基于STAR-CCM+的皮卡车外流场研究

李 旭,张 震,崔行振

（山东科技大学 交通学院,山东 青岛 266590）

基于STAR-CCM+的皮卡车外流场研究

李 旭,张 震,崔行振

（山东科技大学 交通学院,山东 青岛 266590）

基于皮卡车模型，本文采用六面体与三棱柱混合的网格策略，应用两种网格密度进行皮卡车外流场仿真计算，并与风洞实验数据进行比较研究。结果表明：该网格策略的计算精度得到有效改善，而且能够更好的模拟车尾处的涡系和捕捉边界层处的分离现象；在合理的壁面函数范围内，适当减小网格尺寸，可以有效改善计算精度。

空气动力学；皮卡车；网格策略；CFD

0 引言

汽车外流场数值网格生成是为了适应数值求解汽车周围流场区域上的偏微分方程而开展的[1]。目前，很多的汽车外流场仿真计算都采用了四面体网格，在四面体网格生成算法中，比较有代表性的有Delaunay方法和前沿推进方法[2]。与四面体网格相比，六面体网格克服了传统网格的诸多缺点，使梯度的计算和流动状况预测更准确[3]。为了探讨网格策略对皮卡车外流场仿真精度的影响，应用两种网格策略对皮卡车外流场进行仿真计算并与实验数据进行了综合比较。

1 数值模拟计算

1.1 计算域的选择

应用CATIA完成皮卡车半车模型，为了与实验结果进行比较，首先按照1:12的比例建立模型，该模型的长、宽、高分别为432mm、152mm、148.8mm。为了提高计算精度，忽略掉后视镜、门把手等表面附件，简化皮卡车底部结构。设置皮卡车外流场计算域为[4]：入口距车前端3倍车长，出口距车后端7倍车长，总高度为5倍车高，总宽度为7倍车宽。

由于SST k-ω模型可以充分发挥k-ε二模型对自由流和k-ω模型对壁面受限流动的处理优势[5]。因此，本文采用SST k-ω模型进行仿真。设置边界条件：入口为速度入口（V=30m/s），出口为自由条件，对称面为对称边界，其余壁面为无滑移壁面边界。

1.2 六面体与三棱柱的混合策略

与四面体网格相比，同样尺寸的六面体网格具有网格数量少、质量高、收敛快、计算时间少的优点。如何能够充分发挥六面体网格的优势，就可以达到非常理想的计算结果。因此，采取如下网格策略：在车身表面应用三棱柱，外侧应用六面体单元。近壁面网格尺寸分别设置为3 mm和1 mm，得到的网格数量分别为486万和551万。

2 数值模拟结果分析

2.1 仿真计算对比

通过STAR-CCM+仿真计算可得，网格尺寸分别为3 mm和1 mm的网格模型的Cd分别为0.478和0.445。从Cd的结果上看，当该混合网格策略的近壁面网格尺寸从3mm变为1mm时，与风洞数据0.450对比可见：仿真误差分别为6.2%和1.1%。

2.2 表面压力分布及压力梯度变化

图1为网格尺寸是1mm的车身表面压强图，由图可见，其车头前部和前风窗处存在较大的正压区，同时发动机罩上和顶棚处存在较大的负压区。

由图1的压力梯度分布可以清晰的看出皮卡车后的尾流有一部分在后车厢内发展，然后进入车身后部与尾部气流汇合，形成了与普通轿车不一样的压力分布。同时，可以看出在皮卡车的后车厢内存在一个较大尺度的涡流，该涡流得到了充分的发展，其直径相当的大，这一特点与轿车外流场非常的不同。涡流的存在必然要消耗能量，在宏观上表现为阻力系数（Cd）升高。

2.3 车身尾部分离区速度矢量分析

由图1的压力分布及剖面压力梯度图分析，这里只给出该策略加密网格的尾部分离区速度矢量分布图。前人的研究表明，皮卡车尾部的涡系是由车顶部气流的向下运动以及后车厢内的涡流运动共同形成的。由图2可见，在网格加密以后，清晰的模拟出了车厢内和车尾处的涡系，而且捕捉到了边界层分离现象，同时捕捉到了尾部典型的一大一小的反向尾，其结果如图2。通过与皮卡车模型的风洞PIV试验结果对比，验证了该网格策略的准确性。

3 结束语

基于皮卡车模型，应用六面体与三棱柱混合策略，应用两种网格密度对皮卡车外流场进行数值模拟，得出以下结论：六面体与三棱柱混合策略得到了较为理想的计算结果。当网格加密以后，更加清晰的模拟出了车厢内和车尾处的涡系，而且捕捉到了边界层分离现象；选取合适的近壁面网格尺寸可以有效提高计算精度。

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[3]Lamarque J F,Shindell D T,Josse B,et al.The Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project (ACCMIP):overview and description of models, simulations and climate diagnostics[J].Geoscientific Model Development,2013,6(01):179-206.

[4]李广辉,康宁,李海峰.离散格式及半隐式算法对直背式轿车外流场数值计算精度影响的研究[J].车辆与动力技术,2006(01):32-36.

[5]李映坤,韩珺礼,陈雄等.基于SST湍流模型的模拟SRM内流场数值仿真[J].固体火箭技术,2014(05):186-203.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.170

李旭(1970-),女,山东淄博人,副教授,研究方向：汽车车身智能化和车身装配质量控制。