【正文】 安全性、操縱性、舒適性等，還會間接地影響汽車的外觀及審美的流行趨勢[1]。在這六個分量中，汽車空氣阻力所消耗的動力和滾動摩擦所消耗的動力是大小相當?shù)?，因此氣動阻力系?shù)就成為了衡量汽車空氣動力性能的最基本的一個參數(shù)，也就是說如何降低汽車的空氣阻力系數(shù)成為汽車空氣動力學最重要的一項研究內容。因此，將汽車車身緊湊化和流線形化是改善汽車氣動性能最主要的兩種方法。不同的氣動造型會給車身帶來不同的氣動力效應，從而影響到汽車的各項行駛性能。世界汽車造型的發(fā)展基本與降低風阻系數(shù)的技術研究同步，從箱型、流線型、船型到魚型和契型，每一次造型風格變化都帶來了風阻系數(shù)的大幅降低[4]。不合理的氣動造型設計將會造成發(fā)飄、轉向性能變差等操縱失調問題[5]。在壓差阻力中，根據(jù)車尾結構的不同前后壓差分配有所不同，但一般而言，其中百分之十來自于車身前端，而高達九成來自車身的尾部。從氣動阻 力的產生機理來看，它是由形 阻和渦阻構成，渦阻占40% 左右，主要來自于汽車的尾渦[6]。因此，給汽車安裝一個合適的擾流板，就可以改善汽車尾流的結構和形態(tài)，這樣就可以有效地減小汽車的氣動升力和誘導阻力，從而改善汽車的空氣動力特性。由于汽車的風洞實驗對車身空氣動力性能有非常好的預測性，所以風洞試驗已經是汽車設計中非常重要的流程之一，但是它也有流程復雜、費用高、周期長等明顯缺點。由于數(shù)值計算方法具有效率高、成本低、應用范圍廣等優(yōu)點，從而得以迅速地發(fā)展。 國內外發(fā)展狀況從二十世紀六十年代以來，歐美等一些發(fā)達國家的CFD技術得到迅速發(fā)展。目前國外用CFD對航空、汽車等領域產品進行設計、分析、優(yōu)化已經成為必經的步驟和重要手段[9]。近些年以來，歐洲、美國、日本的一些汽車廠家已經開始致力于開發(fā)和利用 CFD 技術，并且已經取得了非常多的科研成果。在精度方面，計算精度誤差已經可以降到5%以內[10]。因為計算所得到的數(shù)據(jù)是非常龐大的，計算機可以運用可視化技術將數(shù)字信息轉化為圖形或動畫，這十分有利于研究人員對數(shù)據(jù)的分析和理解。逐步認識到數(shù)值仿真在汽車車身設計中的重要性。國內對于汽車空氣動力學數(shù)值模擬的研究則是從上世紀九十年代開始的，許多研究院借鑒以前在航空、造船方面的經驗，比較成功地運用二維和三維的方式模擬了汽車的外流場。目前，采用CFD軟件進行日常的設計和分析已經成為許多企業(yè)非常重要的流程之一。 畢業(yè)設計的主要內容本文以河北工業(yè)大學AREI賽車為研究對象，通過CATIA建立賽車的三維模型，應用ICEM軟件做模型的前處理工作，即進行模型的網格劃分，通過FLUENT進行CFD模擬計算以及后期分析工作。將兩次模擬結果進行對比。2 汽車外流場分析的理論基礎 引言汽車外流場分析涉及汽車車身造型、空氣動力學、計算機模擬仿真等領域。具體包括汽車氣動力、負升力產生原理、負升力對操縱穩(wěn)定性的影響、負升力翼的設計原理、湍流模型理論及數(shù)值計算方法等。氣動阻力的方向是平行于賽車行駛方向指向車后方（x 軸方向）；氣動側向力是賽車y 軸方向的力；氣動升力是垂直于地面向上的力（z 軸方向），當然，下壓力就是z軸方向的力。 賽車氣動力示意圖定義氣動阻力Fd為： 氣動升力Fl為： 氣動側向力Fy為： 式中A 是迎風面積，V 為車速，ρ為空氣密度，C 分別為阻力系數(shù)、升力系數(shù)和側向力系數(shù)。 負升力產生原理歐拉建立的伯努利方程可以表述為： 其中P為壓強，為流體，密度V為流速，C為常數(shù)?？諝饬鬟^機翼時，氣體在機翼前部分離為上下兩部分，這兩部分空氣最后在翼片的末端重新匯聚到一起。 負升力產生原理賽車上的負升力翼與飛機上的機翼的基本原理是相同的，但不同的是，飛機飛行需要的是機翼產生向上抬升的力，而賽車則恰恰相反，賽車需要緊貼地面也就是其負升力翼需要產生向下壓制的力。 負升力與操縱穩(wěn)定性，G是賽車的車重，NL、NR分別為左右輪所受地 面的支 持 力，YL、YR分別為左右輪所受地面的側 向 力，F(xiàn)c是慣 性 離 心 力，G’是氣動組件所受的氣 動 負 升 力，B是賽 車 輪 距、h是賽 車質 心 高 度、R是轉 彎 半 徑。 空氣動力學套件 升力翼賽車行駛過程中產生的下壓力主要來源于前翼、尾翼及擴散器。因此，升力翼設計的好壞直接決定了賽車的空氣動力學性能。(a)是對稱翼型，(b)是彎曲翼型。 翼展與攻角示意圖 翼型弦長與厚度示意圖2）影響升力翼氣動升力的因素影響升力翼氣動升力的因素有很多，總的來說，有如下幾個結論：（1）， 翼型氣動升力系數(shù)隨攻角增大而增大，且呈線性關系；并且在攻角相同的情況下，彎曲翼型氣動升力系數(shù)比對稱翼型大。由結論1可知，隨著升力翼攻角增加，氣動升力系數(shù)CL也隨之增加，但是攻角達到一定角度之后，CL值不再增加，甚至開始下降。不僅如此，氣流脫落后在升力翼后方形成漩渦，漩渦生成、旋轉、脫落，會消耗大量的能量，從而增大氣動阻力。這是因為更大的厚弦比能使升力翼獲得更大的失速迎角，所以氣動升力系數(shù)最大值也相應增加。從圖中還可發(fā)現(xiàn)，隨雷諾數(shù)增加，曲線整體上移。同時在F1賽車中，前負升力翼能夠提供給賽車的下壓力約占賽車總下壓力的30%，這對F1賽車來說是十分重要的。且前輪為轉向輪，如果前輪沒有足夠的下壓力，就不能與地面充分地接觸，車手對賽車的操控可能不能完全傳遞到地面，其中最常出現(xiàn)的狀況就是轉向不足。這兩種狀況均會降低賽車的操縱穩(wěn)定性。后負升力翼和車身表面之間的距離和后負升力翼離地高度是兩個很重要的參數(shù)。：離地高度越大，其升力系數(shù)值越小；當 h/c≥1 后，升力系數(shù)值基本不變。數(shù)值方法實際上就是離散化和代數(shù)化[14]。這種技術同計算機輔助造型技術相結合，可以更加經濟、迅速、實用地應用于汽車造型的設計之中。所以試驗并不能完全由數(shù)值計算所替代，試驗對于校正和檢驗CFD 結果是非常必要的[15]。比較常用的湍流模型包括：SpalartAllmaras模型、kε模型、kω模型、雷諾應力模型（RSM）、大渦模擬模型（LES）[16]。要根據(jù)不同條件的適用范圍來選擇不同的湍流模型。即使考慮逆風行駛的情況，作用在汽車車身表面的空氣流速也是遠遠低于音速的。因為汽車的運動可以看作是對空氣平順流動的一種破壞，所以說車輛外表面與氣流的相互作用使得車身周圍的流場十分復雜，氣流的方向和流速都會有較大的變化，因此這里的湍流模型采用kε模型。需要求解湍動能和耗散率方程兩個值：湍流動能方程——k方程是一個精確方程，而湍流耗散率方程——ε方程是一個由經驗得到的方程。湍動動能k方程： 湍動能耗散率ε： 其中——層流黏性系數(shù)； ——湍流黏性系數(shù)，； ——由層流速度梯度產生的湍流動能； ——由浮力產生的湍流動能； 、和——經驗常數(shù)； ——湍流常數(shù)。kε模型假定流場完全是湍流，分子間的黏性可以忽略。模型的常量是對空氣、水的基本湍流試驗而得來的，F(xiàn)LUENT軟件一般取值為=，=，=，=，=。本文所采用的方法是有限體積法來進行數(shù)值求解。離散方程的有四種常用方法分別是：泰勒級數(shù)展開法、多項式擬合法、控制體體積積分法與控制體體積平衡法[19]。它的特點是：該法得到的結果在任何一組控制體積內，如質量、動量等一些滿足守恒律的物理量的積分守恒性都可以得到滿足。目前國外汽車領域采用的計算流體力學的商用軟件如PHOENICS、STARCD、CFX、FLUENT 等大都采用有限體積法。1) 去掉后懸架雙橫臂桿、轉向橫拉桿等對流場干擾相對較小的桿件；2) 添加駕駛員模型，圓球位置是駕駛員實際坐在駕駛艙時頭部的位置，圓球尺寸跟駕駛員頭盔尺寸一致。4) 將輪胎簡化為圓柱型，尺寸參照實際輪胎尺寸。凸臺既模擬了賽車輪胎的承重變形，又改善了車輪與地面處相接處的網格質量。 簡化后車身模型