基于DES 的乘用车外流场计算方法

摘要：本文将近10余年来逐渐兴起的分离涡模拟（DES）方法，用于全细节乘用车模型的风阻系数计算，探索了其模型设置和结果处理方法。将DES计算结果同雷诺时均模拟（RANS）方法计算结果、风洞试验结果进行了对比研究。结果表明，虽然DES方法所需的计算资源更多，在预测局部流场变化对风阻的影响上优势不明显，但其整车风阻系数计算精度明显优于RANS方法。本文的研究结果，可以为CFD工具在乘用车风阻系数开发过程中的工程应用提供参考。

1. 引言

工程上评估汽车空气动力学性能的试验方法，是风洞试验和道路测试。但是，缩小比例模型的风洞测试结果会产生很多的不确定性，这些不确定性与其低雷诺数、模型的逼真程度、发动机冷却和乘员舱气流的简化、洞壁边界层、模型支撑装置、模型和尾流的阻塞作用、传感器对气流的扰动作用等因素有关。即使对于实车或者全尺寸模型风洞试验而言，受风洞测试段尺寸和地面移动装置无法完全复现下部流场等因素的影响，风洞试验模拟的真实性也受到一定限制。并且全尺寸汽车风洞（及其测试设备）的建设和运行都非常昂贵。虽然道路实验代表了对车辆使用环境的最真实模拟，但是与试验过程中风环境的不断变化有关的试验差异，经常使得结果存在很多争议。需要付出巨大的努力，才可以确保道路实验的结果有意义[1]。

目前，应用CFD（ComputationalFluidDynamics）方法来模拟汽车风洞测试，得到了越来越多的关注和应用。在工程应用上，CFD正在逐渐的成为汽车空气动力学设计的一种基础工具，被用于大量的参数研究和预测形状改变对流场特征的影响趋势，而风洞更多的被用于验证和预测模型细节的影响、或者对整个流体域的整体复现[2]。CFD方法在工程上的另一种应用，是通过试验前的计划、试验中的诊断和试验后的评估，来高效的推进风洞实验的实施。尽管这并不一定减少风洞实验的时间，但是它可以帮助保证消耗在风洞中的时间更加的合理。

计算机内存和计算速度的限制，以及计算模型中某些物理现象信息的缺失，常常会制约CFD方法的预测能力。随着CFD基础理论的研究进展、商业CFD软件的更新换代以及计算硬件性能的不断提升，探索新的汽车外流场CFD计算方案、提升CFD方法的工程应用价值，是摆在汽车空气动力学工程师面前的重要课题。

2. 汽车外流场特点及本文研究目的

围绕汽车外部流场的典型特征是：三维、流动方向的垂直方向上存在陡峭的压力梯度，流场中存在大量的或大或小的分离流动区域。其中，较小的封闭的分离流动区域，主要发生如后视镜、门把手、雨刮器、发罩与风挡玻璃连接处等车身附件部位。更大的分离流动区域，主要发生在A柱、车身后端、车身下侧和轮胎腔中。另外，车轮的旋转和车身离地间隙等特征的作用，会强烈的影响车辆下部和侧面气流。因此，分离流动和地面效应，是CFD方法应用于汽车空气动力学时必须要特别关注的问题。



在汽车外流场CFD仿真工作中，湍流模型扮演了关键性的角色，并且直接的影响计算精度和计算资源需求。目前，工程常用的计算方法为RANS方法（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations）。DES方法（Detached Eddy Simulation-DES），是一种混合了RANS和LES（Large Eddy Simulation）的计算方法。它是一种三维的瞬态数值求解方法，应用单方程湍流模型。此方程在网格足够细的区域为LES方法的亚格子尺度模型，在其它区域为RANS模型。近10余年来，国内外学者已经开始探索将DES方法用于汽车风阻系数的计算中[3,4]。研究结果表明DES方法在处理非定常流动和捕捉涡流结构方面优势明显, 更能真实地反应汽车外流场的复杂特征。但是，这些应用主要集中在道路车辆的通用模型或简化模型上。

本文将针对一款小型乘用车的全细节CFD计算模型，分别应用RANS方法和DES方法计算其风阻系数，并与风洞试验结果进行对比研究。本文中试验结果来源于上海地面交通工具风洞中心的测试结果。

3. 计算模型简述

3.1 网格策略及计算边界

计算模型如图2所示，计算模型为某款小型纯电动汽车，模型包括机舱内部和车身下部部件在内的所有细节。为了尽量复现风洞试验结果，将车前部地面设置为滑移壁面、地面移动带区域为平移运动壁面、轮胎为旋转运动壁面、其它路面区域为非滑移壁面，轮辐部件单独设置为RMF旋转域。计算域入口为速度入口边界、出口为压力出口边界、侧面为滑移壁面边界。


计算体单元规模为3500万，网格主要参数设置如表1所示。

3.2 物理模型

本文计算过程采用商用CFD软件Star-CCM+完成，计算过程分为稳态计算和瞬态计算两个阶段完成。稳态计算主要物理模型设置为，分离求解器、定常密度、SST K-Omega模型；瞬态计算主要物理模型设置为，分离求解器、定常密度、SST k-Omega Detached Eddy模型、时间步长0.01s。

3.3 结果处理

计算采用72线程服务器完成，稳态计算迭代4000次，消耗计算时间约8h ；非定常计算至19s，共消耗计算时间约60h。瞬态计算中，风阻系数计算结果如图3所示。由于DES方法识别出了涡流结构的时间历程，因此Cd值计算结果随时间的推移发生了较大幅度的振动。

统计结果表明，3-10s之间Cd值计算结果平均值，与3-19s之间平均值的差异在1‰以内。因此，后文的所有计算数据，均截距瞬态计算中3-10s间共7s结果的平均值，作为瞬态计算Cd值结果。


4. 计算结果对比

为了对比整车Cd值计算结果同试验结果的差异，分别计算了基础状态和经过局部调整后的多种状态下的Cd值。图4列出了其中基础模型、拆除后视镜、封闭轮辐和封闭机舱进气种状态下的模型计算结果同试验结果的对比图。

由图可见，稳态模型Cd值计算结果明显偏低，幅值约0.03-0.04左右；瞬态模型计算结果与试验结果更接近，计算误差在±0.005以内。


整车模型中有、无某零部件情况下整车Cd值的差异，可作为该零部件对整车Cd值的影响。图5所示为机舱底护板、电池导流板、气坝、后视镜和机舱冷却气流，共5种部件对风阻影响的计算结果和试验结果的对比。


由图可见，计算结果虽然可以正确的预测各部件对风阻的影响趋势，但是计算结果与试验结果的具体数值之间存在较大的差异。相对于稳态计算，瞬态计算在预测局部流场变化对整车Cd 的影响方面，并没有明显优势。

5. 结论

上文的分析结果表明，基于DES方法进行全细节模型的外流场CFD计算，已经基本可以用于工程实践之中。具体结论如下：

(1) 基于DES方法计算得到的整车风阻系数，比传统的RANS方法精度更高；

(2) 在预测局部流场变化对整车Cd的影响方面，DES方法没有明显优势；

(3) 在计算规模相当的前提下，DES方法所需的计算时间是RANS方法的5倍以上。

(4) 在工程应用上，应该将RANS方法用于主要关注相对值的大量参数研究中，DES方法用于对开发车型进行阶段性的实车风阻系数预测。

作者：李 涛1
北京新能源汽车股份有限公司