目的及意义

当车辆在行驶时，所受的空气阻力和它与空气的相对速度的平方成正比，若一辆车的外形设计不好，那它的稳定性和经济型都会大打折扣。因此，汽车的空气动力特性已成为评价汽车的重要指标之一。宝骏作为通用在华第四大品牌，一直以国际品质为标杆，自上市以来凭借其泛亚技术研发中心的优异设计的动感外观；通用全球统一生产标准和零配件采购；整车较高的操控性和安全性而被大众认可。同时宝骏汽车在减小空气阻力的理想汽车外形这方面有一定的研究和应用，但受经济状况和自主开放能力等条件的制约还不能很好的运用空气动力特性进行汽车造型设计。因此，本文致力于较系统的运用空气动力特性进行五菱宝骏汽车外形设计及分析，并对造型结果进行评价以提高产品设计水平。

1.国内汽车外形设计与空气动力特性的研究现状

由于国内的汽车工业发展一直比较落后，汽车空气动力学的研究起步较晚， 通过对航空实验中的一些风洞经验的借鉴和近些年来的发展，某些成果已经达到 了实用水平，但总体还处于起步阶段，尤其是计算流体力学技术在汽车设计中的 应用更是近几年来才刚刚出现，对汽车外流场的数值模拟就更少了。从 80 年代起，长春汽车研究所的傅立敏将国外汽车空气动力学的研究方法 在国内进行介绍。80年代中后期，湖南大学的谷正气、吉林大学的马方武等分别对JT6120豪华型大客车和红旗轿车进行了包括风洞实验在内的汽车空气动力学研究。90年代开始，湖南大学的姜乐华、张丕付在谷正气的研究基础上对汽车计算流体力学做了进一步的探索。1996年,张丕付完成了汽车CAD数据的反向工程，由三维坐标测量仪所测数据还原成汽车CAD数据，并在此基础上生成高质量的三维贴体正交网格。1997年，姜乐华博士提出一种非均匀参数空间上生成表面网格的方法，开发相应的表面网格生成软件3DGRID，它可以生成正交的和光滑的表面网格，网格的疏密分布可以根据具体需要来调整，并进行了汽车外流场的三维数值计算，系统的完成了从建模、网格生成、数值计算到结果评估整个汽车计算流体力学的全过程[4][5]。中国空气动力学研究与发展中心和东风汽车工程研究院合作，共同开发了轿车空气动力学计算软件WS3D及前后处理软件 CFDPre—post，进行了小轿车外流场的数值计算与分析，求解了雷诺平均 N-S方程,其湍流模型采用了标准的 K 模型、修正的两种模型及亚格子模型的大涡模拟三种模型。利用这套系统，可读入车身的CAD模型，由现有的有限元前后处理技术在车身表面建立有限元网格，并用已开发的前处理功能自动生成整个流场的CFD(Computational Fluid Dynamics)模型，用该系统求解使该模型的结果可视化。由于有了较方便的前后处理技术，可在2-4周内完成对汽车外流场的模拟计算。把计算结果与试验结果进行了比较，除了后凹背部之外，计算结果与试验结果符合得很好；但在后凹背部，计算结果与试验结果相差很大。把该软件计算数据与FLOW 3D软件的计算结果相比较，前者优于后者。目前，该软件已经服务于东风汽车公司[6][7][8]。

武汉理工大学应用CFD 方法进行了车辆外流场的数值模拟，可以获得任意截面与位置的流速、压力等参数，不仅可以求得气动阻力等车辆空气动力学特性参数的大小，而且可以进一步分解各个组成部分。在数值模拟中考虑了气体的可压缩性以提高计算精度。应用组合网格划分方法，自行开发了大规模的三维流动数值模拟计算软件3D-Flows，并通过试验的验证，同时在实用方面也作了较大的努力[9] 。清华大学的张扬军对各种常规湍流模型在汽车外流场中的应用进行了详细的比较，并且进行了混合网格技术以及地面效应对汽车外流场影响的研究。长沙理工大学与吉林大学合作，对轿车外流场进行了二维数值模拟，采用 CFD 方法求解 N-S 方程，模拟了轿车外流场，计算结果与风洞试验结果基本一致。

2.国外汽车外形设计与空气动力特性的研究现状

由于汽车工业起源于欧美国家，技术的发展和成熟也始于欧美国家，汽车设 计与空气动力学的研究和应用水平也高度发达。近年来，随着计算机的发展和湍流理论的不断发展，从70年代末、80年代初以欧美为中心开始的研究机构和人员，将汽车计算流体动力学应用于汽车工程设计，且随着技术的进步，将计算流体力学的成果应用于汽车设计已成为可能。欧美日汽车厂家在利用CFD进行汽车车身设计开发方面已经取得了许多重要的进展[10]。1974 年，L.G.Staffor 应用涡格法模拟汽车尾流，并考虑气动升力，得到表面压力分布与试验趋于一致。 1975 年，Janssen和Hucho在开发Volkswagen Golf I轿车时，发现车身后部的倾斜影响汽车阻力。1984 年，Ahmed 等利用一基本车身对此进行了详细的试验研究。1982年至1983年，Schmidt和Markatos分别应用有限差分法、有限体积法和有限元法求解Navier-Stokes方程来模拟轿车的绕流。这种方法在当时要求计算机容量大、速度快，而且要有一个合适的紊流模型以及需在车身表面附近划分足够细的网格，它较适合于高雷诺数流体的模拟。1983年，Peake和Tobak 曾把对雷诺数影响很小的大涡模拟方法应用于汽车绕流的模拟。同年，J.Michael和Biran Maskew 采用粘流/势流迭代计算方法对多种车身造型进行模拟。计算结果表明：在气流未发生分离的区域压强分布可精确模拟，对仅在车身后缘和底部产生气流分离的简化模型其升力趋向比较合理，但车底部压强分布的预测结果只有部分车型与试验结果一致，对大部分车型而言，尾流模型还有待改进。Buchheim(1988)采用面元法计算典型车身的绕流流场，模拟了敞开、封闭和尾迹体三种不同汽车后部形式的流动。计算得出的封闭形式汽车后部的流动为附着流动，这与实际情况是不相符的，特别是在车身底部的计算结果同实验结果差别较大。日本马自达汽车公司 Hashiguchi(1989)利用DNS法模拟出车身后背倾角的临界特征，发现在某一临界倾角附近气流流谱和阻力都将出现显著变化。1995 年，德国Dilgen应用分区法对某车身绕流进行了分析。通过迭代计算了确定尾迹分离区边界，由于车身浸入尾迹区中，所以没有计算车身后部压力。 德国 Suttgart大学Krukow(1995)运用和Dilgen同样假设下，采用 Euler/边界层方程组对汽车外部流场进行了仿真。德国大众汽车公司 Wustenberg和 Hupertz(1995)应用 VW-IKARUS 程序，对长 4.6m，来流 Re数 9.7× 106的客货两用车后车窗/箱盖处的分离流动进行了仿真计算。用 FVM 法求解 RANS 方程组，湍流模型壁面附近进行了低雷诺数修正的模型。计算采用536万多结构网格，沿壁面向外网格具有近4万层，法向间距仅 0.02mm，CRAYY-MP8128 上运行时间达 20.15h。在计算出的总体性 能同试验结果符合得较好，但在前车窗/车顶、后车窗/箱盖处的计算结果同试验 结果有一定差距。前者可能由于风洞试验中存在漏流涡，后者则是由于尚未完善 的湍流模型不能正确预测分离的起始位置。 此外，马自达 Kawaguchi(1989)、Nouzawa(1990)、尼桑汽车公司 Ono(1992)、 三菱汽车公司 China(1995)、宝马公司、奥迪公司等应用自己内部程序或者是商业化软件如:FLUENT、STAR-CD 等等均在这方面做了大量工作，总结了许多计 算经验，逐步认识了数值仿真在汽车车身设计流程中的重要性。近几年开始，人们逐步认识到通用的湍流模型和常规的数值技术已不再满足精确模拟汽车流场的需要。Volvo公司的 Andreas Borg(2003)对附带轮胎、后视镜的实际汽车模型运用 Suga 的低雷诺数模型进行计算，对比常规的壁函数方法，发现其结果在汽车后部分离区域有着更为准确的压力值。2008年英国杜汉姆大学，以 CFD 理论为基础利用二维模型研究了汽车超车时的瞬态空气动力学，捕获了在超车瞬间的空气回流状况[11] 。2009 年美国的 Reza Ghias and Ashok Khondge 用沉浸边界法实现汽车的快速和可靠的外部流量模拟，得出了具有复杂几何形状车辆的前端流场模拟的结果与相应的传统的贴体模拟数据，并进行评估[12] 。2010 年日本的 Kenichi Ando 团队以 CFD 理论为基础研究汽车的空气动力学，采用计算流体力学的优化方法，进行气动汽车造型设计。2010 年日本的 Makoto Tsubokura 团队基于大涡模拟技术利用耦合运动分析的一个重型卡车受到侧风， 得出了不稳定的空气动力学下车辆实际行驶工况等突发侧风或车辆的动态响应状况[13][14]。

目前,车身造型作为汽车设计的一个重要环节,受到汽车制造者前所未有的关注。现代风洞技术的发展,以及计算机、数控机器在汽车车身设计中的应用,为车身造型实现空气动力性最优化提供了有力保证，而寻求真正适应汽车外流场的湍流模型也正是国外汽车同行的研究方向。

2. 研究的基本内容与方案

研究目标、主要内容、拟采用的研究方法和技术路线