轿车外形的空气动力性能分析
从时速不超过50km/h的马车型汽车，发展到现在的流线型汽车时速可以达到200～300km/h，百年的汽车发展给人类社会带来了巨大而深刻的变化。随着汽车速度的不断提高，随之出现的与汽车气动性能有关的问题也越来越多，如空气阻力（当车速达到250～300km/h时，空气阻力占总阻力的50%以上）、气动噪声以及对周围环境的影响等，均与汽车外形的流线程度有关。为此，还必须进一步优化车体外形，减少空气阻力等对汽车的影响。有限元分析计算是研究汽车气动性的一种手段，本文运用ANSYS公司的有限元分析软件ANSYS对三种汽车外形进行了分析研究，针对三种汽车外形气动性能做了比较，研究车外形对气动性能的影响。
- o8 A& L( N# L1 |( ?9 `
' l) B# H- R" S6 D4 K数学以及有限元模型 2 P! I+ v2 I5 J) r( T6 x2 G* S
2 J; ^7 E4 S9 L8 t. t
根据流体力学理论，计算的数学模型采用三维粘性不可压缩雷诺平均应力方程和工程上应用较广的k-∈双方程湍流模型。 ! E- O/ ^" _% b
- e/ d1 |1 {6 z, B4 c; C# s; q连续性方程：6 ?. E" a" }- l+ B
& _% _& H. T: n+ C) A
, m+ e0 z7 G+ V动量（矢量）方程：+ P8 j+ Q7 U3 |- o; d
5 ]- s5 C' e8 J. k4 M
" o) N- y) n2 V9 X6 k& b式中me??为有效粘性系数，且me?? =m+mt，m为动力粘性系数，mt为湍流粘性系数，其中mt =Cmρκ2/∈，Cm为常数，一般取为Cm=0.09；P'为修正压力，且P'=P+—ρκ；k和∈值1可由k-∈双方程得出。 % Y0 Q9 { M; _' U/ U$ e
- j7 V5 ? @ M; ?/ {# z" f湍流动能k方程：
$ i( y( E Z/ P- p6 c* r0 H0 c4 d( {, g* i* H3 X
6 D% y" E2 t, n$ s; @7 [" H' i湍流动能耗散率方程：3 _5 J; L* H8 K% ~# p* G
' @. B- p" f: E f& s! z0 n
( q! h3 \0 K, S4 S其中C∈1， C∈2， σκ， σ∈为常数，其取值一般为：C∈1=1.44，C∈2=1.92，σκ=1.0，σ∈=1.3。剪切生成项G的取值一般按下式得出+ T ]* ~- D: x+ c- l$ w0 e
4 l" |' \3 V5 T9 Y ^' A. s
$ c% j7 _+ `. S% g
由于本文所使用的是ANSYS教学版软件，在计算规模上有很大限制，因此对计算模型进行了必要的简化，考虑汽车结构的对称性，在忽略侧风等非对称性因素的影响，考虑汽车的对称面，同时对车底、车头等部位均进行了必要的简化，建立了平面有限元模型。使用ANSYS软件的2D FLOUNT 141单元进行离散，用有限元的二维分析模型进行求解。 6 o2 F) U$ r0 }7 m5 Q& b3 f% B
+ `6 `1 W4 P6 t, w! d7 Y& l1 {计算与分析
3 U2 o# D0 t/ \1 ?/ y2 P$ E: w
+ u8 U7 h. s" r4 W# w在此，针对不同时代的车型选用了三种有代表性的车型进行分析。
! G" |, Q* m( Q% x+ _8 J1 o* I& j- q
1.车型1，（如图1～4）4 D L; e. c& A; L) V5 _& T
* p* C8 j9 r9 I+ R: I) b* f图1 速度为50km/h: X5 D6 G: G6 R7 {
* \! M& G6 L, D" ?/ W1 n/ g
& ^6 b; I( |9 Q图2 流体总体压力分布图
/ f/ [3 M0 G% Q5 {7 x$ @2 o N9 V, G- e# K# h
( B5 D" X! f0 I3 g
图3 速度为250km/h
1 Z9 f* P5 A1 @# l; q2 E% {" R3 ?: z2 ?8 U& @' a
, V4 }9 f( @- j8 y. k8 d5 ^
图4 流体总体压力分布图1 @. r+ y: E: @ O
/ h5 x6 q& M& v" M2.车型2，（如图5～8）3 D( m# p: \" w7 t" Y1 C
; ]# f4 u6 W7 s. |: f. Z图5 速度为50km/h( i1 n- A5 {2 ^& v
5 s% B1 ^: l$ `( }/ m; z2 r; j8 K
- f! s( {. }$ |! V图6 流体总体压力分布图, b7 q+ Y% N: \8 X3 m
3 b7 w7 o% a, k$ f
% J+ m4 m: b& z8 ?3 ^图7 速度为250km/h8 W( |$ `9 S5 n( K" Z6 }! y1 A' r
8 K, f' @7 t; z: ?* k - T( h1 X/ _3 S* h8 Z0 C
图8 流体总体压力分布图# R7 e9 V5 q5 T" y: m5 m4 K; x
) c4 C/ C! c; @3 ^3.车型3，（图9～12）
; B' r$ l" d8 N' n# U" N! z
; T! `# |$ Z8 {$ ^- Z P" L" T图9 速度为50km/h9 Q* J r" @+ j% H4 T
- n9 P( F1 T; }
- e& q* h/ h1 L图10 流体总体压力分布图% V$ U5 ^& m% P( h1 ?9 Y
* [! H' }) d. v J8 u 9 p# [1 n3 Q& M5 p" E6 P
图11 速度为250km/h8 g( G5 x" `" r8 d9 g4 ]* n( e! Z3 T
- d# i4 E( N( h- T
- _# J. H' U# I0 n
图12 流体总体压力分布图
( z6 U6 Z9 f0 v% l) {( k0 F4 X- R. \0 A
4.速度分布 ( u l0 N9 \8 K; T1 X4 r: B
! g+ Q( Y! B1 h/ ^6 s# ^1 k: s图1、3、5、7、9、11给出的是3种汽车分别在高低速时纵向对称面流场速度分布情况。可以看出，由于三种头部形状流线型都较好，当气流流过汽车头部时基本上未出现大的流动分离。但车型3流线型最佳且外形曲面变化最小，所以效果最好。 5 Z' S1 k9 H8 \9 c2 ^0 Y8 h
. v0 _1 |2 |1 ?6 w. g4 h3 |3 P
气流在经过汽车顶部时达到最高速度，然后气流回落速度也逐渐降低。在汽车尾部，三种车型都产生了涡流情况。随着离汽车尾部距离的增大，旋涡的涡强在减弱，涡核向外移动，并向地面靠近。这说明涡流在不断地扩散，能量也随之在耗散。车型3有较好的表现，尾部有较好的流线型，且经过了车型的改进使得涡流较小。而在高速时车型3的表现更突出，其他两种车在高速时，尾部涡流有变大的趋势，且流线型变差速度变化较大。
# P& p1 m/ q9 t X3 U) }- @( V- K# N0 {) O; p
空气压力分布 ' W7 r) O& ?9 I0 S' r+ j' a" r
- m R' A" g; A( Q8 ?; E* u图2、4、6、8、10为气流总体压力分布图。由于汽车底部靠近地面，把气流进行了压缩增速，所以，3种车都出现了不同层度的高压区域。相比较而言，车型3稍微好于其他两种。由于头部气流开始与汽车接触变化，气压也开始变大。车型1较差，在汽车前窗部分出现较大的高压区域，而其他两种较好。在尾部，由于涡流的产生等，出现了负压区域。在后上方，由于车顶部高速气流的作用，产生了一条较长的较高的压力带，且逐渐变小。
3 p; J& b8 b& @- M0 I+ K' d" L8 {8 p, U. X& c, ~9 t. q! N- W
结论 ! C; I8 h K: ], L
% v6 u1 d9 f* Q9 O0 O+ f+ z
由ANSYS分析计算得知：在汽车头部气流开始分流，而汽车外形的变化使流速开始加快。在汽车的顶部和底部产生高速区，且在车顶部分产生最高流速，然后开始逐渐回落。汽车尾流中有纵向的涡流产生，随尾流的发展，涡流由强到弱，涡心降低（逐渐接近轨面），涡核向外移动。通过比较，第三种车型优于其他两种车型，且在低速和高速时都有较好的空气动力性能。故在汽车外形发展设计研究时，应尽量将汽车外形设计成流线型，外形曲面曲率不应出现突变或变化过大，避免产生流动分离
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