1、2023年1月机电技术机电技术顶部灯箱影响汽车气动力的数值仿真分析顶部灯箱影响汽车气动力的数值仿真分析*马震宇1陈佳宾2耿 直1李 勇1王正鹤3（1.郑州航空工业管理学院 航空发动机学院，河南 郑州 450046；2.长沙晓德知识产权代理有限公司，湖南 长沙 410324；3.郑州航空工业管理学院 航空宇航学院，河南 郑州 450046）摘要汽车行驶和飞机航行尤其高速运动时气动阻力的降低有利于节能减排和提高使用经济性。文章基于构建的一种出租汽车及顶部灯箱几何简化模型，应用FLUENT流体软件和RANS方法开展汽车模型空气流场仿真建模和数值模拟计算，选用二阶迎风离散格式，车速按60 km/h和1
2、20 km/h，雷诺数为0.51107和1.01107。研究表明：在高、低两种车速下汽车模型都能产生或多或少的气动下压力，尤其在高速行驶时顶部灯箱纵置比横置方式汽车整体所受气动阻力明显要小。关键词汽车；顶部灯箱；空气动力；数值仿真；减阻节能中图分类号：U461.1；TP391.9文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）01-002-05DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.01.001*全国高等学校能源动力类专业教学研究与实践项目（NSJZW2021Y-99）；河南省科技攻关计划（212102310093）；河南省高等学校重点科研项目（16A590001）
3、作者简介：马震宇（1964），男，研究员，硕士，主要从事飞航器气动流体性能研究与专业教学工作。车辆在路面或轨道上行驶时，其不仅承受来自地面或轨道的车轮滚动阻力，还会受到车辆周围环绕大气的空气动力及其力矩的作用1-2。在高速行驶中，气流对车辆的摩擦力和压差力的作用显得更加明显和重要，当列车运行速度超过200 km/h时，气动阻力（风阻）约占总阻力的70%左右2。基于车辆的行驶动力性、操纵稳定性和安全性、乘坐舒适性、经济性和节能减排等考虑，国内外车辆研发中都在加大空气动力学原理等理论和新技术的应用1-6，并加大数值仿真技术在方案设计和产品优化中的使用1-3，6-9。国内外汽车中出租车和救援车等车辆
4、的顶壁外部灯箱的设计和运用首要是为了满足其信息广告、提醒警示和照明灯功能，灯箱绝大多数为长条形外观且在车顶的布置为不利于气动减阻的横置方式10-13，现行标准规范缺少对车辆顶部灯箱的设计和使用约束14-15。目前有很少文献研究车顶长条灯箱的布置方式和外形对汽车减阻节能的影响16-17，不同的灯箱布置和外形改进对于汽车气动阻力的影响差异明显，应该引起人们的注意和重视16。本文基于构建的一种出租汽车及灯箱几何简化模型，进行汽车空气流场建模和数值仿真研究，计算得出顶部灯箱两种不同安装方式下汽车的气动阻力和下压力，分析汽车气动力和流场的差异，以期为出租车和救援车等顶部灯箱的设计和安装方式提供建议。1三
5、维几何建模以某款出租汽车为基本研究对象，按1：1比例进行几何简化建模。去掉出租车车轮以及后视镜和门把手等，对车体表面包括车底板做光顺和无缝处理。车体长4428mm，车宽1660mm，车体高1420mm。车体前挡风玻璃与水平面夹角为35，后挡风玻璃与水平面成50。车体后备箱长730 mm，引擎盖长857 mm。将常见的长条形灯箱以横置与纵置两种不同方式安装于车体顶面，灯箱长1080 mm、宽200 mm、高220 mm。灯箱的侧面形状大致为一个等腰梯形，上表面为一个圆弧面，灯箱三维实体模型构建如图1所示。图图1 1构建长条形灯箱三维模型构建长条形灯箱三维模型将绘制的车体模型与灯箱装配在一起，以车
6、体为基准，将灯箱横置于车体顶面，灯箱前缘离车2第1期体顶面前缘距离为400 mm，灯箱侧边离车体侧面的距离为180 mm，形成顶部灯箱横置方式出租车三维实体模型，如图2所示。图图2 2构建顶部灯箱横置汽车三维模型构建顶部灯箱横置汽车三维模型将灯箱纵置于车体顶面，灯箱前缘离车体顶面前缘距离为123 mm，灯箱侧面离车体侧面的距离为590 mm，形成顶部灯箱纵置方式出租车三维实体模型，如图3所示。图图3 3构建顶部灯箱纵置汽车三维模型构建顶部灯箱纵置汽车三维模型2计算流域和网格模型无论是车身或飞机运动、空气静止，还是空气运动（吹风）、车身或飞机静止，只要是保持相同的相对运动，两种情况下物体的受力是
7、一样的。在研究直线匀速行驶车辆或飞机周围的外流场和流体力时，通常都是假设车身或飞机固定静止不动而让流体从物体周围环绕流过，此时流动形成定常的稳定流场，流场力与时间变量无关，流场偏微分控制方程得以简化。将所建的汽车三维实体模型导入 Gambit 网格划分软件，围绕固定汽车模型而创建一定的物理流场计算区域，并由此构建有限体积单元网格模型。建立一个长y=53136 mm、宽x=8300 mm、高z=7130 mm的大长方体空间，移动该空间使其上顶面离车体顶面距离为4倍车高，下底面（模拟地面）离车底板距离为300 mm，侧面离车体的侧面距离为2倍车宽，前面离车头距离为4倍车长，后面离车尾距离为7倍车长
8、，此即构成汽车模型外流场的流动控制设计域。因本计算域是具有对称面的，新建一个平面（作为对称面边界条件类型）使其在X轴方向上平分流动控制域而只保留一半作为计算域，这样做可减少后面流场迭代计算工作量。接着再创建一个长y=22140mm、宽x=4150mm、高z=3580 mm的小长方体空间，移动该长方体使其上顶面离车体顶面距离为1.5倍车高，下底面离车体底面距离为300 mm，前面离车头距离为1倍车长，后面离车尾距离为3倍车长，侧面离车体侧面为1.5倍半车宽。用该长方体将以上大空气流域再划分为一大一小两个流域，这样做有利于空间网格的划分和网格总数量的控制。之后在车体表面上使用尺度为50 mm的三角
9、形面网格，在小计算流域中使用尺度为150 mm的四面体体网格，在大计算流域中使用尺度为200 mm的四面体体网格，由此完成以上汽车半个模型物理流域有限单元网格划分，划分结果见图4。小流域内网格数量为四十万左右（网格在车体表面上附近区域分布较密），大流域内网格数量为一百二十万左右（网格空间分布相对稀疏一些），检查网格质量总体良好。（a）对称面上网格（灯箱横置时）（b）对称面上网格（灯箱纵置时）图图4 4汽车模型流场有限单元网格划分汽车模型流场有限单元网格划分最后需要设定计算域边界面上合理的物理条件类型。进口面设为速度入口类型，出口面为压力出口类型，对称面、上顶面和侧面均设为对称面类型，下底面设置
10、为可移动固体壁面类型（模拟地面效应），汽车模型固体表面全部为流动无滑移固定不动绝热壁面类型。网格模型以.msh格式导出，供后面导入Fluent专业软件进行求解设置和数值迭代计算。3数值迭代计算在常用的笛卡尔直角坐标系O-X-Y-Z下，对围绕汽车模型的低速定常不可压三维粘性空气流场，基于粘性湍流的雷诺时均化流动控制方程组马震宇 等：顶部灯箱影响汽车气动力的数值仿真分析32023年1月机电技术机电技术（RANS），使用广泛应用的Fluent计算流体动力学（CFD）分析软件，进行汽车模型外流场和气动力的数值迭代解算。打开 Fluent软件，导入以上所构建的流场网格模型。顺滑网格，检查尺寸单位转换，查
11、看网格基本质量。激活定常求解器，选用基于压力求解模式，计算所用操作运行或参考压强值按海平面标准大气环境压强101325 Pa。进口边界条件为前方来流速度入口条件（汽车模型固定不动，用前方来流速度模拟车速），沿X、Y、Z三个坐标轴方向设置具体来流速度分量（根据车速可以改变设置，本文车速分别按60 km/h和120 km/h），表压值为0。来流特征雷诺数为5.05106和1.01107，选用湍流补充模型为k-二方程可实现模型，近壁面湍流处理采用标准壁面函数。出口边界条件为压强出口条件，出口表压值为0。地面边界条件为可移动固体绝热壁面，移动方式为平滑，平移速度大小和方向取值与前方来流速度相同。在参考
12、量设置中，特征面积按汽车半模型最大正迎风面积，灯箱横置方式时为1.3212 m2，纵置方式时为1.2149 m2，特征长度均取为4428 mm（车体长度）。在求解方法具体设置中，算法选用流场压力-速度耦合法中的PISO方法，对梯度插值采用基于格林-高斯节点方式，流场压强相应选用二阶离散格式，流场动量及湍流动能和耗散率均选用二阶迎风离散格式，以降低数值离散误差扩散获得更准确数值计算结果。在求解控制设置中，亚松弛因子经过调试取值为0.10.15。在求解监控和观察设置中，数值迭代逼近收敛精度阈值均设定为10-3，汽车模型表面气流压强和切应力作用的积分形成其空气动力，对其气动阻力系数、升力系数（气动下
13、压力系数）和俯仰力矩系数进行监控和数据存储设置，注意阻力和升力的方向性。按流域进口截面对全流场进行标准初始化赋初值，设置一定量的迭代步数（计算过程中可以追加调整），开始对模型流场进行数值迭代自动解算。残差随迭代计算步数的变化曲线下降走势良好，经过4000步以上，收敛到位精度均小于0.001，同时观测阻力和下压力收敛监视曲线也均达到平稳，流场数值迭代计算完成。4仿真结果与分析4.1气动阻力系数和阻力汽车模型气动阻力系数和气动阻力仿真计算收敛结果见表1。表表1 1汽车模型气动阻力系数和气动阻力仿真计算值汽车模型气动阻力系数和气动阻力仿真计算值名称灯箱横置时气动阻力系数灯箱纵置时气动阻力系数灯箱横置
14、时气动阻力/N灯箱纵置时气动阻力/N车速60 km/h0.39310.283188.3958.54车速120 km/h0.40230.2630361.69217.42对于以60 km/h匀速行驶的汽车，仿真计算结果相当于16.67 m/s的7级疾风吹向静止不动的汽车时所产生的空气动力，纵置灯箱汽车模型的阻力系数比横置时的下降 28%，气动阻力下降33.8%，下降非常明显。对于以120 km/h高速行驶的汽车，仿真计算结果相当于33.33 m/s的12级飓风吹向静止不动的汽车时所产生的空气动力，纵置灯箱汽车模型的阻力系数比横置时的下降34.63%，气动阻力下降39.9%，下降相当可观。提取的汽车
15、模型表面近壁流速矢量图如图5所示，可以看出，纵置灯箱周围气流绕流顺畅附体，因其迎风面积很小，故其上产生的压差气动阻力很小。横置灯箱迎风面积大，气流流至灯箱前面受到灯箱的阻挡，在灯箱前面产生局部高压区，在灯箱后面气流发生脱体分离而产生耗能局部低（a）灯箱横置时（b）灯箱纵置时图图5 5模型近壁面流速矢量图模型近壁面流速矢量图（车速车速6060 km/hkm/h）4第1期压旋涡区，形成较大的附加压差气动阻力，而且车尾的脱体涡旋低压区也比纵置灯箱汽车的要大，故使得整台汽车行驶中受到的气动阻力明显增加，尤其是在高速行驶情况下。4.2气动下压力系数和下压力汽车模型气动下压力系数和气动下压力仿真计算收敛结
16、果见表2。表表2 2气动下压力系数和下压力仿真计算值气动下压力系数和下压力仿真计算值名 称灯箱横置时下压力系数灯箱纵置时下压力系数灯箱横置时下压力/N灯箱纵置时下压力/N车速60 km/h-0.0782-0.0144-17.58-2.987车速120 km/h-0.1403-0.0147-126.16-12.13从仿真结果看，在两种车速下汽车模型都能产生或多或少的气动下压力（负升力），其主要来源于汽车整个表面气流分布压强的作用，气动下压力对增大汽车抓地力和地面行驶稳定性有利。之所以能够形成气动下压力，是因为地面与汽车底板直接形成了宽而扁的有限通道，使得气流在通道内加快流动，根据沿总流的伯努利公式其压强降低，即低于汽车上部大范围空气的压强。汽车上部的形状包括灯箱等附件和车底板离地面的高度、底板形状以及车轮是影响下压力的重要因素，如果配合不当就会产生升力而不是气动下压力，地效飞行器和水效船艇的设计就是要通过近壁气动效应而获得和增大向上浮起的气动升力。灯箱纵置时汽车模型的气动下压力系数和下压力比横置时的减小了很多，但汽车气动下压力与汽车重量所提供的下压力相比还是要小得太多，汽车行驶的抓地力和
