摘 要：汽车气动性能关系到汽车行驶的稳定性，本文通过构建数值模拟来探讨车身底部流动特性，并分析汽车底部外形影响汽车气动性能的原因，并从标准化的视角进行论述，以期为提高汽车行驶稳定性及减少车身阻力提供参考。
关键词：汽车底部外形;氣动阻力;数值模拟;气动升力;标准化
中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）01-0043-02
空气动力特征直接影响汽车气动性，影响汽车的动力性、行驶稳定性和经济性。资料显示，汽车气动阻力主要是车轮、车身底部、轮腔等部位的气动阻力，降低此区域的气动阻力对改善汽车气动性能具有重要意义[1-2]。但因车轮旋转效应、地面效应的影响，汽车底部复杂的流动极大的影响者整车空气动力性能及其外部流场结构。本文通过简化模拟汽车底部外形，如排气管、排气管槽、轮腔及车轮等，探讨汽车底部外形影响其空气动力特性的状况，以活期改变底部外形同气动力系数间的变化规律，并从标准化的角度出发，为优化汽车气动性能提供参考。
1 明确数值模拟计算域
1.1 明确计算域
根据SAEJ1594标准对汽车气动性能的定义，认为汽车风动气动的测力中心位于汽车模型车轮着地点构成的矩形中心。该标准规定气动力系数主要包括升力系数、阻力系数、测力系数、动压、风速、空气密度、模型正投影面积、滚转力矩系数等[3]。
本文以国产轿车1：5简化模型为研究对象，数据及模型的构建、计算等均依据国家关于汽车气动性能试验的相关标准。利用计算机CATIA软件构建汽车几何模型，改型设计汽车底部外形，生成4个模型，分别探讨其外流场特征。而后在Icem软件中导入几何模型，划分网格，网格方案为：车身表面和其附近选择四面体网格;远离汽车的大区域选择六面体网格;表明拉伸选用三棱柱网格。所以，网格方案总体是四面体加六面体加三棱柱网格。选择计算区域为车身侧面3倍的车宽，前方为2倍车长，后方为8倍车长，上方为4倍车高。为便于计算，本文取模型纵向对称面的1/2来计算，为不影响半车模拟计算结果，本文选用对称均匀来流为计算入口条件。
模型设置的具体方式分别为：模型1：底部光滑平整，无轮腔和轮胎;模型2：无轮腔，较模型1增添了车轮;模型3：较模型2增设轮腔;模型4：较模型3加设排气管和排气管槽。选择模型4验证模拟数值。
1.2 数值模拟计算
本文数值模拟应用软件为STAR-CD，能够有效地计算可压流和不可压流、非牛顿流、热力学等，且具备前、后处理器和求解器三个模块，用户界面具有可视化[4-5]。计算过程中，设置最大迭代步数1000步，截断误差0.001。每个模型达到数值收敛均在1000步内，观察记录监测值，结果显示数值收敛之前，每个模型数值均发生了持续很长时间的轻震荡，由此可见，该计算值较为接近实际值，也就是说其达到了物理收敛。该计算结果能够用于研究分析，各模型迭代步数、网格数目及计算时间如表1所示。
2 试验模拟结果分析
2.1 实验模拟气动力系数变化
本文研究的4个模型中，经数值模拟计算获取其气动力数值，分析各模型结果影响汽车底部流场的状况，进而明确其对整车的气动力数值的影响状况。但因汽车排气管对气动力的影响较为复杂，不仅外形影响到底部流场，排气管震颤及其尾气热也影响其底部流场及汽车尾流场[6]。本文仅探讨排气管槽、排气管影响汽车流场的情况。经STAR-CD软件计算，获取汽车表明各方向力数据，并依据该数据和汽车速度、汽车正投影面积及空气密度等计算出汽车的侧向力系数、升力系数和阻力系数等。各个模型计算后的升力系数及阻力系数如表2所示。
由表2可知，汽车底部外形越复杂，其整车阻力系数就越大，也就是说汽车底部凸凹可使汽车空气阻力增加，且凸凹越大，其阻力系数也越大。分析值变化状况，发现，，。以模型4的阻力系数作为该车阻力系数实际值，从模型1到模型4，凸凹外形没增加一种，其阻力系数的增加百分比见图1。
从四种模型升力系数变化值发现，汽车底部外形越复杂，其整车升力系数也越大，从模型2至模型3，升力系数由负值转为正值。由， 。以模型4升力系数值为该汽车升力系数实际值，从模型1到模型4，凸凹外形每增加一种，其升力系数值增加的百分比如图1所示。
2.2 气动力系数值的变化规律
模型1中，汽车底部外形较为平整光滑，地面和车身下部间的气流可以畅通地流过，能够有效地降低气动升力及阻力。在此模型中，若升力为负值，也就是说此时气流通过，表现为下压力。加上汽车底部平整光滑，使车身下表面较其他模型的摩试损失要小，进而使气动阻力减小。在数值模拟中，为便于计算，通常将简化此类汽车轮胎。但这种简化模型气动力的计算结果同实际动力系数间存在极大差别。本文为探讨汽车外形影响空气流动特征的状况，首先对模型1的气动力系数进行了计算。在模型1的基础上，模型2增加了车轮，即在汽车底部增加了4个凸起，对气流的顺利流过有阻止作用，使前方部分来流转向了汽车上表面，使其上表面气流流速增大，降低了其压力，致使汽车升力及阻力增大。凸起的车轮增大了汽车下底面的迎风面积，从而使其气动阻力系数增大。
从各模型后轮的横截面速度矢量中发现，汽车底部外形发生变化，其车底气流速度和车顶气流速度都发生了变化。从模型1到模型2，底部流速增加而顶部则降低，从而使汽车顶部压力变小，而底部压力则上升，升力也随之增加。但模型3的轮腔内流速则非常低，在此会生产极大的向上压力，更加突显升力的上升。同时，模型3和模型4的速度变化不大，此结果解释了模型4、模型3气动升力指数变化不明显的原因。
总之，依据汽车气动性能试验标准及计算标准，能够得到汽车整个流场各点处气流流动情况，进而能够对汽车底部复杂流场进行真实模拟。模拟试验显示，汽车底部外形影响汽车的空气动力特性。如果汽车底部增加凸凹外形，则其升力系数和阻力系数都会增大，特别是影响其气动升力。模拟试验显示，车轮对阻力系数影响最大，轮腔次之，排气管及排气管槽的影响相对较小。此外，轮腔对气动升力的影响较大，车轮次之，而排气管、排气管槽的影响不明显。综合考虑汽车气动性能试验、计算等标准，认为本文模拟试验具有较强的真实性，能够为汽车外形设计提供参考。
参考文献
[1] 胡兴军，郭鹏，惠政，等.基于流固耦合的汽车气动特性[J/OL].吉林大学学报（工学版）：1-6.
[2] 付宇.汽车轮肩与轮毂之间气动性能耦合关系分析[J].汽车工程师，2018（04）：35-37.
[3] 王凡，朱晖，杨志刚.基于近似模型的整车气动外形优化[J].计算机辅助工程，2016，25（06）：34-41.
[4] 郑子浩，杨志刚，朱晖.汽车水平外形参数对气动阻力影响的仿真分析[J].计算机辅助工程，2015，24（06）：1-6.
[5] 汤高攀，严世榕.气动汽车主要性能的仿真研究[J].计算机仿真，2015，32（08）：175-179.
[6] 杨易，徐永康，沈夏威，谷正气.基于气动升力的汽车底部流场改进[J].中南大学学报（自然科学版），2013，44（10）：4063-4068.