面网格如图2：
3 模型分析条件及结果分析
3.1 分析条件
设风洞入口边界条件为：u0 = 30 m/s，出口边界条件为压力出口；空气密度为ρ = 1.18415kg/m3；
计算中不考虑温度影响；由于计算限制，采用Realizable k-ε 湍流模式和Two-layer Ally Wall 壁面函数；计算选择一阶迎风格式，这样虽然降低了收敛速度，但保证了计算精度。设置计算步数为5 000步。
3.2 求解结果分析 分析完成后，在Starccm 中进行后处理，根据上述模型及边界条件进行外流场计算，现将计算结果整理如下：
图3是汽车在行驶过程中车身表面压力分布云图（其中色柱表示的是不同的压力值，单位为Pa），从压力分布云图可以看出汽车前部进气格栅处和前保险杠处压力最大，约为556.57 Pa，前端滞止区域影响范围较大，增大了阻力。尾涡区的压力梯度变化较小，会减少尾涡区域的影响范围，减少阻力，其中，在A柱附近、前轮胎外侧以及后视镜边缘处出现较低负压区，见图3中椭圆标记所示。
图4为车身对称面上速度分布云图，图5和图6分别表示车身对称面的速度矢量图和车身尾部的速度矢量图。由于车体阻碍，气流在汽车头部形成滞止区，形成高压区；车底部气流基本流畅；车尾出现较明显的涡。
图7、图8分别表示侧视流线图和车身尾部流线图，流线基本贴合车身表面流动，在整车表面流动状态较好，汽车尾部出现了漩涡。由图9、图10可以看出左、右后视镜的流线情况，后视镜的镜壳处产生的流线没有贴近车窗玻璃，镜座处的流线有贴近车窗玻璃。
4 空气阻力系数的计算
气动阻力计算公式为：
式中：FW为空气阻力，N；ρ为空气密度，Kg/m3； A为迎风面积，m2；v0为相对速度，在无风时即为汽车的行驶速度，m/s。
经Star-ccm 模拟可得：空气阻力FW=401.067N，迎风面积A=2.397m2，空气阻力系数CD=0.314 。
本次计算中对发动机舱进气格栅进行了简化，忽略了发动机舱内流场的阻力，同时，地板简化为一个大平面，这样仿真结果与实际值有一定误差。通过对试验车做风洞试验，得到修正系数20%，可以预测该车的风阻系数约为0.377。
5 汽车动力性、经济性指标
通过外流场分析所得的风阻系数、迎风面积、车重、轮胎直径等相关参数，输入cruise 软件能够对该车型的最大车速、各档的加速度、油耗进行预测，模拟所得参数如图11所示：
图11 模拟所得
6 结论
（1）通过对该车型满载整车状态下的模型分析，得到阻力系数为0.314，但是CFD分析由于简化发动机舱进气格栅，忽略了发动机舱内流场的阻力，简化了地板，通过对试验车做风洞实验得到修正系数20%，因此预测其风阻系数约为0.377。
（2）从流场各个特性显示可以看出，整车总的流动性较好，有很好的贴体性能，整车表面流线光顺，没有大的曲率的流动曲线，除了尾涡区，没有大的回流和流动分离现象，尾涡区的压力梯度变化较小。
（3）在局部区域还是有一些增加阻力或降低性能的因素，例如前挡风玻璃的压力分布。
（4）从左、右后视镜的流线情况可以看出，后视镜的镜壳处产生的流线没有贴近车窗玻璃，镜座处的流线有贴近车窗玻璃。
（5）把所得参数输入cruise软件进行模拟，得到的该车型的最大车速、各档的加速度、油耗等参数值，这些参数值达到前期设计确定的目标值。
参考文献：
[1]黄金陵.汽车车身设计[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]汽车工程手册编写组编.汽车工程手册（设计篇）[M].北京：机械工业出版社，2001.
[3]傅立敏.汽车空气动力学[M].北京：机械工业出版社，1998.
[4]李明.STAR-CCM 与流场计算[M].北京：机械工业出版社，2011.