基于ANSYS仿真的汽车气动造型优化

引言

汽车气动造型决定了车身的整体轮廓,而不同时代的审美观则决定了车身造型的修饰手法和形体表现风格。纵观气动造型在车身设计中的演变,其发展可分成马车型、厢型、甲壳虫型、船型、鱼型、楔形、贝壳型7个阶段。

1仿真分析

为验证上述气动造型优化过程中形状的改变对空气动力学相关参数的影响,本文选取了两款典型车型一甲壳虫车型与911车型进行了数值计算和模拟。

1.1计算域的设定

在此次仿真过程中,设定的计算域是一个10倍车长(前3倍、后6倍）、4倍车高、9倍车宽的长方体。

1.2网格划分911车型和甲壳虫车型的网格划分分别如图1、图2所示。

图1911车型网格图

图2甲壳虫车型网格图

1.3仿真过程与结果

1.3.1网格优化

此次仿真在ANSYSFluent软件里设置,将meshing中的四面体网格转换成多面体网格,这样仿真的精度高,计算时间快。两款车型优化后的网格分别如图3、图4所示。

图3优化后的911车型网格图

图4优化后的甲壳虫车型网格图

1.3.2设置物理环境与边界条件

边界参数设置如表1所示。

2流场分析

2.1汽车外部空间流谱

通过研究汽车外部空间流谱,可以了解整车周围的流态与涡系情况,指导整车气动造型与局部气动造型的优化,分析气动力与气动力矩产生的机理,提高制动器和油底壳冷却效果等。本文采用计算机对两款车进行仿真研究。

2.1.1汽车前部空间流谱

从911车型前部流谱(图5)、甲壳虫前部流谱(图6)可看出,911相对于甲壳虫而言,流谱流线更清晰、稳定,层次分明,但前部气流分离区、正压区较小,故其车头形状理想。通过对比分析可知,911车头造型优于甲壳虫的原因归功于安装了车头下缘凸起唇,车头头缘高度、发动机罩与前风窗的夹角等参数选择更合理,大大降低了空气阻力系数CD。

图5911车型前部流谱

图6甲壳虫前部流谱

2.1.2汽车尾部空间流谱

从911车型尾部流谱(图7)、甲壳虫尾部流谱(图8)可看出,911相对于甲壳虫而言,其流谱流线更清晰,涡流区更小,所以其低压区也更小,故其车头形状理想。通过对比分析可知,911车头造型优于甲壳虫的原因归功于后风窗斜度更小,后车体有一定的横向收缩,所以其空气阻力系数CD较小。

图7911尾部流谱

一般φ<30时,气动阻力系数较小。从图7、图8也可以明

图8甲壳虫尾部流谱

显看出,911车型的后风窗斜度比较小,有利于降低气动阻力系数。甲壳虫车型由于其造型原因,导致其收缩量较小,不利于降低气动阻力系数,而911车型后车体的横向收缩比较明显,故其尾部气动性能较优。

2.1.3汽车底部空间流谱

对比甲壳虫车型底部空间流谱(图9)、911车型底部空间流谱(图10)可知,甲壳虫底部存在较为紊乱的涡流,而911底部底板较为光滑,流谱流线较为稳定。同时也可以看出汽车底部气流对汽车尾涡存在一定影响,911尾涡明显小于甲壳虫。如果将车身底部完全覆盖起来,并设计适当的组合造型,将有利于降低空气阻力系数。影响汽车底部气动特性的因素有离地间隙、车身纵倾角、车身底部曲率等。

图9甲壳虫底部流谱

2.2汽车周围涡系

根据对汽车前部空间流谱进行分析可知,在发动机罩与前风窗凹处会发生气体分离,分离区内的涡流会顺着两侧向后延伸,由于甲壳虫前部分离区较大,故其两侧涡流区也较大。汽车上部由于车身弯度的影响形成一个低压区,由于汽车上部的气压低于汽车下部气压,从而使汽车底部气流向上翻卷,同时发动机罩与前风窗凹处的涡系向车后部延伸,与上述涡流区相互吸引,最后合并成一对大尾涡。在尾流中,还有一部分来自底部后端紊乱的涡系。当这3种涡流聚集后会产生较大的能量耗散,形成较大的低压区,不利于降低气动阻力系数。由于甲壳虫前部、底部涡流区都较大,所以其周围、尾部涡流区也较大,整体气动性较差。两款车型的周围涡系图分别如图11、图12所示。

3结语

由ANsys(Fluen仿真计算得到t11车型的空气阻力系数为9025,甲壳虫车型的空气阻力系数为0036。t11车型阻力系数的减小得益于其车头弧面、车头高度、发动机罩与前风窗斜度、顶盖上挠系数、车头下缘凸起唇、后风窗斜度、后车体横向收缩等参数相对于甲壳虫车型设置得更加合理。因此,现代汽车的空气动力学设计应满足下列要求:

(1）安装车头下缘凸起唇,车头头缘高度较低:

(2）将车身设计成楔形或快背式,尽量把前端压低、前风窗与发动机罩、顶盖与侧面的过渡部分尽可能圆滑光顺:

(3）后风窗斜度小于30°,后车体有一定的横向收缩:

(4）尽可能减少车身外表面的凸凹面和凸出物,如采用电子后视镜:

（5）合理设计并控制发动机的冷却气流,强制空气处于流动状态,提高冷却效果并减小内循环空气阻力:

（6）车身底面平滑,设置光滑地板,以降低空气阻力,离地间隙、车身纵倾角、车身底部曲率参数设置合理:

（7）设置前后扰流器等空气动力学装置,改善气流状态。