摘要：本文將近10余年來逐漸興起的分離渦模擬（DES）方法，用于全細節(jié)乘用車模型的風阻系數(shù)計算，探索了其模型設(shè)置和結(jié)果處理方法。將DES計算結(jié)果同雷諾時均模擬（RANS）方法計算結(jié)果、風洞試驗結(jié)果進行了對比研究。結(jié)果表明，雖然DES方法所需的計算資源更多，在預(yù)測局部流場變化對風阻的影響上優(yōu)勢不明顯，但其整車風阻系數(shù)計算精度明顯優(yōu)于RANS方法。本文的研究結(jié)果，可以為CFD工具在乘用車風阻系數(shù)開發(fā)過程中的工程應(yīng)用提供參考。

1. 引言

工程上評估汽車空氣動力學(xué)性能的試驗方法，是風洞試驗和道路測試。但是，縮小比例模型的風洞測試結(jié)果會產(chǎn)生很多的不確定性，這些不確定性與其低雷諾數(shù)、模型的逼真程度、發(fā)動機冷卻和乘員艙氣流的簡化、洞壁邊界層、模型支撐裝置、模型和尾流的阻塞作用、傳感器對氣流的擾動作用等因素有關(guān)。即使對于實車或者全尺寸模型風洞試驗而言，受風洞測試段尺寸和地面移動裝置無法完全復(fù)現(xiàn)下部流場等因素的影響，風洞試驗?zāi)M的真實性也受到一定限制。并且全尺寸汽車風洞（及其測試設(shè)備）的建設(shè)和運行都非常昂貴。雖然道路實驗代表了對車輛使用環(huán)境的最真實模擬，但是與試驗過程中風環(huán)境的不斷變化有關(guān)的試驗差異，經(jīng)常使得結(jié)果存在很多爭議。需要付出巨大的努力，才可以確保道路實驗的結(jié)果有意義[1]。

目前，應(yīng)用CFD（ComputationalFluidDynamics）方法來模擬汽車風洞測試，得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。在工程應(yīng)用上，CFD正在逐漸的成為汽車空氣動力學(xué)設(shè)計的一種基礎(chǔ)工具，被用于大量的參數(shù)研究和預(yù)測形狀改變對流場特征的影響趨勢，而風洞更多的被用于驗證和預(yù)測模型細節(jié)的影響、或者對整個流體域的整體復(fù)現(xiàn)[2]。CFD方法在工程上的另一種應(yīng)用，是通過試驗前的計劃、試驗中的診斷和試驗后的評估，來高效的推進風洞實驗的實施。盡管這并不一定減少風洞實驗的時間，但是它可以幫助保證消耗在風洞中的時間更加的合理。

計算機內(nèi)存和計算速度的限制，以及計算模型中某些物理現(xiàn)象信息的缺失，常常會制約CFD方法的預(yù)測能力。隨著CFD基礎(chǔ)理論的研究進展、商業(yè)CFD軟件的更新?lián)Q代以及計算硬件性能的不斷提升，探索新的汽車外流場CFD計算方案、提升CFD方法的工程應(yīng)用價值，是擺在汽車空氣動力學(xué)工程師面前的重要課題。

2. 汽車外流場特點及本文研究目的

圍繞汽車外部流場的典型特征是：三維、流動方向的垂直方向上存在陡峭的壓力梯度，流場中存在大量的或大或小的分離流動區(qū)域。其中，較小的封閉的分離流動區(qū)域，主要發(fā)生如后視鏡、門把手、雨刮器、發(fā)罩與風擋玻璃連接處等車身附件部位。更大的分離流動區(qū)域，主要發(fā)生在A柱、車身后端、車身下側(cè)和輪胎腔中。另外，車輪的旋轉(zhuǎn)和車身離地間隙等特征的作用，會強烈的影響車輛下部和側(cè)面氣流。因此，分離流動和地面效應(yīng)，是CFD方法應(yīng)用于汽車空氣動力學(xué)時必須要特別關(guān)注的問題。



在汽車外流場CFD仿真工作中，湍流模型扮演了關(guān)鍵性的角色，并且直接的影響計算精度和計算資源需求。目前，工程常用的計算方法為RANS方法（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations）。DES方法（Detached Eddy Simulation-DES），是一種混合了RANS和LES（Large Eddy Simulation）的計算方法。它是一種三維的瞬態(tài)數(shù)值求解方法，應(yīng)用單方程湍流模型。此方程在網(wǎng)格足夠細的區(qū)域為LES方法的亞格子尺度模型，在其它區(qū)域為RANS模型。近10余年來，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始探索將DES方法用于汽車風阻系數(shù)的計算中[3,4]。研究結(jié)果表明DES方法在處理非定常流動和捕捉渦流結(jié)構(gòu)方面優(yōu)勢明顯, 更能真實地反應(yīng)汽車外流場的復(fù)雜特征。但是，這些應(yīng)用主要集中在道路車輛的通用模型或簡化模型上。

本文將針對一款小型乘用車的全細節(jié)CFD計算模型，分別應(yīng)用RANS方法和DES方法計算其風阻系數(shù)，并與風洞試驗結(jié)果進行對比研究。本文中試驗結(jié)果來源于上海地面交通工具風洞中心的測試結(jié)果。

3. 計算模型簡述

3.1 網(wǎng)格策略及計算邊界

計算模型如圖2所示，計算模型為某款小型純電動汽車，模型包括機艙內(nèi)部和車身下部部件在內(nèi)的所有細節(jié)。為了盡量復(fù)現(xiàn)風洞試驗結(jié)果，將車前部地面設(shè)置為滑移壁面、地面移動帶區(qū)域為平移運動壁面、輪胎為旋轉(zhuǎn)運動壁面、其它路面區(qū)域為非滑移壁面，輪輻部件單獨設(shè)置為RMF旋轉(zhuǎn)域。計算域入口為速度入口邊界、出口為壓力出口邊界、側(cè)面為滑移壁面邊界。


計算體單元規(guī)模為3500萬，網(wǎng)格主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.2 物理模型

本文計算過程采用商用CFD軟件Star-CCM+完成，計算過程分為穩(wěn)態(tài)計算和瞬態(tài)計算兩個階段完成。穩(wěn)態(tài)計算主要物理模型設(shè)置為，分離求解器、定常密度、SST K-Omega模型；瞬態(tài)計算主要物理模型設(shè)置為，分離求解器、定常密度、SST k-Omega Detached Eddy模型、時間步長0.01s。

3.3 結(jié)果處理

計算采用72線程服務(wù)器完成，穩(wěn)態(tài)計算迭代4000次，消耗計算時間約8h ；非定常計算至19s，共消耗計算時間約60h。瞬態(tài)計算中，風阻系數(shù)計算結(jié)果如圖3所示。由于DES方法識別出了渦流結(jié)構(gòu)的時間歷程，因此Cd值計算結(jié)果隨時間的推移發(fā)生了較大幅度的振動。

統(tǒng)計結(jié)果表明，3-10s之間Cd值計算結(jié)果平均值，與3-19s之間平均值的差異在1‰以內(nèi)。因此，后文的所有計算數(shù)據(jù)，均截距瞬態(tài)計算中3-10s間共7s結(jié)果的平均值，作為瞬態(tài)計算Cd值結(jié)果。


4. 計算結(jié)果對比

為了對比整車Cd值計算結(jié)果同試驗結(jié)果的差異，分別計算了基礎(chǔ)狀態(tài)和經(jīng)過局部調(diào)整后的多種狀態(tài)下的Cd值。圖4列出了其中基礎(chǔ)模型、拆除后視鏡、封閉輪輻和封閉機艙進氣?種狀態(tài)下的模型計算結(jié)果同試驗結(jié)果的對比圖。

由圖可見，穩(wěn)態(tài)模型Cd值計算結(jié)果明顯偏低，幅值約0.03-0.04左右；瞬態(tài)模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果更接近，計算誤差在±0.005以內(nèi)。


整車模型中有、無某零部件情況下整車Cd值的差異，可作為該零部件對整車Cd值的影響。圖5所示為機艙底護板、電池導(dǎo)流板、氣壩、后視鏡和機艙冷卻氣流，共5種部件對風阻影響的計算結(jié)果和試驗結(jié)果的對比。


由圖可見，計算結(jié)果雖然可以正確的預(yù)測各部件對風阻的影響趨勢，但是計算結(jié)果與試驗結(jié)果的具體數(shù)值之間存在較大的差異。相對于穩(wěn)態(tài)計算，瞬態(tài)計算在預(yù)測局部流場變化對整車Cd 的影響方面，并沒有明顯優(yōu)勢。

5. 結(jié)論

上文的分析結(jié)果表明，基于DES方法進行全細節(jié)模型的外流場CFD計算，已經(jīng)基本可以用于工程實踐之中。具體結(jié)論如下：

(1) 基于DES方法計算得到的整車風阻系數(shù)，比傳統(tǒng)的RANS方法精度更高；

(2) 在預(yù)測局部流場變化對整車Cd的影響方面，DES方法沒有明顯優(yōu)勢；

(3) 在計算規(guī)模相當?shù)那疤嵯?，DES方法所需的計算時間是RANS方法的5倍以上。

(4) 在工程應(yīng)用上，應(yīng)該將RANS方法用于主要關(guān)注相對值的大量參數(shù)研究中，DES方法用于對開發(fā)車型進行階段性的實車風阻系數(shù)預(yù)測。

作者：李 濤1
北京新能源汽車股份有限公司