微型客車外流場數(shù)值模擬：方法、影響因素與應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義在汽車工程領(lǐng)域，汽車的空氣動(dòng)力性能是衡量汽車整體性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，對汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性以及舒適性等方面都有著極其重要的影響。隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，車輛行駛速度不斷提升，空氣動(dòng)力學(xué)因素在汽車性能表現(xiàn)中的作用愈發(fā)顯著。從動(dòng)力性角度來看，當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，空氣阻力成為影響加速性能和最高車速的關(guān)鍵因素。若汽車的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)不合理，巨大的空氣阻力會(huì)嚴(yán)重阻礙車輛的加速進(jìn)程，使車速提升困難。而經(jīng)過精心優(yōu)化的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，能夠有效降低空氣阻力，讓發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力更多地用于推動(dòng)車輛前進(jìn)，顯著提升高速時(shí)的加速性能，同時(shí)也有助于車輛突破更高的速度極限。例如，一些高性能跑車通過極致的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，在高速行駛時(shí)仍能保持出色的加速能力，并達(dá)到令人矚目的最高車速。在燃油經(jīng)濟(jì)性方面，隨著車速的增加，用于克服空氣阻力所消耗的能量占比大幅上升。有研究數(shù)據(jù)表明，對于風(fēng)阻系數(shù)與迎風(fēng)面積乘積（CdA）為0.8m2的轎車，當(dāng)車速為65km/h時(shí)，55%的能量用于克服空氣阻力；當(dāng)車速提升至90km/h時(shí)，這一比例更是高達(dá)70%。不同轎車因空氣動(dòng)力性能的差異，空氣阻力能相差30%，燃油經(jīng)濟(jì)性相差12%以上。這充分說明，優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，如采用平滑的車身曲線、減少不必要的突出物等方式降低風(fēng)阻系數(shù)，可有效減少車輛行駛過程中需要克服的空氣阻力，降低發(fā)動(dòng)機(jī)做功時(shí)的燃油消耗，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低碳排放，既為車主節(jié)省了燃油成本，又對環(huán)保事業(yè)做出了積極貢獻(xiàn)。汽車的操控穩(wěn)定性同樣與空氣動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。優(yōu)化后的車身輪廓能夠顯著減少側(cè)風(fēng)對車輛的影響，降低車輛在行駛過程中因側(cè)風(fēng)而發(fā)生偏移的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，導(dǎo)流板、擾流翼等空氣動(dòng)力學(xué)部件的合理設(shè)置，能夠優(yōu)化車輛的下壓力分布。以尾翼為例，它能夠產(chǎn)生向下的壓力，使車輛后部更緊密地貼合路面，增強(qiáng)輪胎與地面的摩擦力，即抓地力。在高速過彎時(shí)，強(qiáng)大的抓地力能夠讓車輛更加穩(wěn)定地通過彎道，減少側(cè)滑和失控的風(fēng)險(xiǎn)。擴(kuò)散器則通過加速車底氣流，降低車底氣壓，與尾翼等部件相互配合，進(jìn)一步確保車輛在高速行駛時(shí)的整體穩(wěn)定性。微型客車作為汽車領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，具有獨(dú)特的造型特點(diǎn)和應(yīng)用場景。與轎車等其他車型相比，微型客車通常具有重心高、輪距短、側(cè)面迎風(fēng)面積大等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得微型客車在行駛過程中，尤其是在高速行駛或與大型車會(huì)車時(shí)，更容易受到空氣動(dòng)力學(xué)因素的影響。例如，在高速行駛時(shí)，微型客車可能會(huì)因空氣升力過大而導(dǎo)致輪胎與地面的附著力減小，影響操控穩(wěn)定性和制動(dòng)性能；在與大型車會(huì)車時(shí)，由于側(cè)向風(fēng)的作用，微型客車容易偏離原來的行駛方向，甚至導(dǎo)致操縱失穩(wěn)，形成嚴(yán)重的交通安全隱患。由于微型客車主要用于城市短途運(yùn)輸和家庭出行等，其使用頻率較高，行駛工況復(fù)雜多樣。因此，優(yōu)化微型客車的空氣動(dòng)力性能，對于提高其燃油經(jīng)濟(jì)性、降低能耗、減少排放，以及提升行駛安全性和舒適性，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過開展微型客車外流場數(shù)值模擬研究，可以深入了解微型客車在不同行駛工況下的空氣流動(dòng)特性和壓力分布情況，為微型客車的外形設(shè)計(jì)優(yōu)化、空氣動(dòng)力學(xué)部件的研發(fā)提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。同時(shí)，數(shù)值模擬方法還具有成本低、周期短、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)和道路試驗(yàn)的不足，提高研究效率和準(zhǔn)確性。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在汽車空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，數(shù)值模擬技術(shù)已成為研究汽車外流場的重要手段，國內(nèi)外學(xué)者圍繞微型客車外流場數(shù)值模擬展開了多方面研究。國外對汽車外流場數(shù)值模擬的研究起步較早，技術(shù)也相對成熟。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CFD軟件在汽車外流場模擬中的應(yīng)用日益廣泛，且正朝著全自動(dòng)劃分網(wǎng)格、高速高精度計(jì)算的方向不斷邁進(jìn)。在微型客車外流場模擬方面，國外研究注重對復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的精確模擬和物理機(jī)制的深入探究。通過采用先進(jìn)的湍流模型和數(shù)值算法，能夠更準(zhǔn)確地捕捉微型客車外流場中的氣流分離、漩渦生成等復(fù)雜流動(dòng)特征，為微型客車的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論支持。國內(nèi)對CFD的研究起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速，在微型客車外流場數(shù)值模擬領(lǐng)域也取得了一系列成果。眾多學(xué)者針對微型客車的特點(diǎn)，在邊界條件設(shè)定、網(wǎng)格劃分、湍流模型選擇等方面開展了深入研究。在邊界條件研究方面，地面邊界條件對微型客車外流場數(shù)值模擬結(jié)果的影響備受關(guān)注。重慶交通大學(xué)的杜子學(xué)、陳振明在《移動(dòng)地面條件下的微型車外流場數(shù)值模擬研究》中，通過控制地面條件不同，對某微型車進(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)不同的地面邊界條件對汽車的底部流場有很大影響，而對上部流場影響不大；不同的地面邊界條件對汽車的氣動(dòng)升力和前輪的升力影響很大，對氣動(dòng)阻力和后輪升力影響較小；在汽車的外流場數(shù)值模擬中，采用移動(dòng)地面條件可以提高數(shù)值模擬的精度。此外，陳振明在碩士學(xué)位論文《微型客車外流場數(shù)值模擬》中還對兩種地板邊界條件和二十二種不同大小計(jì)算域的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出采用固定地板和移動(dòng)地板兩種不同的地板邊界條件，對微型客車的上部流場影響較小，而對底部流場影響較大等結(jié)論。在網(wǎng)格劃分方面，合理的網(wǎng)格劃分對于提高數(shù)值模擬的精度和效率至關(guān)重要。為滿足幾何形狀、物理性質(zhì)、計(jì)算效率等多重要求，國內(nèi)研究多采用非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格布局，如四面體、六面體和三棱柱混合網(wǎng)格方案。這種網(wǎng)格布局能夠更好地貼合微型客車復(fù)雜的車身外形，準(zhǔn)確捕捉車身表面和周圍流場的流動(dòng)細(xì)節(jié)，同時(shí)在保證計(jì)算精度的前提下，有效減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。在湍流模型選擇上，國內(nèi)學(xué)者針對微型客車外流場的特點(diǎn)進(jìn)行了大量研究和對比分析。不同的湍流模型對微型客車外流場模擬結(jié)果有著不同程度的影響，k-ω模型和Spalart-Allmaras模型等被廣泛應(yīng)用于微型客車氣動(dòng)流模擬中。通過對比不同湍流模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究人員能夠選擇出最適合微型客車外流場模擬的湍流模型，從而提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。部分學(xué)者還利用數(shù)值模擬研究了微型客車在特殊工況下的外流場特性。比如在《基于移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的微型客車會(huì)車外流場模擬研究》中，就首次采用移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對微型客車與大型車高速會(huì)車時(shí)的速度場、壓力場進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真分析研究，結(jié)合微車與大車的實(shí)際會(huì)車工況，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型、物理模型和幾何模型，給出了仿真計(jì)算建模方法和邊界條件，并進(jìn)行了會(huì)車多工況仿真計(jì)算，為微型客車在高速會(huì)車工況下的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算提供了高效、準(zhǔn)確、方便的計(jì)算依據(jù)。盡管國內(nèi)外在微型客車外流場數(shù)值模擬方面取得了一定成果，但仍存在一些問題和挑戰(zhàn)。如數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況之間還存在一定偏差，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善湍流模型、數(shù)值算法以及邊界條件處理方法等；在多物理場耦合作用下的微型客車外流場模擬研究還相對較少，未來需要加強(qiáng)這方面的研究，以更全面地揭示微型客車外流場的復(fù)雜流動(dòng)特性。1.3研究內(nèi)容與方法本文主要通過數(shù)值模擬的方法，對微型客車的外流場進(jìn)行深入研究，具體內(nèi)容如下：建立微型客車的幾何模型：依據(jù)實(shí)際微型客車的尺寸和外形特征，利用專業(yè)的三維建模軟件，精確構(gòu)建微型客車的三維幾何模型。在建模過程中，充分考慮車身的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，如車身的曲面形狀、車窗的位置和形狀、后視鏡的造型等，確保模型能夠真實(shí)反映微型客車的實(shí)際外形。同時(shí)，對一些對空氣動(dòng)力學(xué)性能影響較小的部件，如車身表面的微小裝飾件、車內(nèi)的一些非關(guān)鍵內(nèi)飾等，進(jìn)行適當(dāng)簡化，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。劃分計(jì)算網(wǎng)格：選用合適的網(wǎng)格劃分軟件，對微型客車外流場計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了準(zhǔn)確捕捉微型客車車身表面和周圍流場的流動(dòng)細(xì)節(jié)，在車身表面和邊界層附近采用加密的網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度；在遠(yuǎn)離車身的區(qū)域，適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算量。通過對不同網(wǎng)格密度和網(wǎng)格類型的測試和比較，選擇最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方案，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足數(shù)值模擬的要求，如網(wǎng)格的正交性、縱橫比等指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)。設(shè)定邊界條件和選擇湍流模型：根據(jù)微型客車的實(shí)際行駛工況，合理設(shè)定計(jì)算域的邊界條件，如入口邊界條件設(shè)置為速度入口，給定微型客車的行駛速度；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口；壁面邊界條件設(shè)置為無滑移邊界條件。同時(shí)，結(jié)合微型客車外流場的特點(diǎn)，選擇合適的湍流模型，如k-ω模型或Spalart-Allmaras模型等，并對湍流模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，以準(zhǔn)確模擬外流場中的湍流流動(dòng)。進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算：將建立好的幾何模型、劃分好的網(wǎng)格以及設(shè)定好的邊界條件和湍流模型導(dǎo)入到CFD軟件中，進(jìn)行微型客車外流場的數(shù)值模擬計(jì)算。在計(jì)算過程中，密切關(guān)注計(jì)算的收斂情況，通過調(diào)整計(jì)算參數(shù)，如松弛因子、迭代步數(shù)等，確保計(jì)算能夠穩(wěn)定收斂，得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。分析模擬結(jié)果：對數(shù)值模擬得到的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，包括微型客車外流場的速度分布、壓力分布、流線圖等，深入了解外流場的流動(dòng)特性和規(guī)律。通過分析模擬結(jié)果，找出微型客車車身表面存在的氣流分離區(qū)域、壓力集中區(qū)域等不利于空氣動(dòng)力性能的部位，并分析其產(chǎn)生的原因。提出優(yōu)化建議：根據(jù)模擬結(jié)果的分析，針對微型客車空氣動(dòng)力性能存在的問題，提出相應(yīng)的優(yōu)化建議，如對車身外形進(jìn)行局部修改，調(diào)整車身的曲面形狀、增加導(dǎo)流板或擾流板等空氣動(dòng)力學(xué)部件，以改善外流場的流動(dòng)特性，降低空氣阻力，提高升力系數(shù)，從而提升微型客車的空氣動(dòng)力性能。本文采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，借助專業(yè)的CFD軟件，如ANSYSFluent、STAR-CCM+等，對微型客車外流場進(jìn)行數(shù)值模擬。同時(shí)，運(yùn)用三維建模軟件，如SolidWorks、CATIA等，建立微型客車的幾何模型；使用網(wǎng)格劃分軟件，如ICEMCFD、HyperMesh等，進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格的劃分。通過理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，深入研究微型客車外流場的空氣動(dòng)力學(xué)特性，為微型客車的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。二、微型客車外流場數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)2.1計(jì)算流體力學(xué)（CFD）基本原理計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是一門結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計(jì)算方法和流體力學(xué)理論，通過數(shù)值求解控制流體流動(dòng)的偏微分方程，對流體流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的學(xué)科。其基本原理是基于質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，將這些物理定律用數(shù)學(xué)方程的形式表達(dá)出來，形成描述流體流動(dòng)的控制方程組。在CFD中，最常用的控制方程是納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，它是一組描述粘性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的偏微分方程。對于不可壓縮流體，連續(xù)性方程可表示為：\frac{\partialu_i}{\partialx_i}=0其中，u_i是速度矢量在i方向的分量，x_i是空間坐標(biāo)在i方向的分量。該方程表明，在流體流動(dòng)過程中，單位時(shí)間內(nèi)流入和流出控制體的質(zhì)量相等，即質(zhì)量守恒。動(dòng)量方程（Navier-Stokes方程）的一般形式為：\rho\frac{\partialu_i}{\partialt}+\rhou_j\frac{\partialu_i}{\partialx_j}=-\frac{\partialp}{\partialx_i}+\mu\frac{\partial^2u_i}{\partialx_j\partialx_j}+f_i式中，\rho為流體密度，t為時(shí)間，p為壓力，\mu為動(dòng)力粘度，f_i為作用在流體微元上的體積力在i方向的分量。方程左邊第一項(xiàng)表示非定常項(xiàng)，反映了速度隨時(shí)間的變化；第二項(xiàng)表示對流項(xiàng)，體現(xiàn)了由于流體流動(dòng)導(dǎo)致的動(dòng)量傳輸；方程右邊第一項(xiàng)為壓力梯度項(xiàng)，第二項(xiàng)為粘性力項(xiàng)，它們共同影響著流體的運(yùn)動(dòng)；第三項(xiàng)為體積力項(xiàng)，例如重力、電磁力等。該方程描述了流體動(dòng)量隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，是CFD的核心方程之一。然而，Navier-Stokes方程是高度非線性的偏微分方程，對于大多數(shù)實(shí)際工程問題，難以獲得解析解。因此，CFD采用數(shù)值方法對控制方程進(jìn)行離散化處理，將連續(xù)的求解區(qū)域劃分為有限個(gè)離散的網(wǎng)格單元，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，然后通過迭代求解這些代數(shù)方程組，得到離散網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的物理量（如速度、壓力等）的近似解，從而實(shí)現(xiàn)對流體流動(dòng)的數(shù)值模擬。在離散化過程中，常用的數(shù)值方法有有限差分法、有限體積法和有限元法等。有限差分法是一種直接將連續(xù)的微分方程轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程的技術(shù)，通過在空間和時(shí)間上對計(jì)算域進(jìn)行離散化，將微分算子替換為差分算子，從而得到近似的數(shù)值解；有限體積法將計(jì)算域劃分為一系列小控制體，并在每個(gè)控制體上對守恒定律進(jìn)行積分，從而得到一組代數(shù)方程組，該方法特別適用于處理復(fù)雜的邊界條件和流體的不連續(xù)性；有限元法則是基于能量最小原理的數(shù)值方法，將計(jì)算域劃分成許多小的元素，并通過選取合適的插值函數(shù)對問題進(jìn)行近似，在處理結(jié)構(gòu)問題時(shí)尤為有效，也能應(yīng)用于流體力學(xué)的計(jì)算。2.2數(shù)值模擬的相關(guān)方程N(yùn)avier-Stokes方程作為描述流體流動(dòng)的基本方程，在汽車外流場模擬中具有核心地位。對于不可壓縮牛頓流體，Navier-Stokes方程是基于動(dòng)量守恒定律推導(dǎo)得出的。其在笛卡爾坐標(biāo)系下的一般形式為：\rho\left(\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz}\right)=-\frac{\partialp}{\partialx}+\mu\left(\frac{\partial^{2}u}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialz^{2}}\right)+\rhof_x\rho\left(\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\frac{\partialv}{\partialz}\right)=-\frac{\partialp}{\partialy}+\mu\left(\frac{\partial^{2}v}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialz^{2}}\right)+\rhof_y\rho\left(\frac{\partialw}{\partialt}+u\frac{\partialw}{\partialx}+v\frac{\partialw}{\partialy}+w\frac{\partialw}{\partialz}\right)=-\frac{\partialp}{\partialz}+\mu\left(\frac{\partial^{2}w}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialz^{2}}\right)+\rhof_z其中，\rho為流體密度，u、v、w分別是速度矢量在x、y、z方向的分量，t為時(shí)間，p為壓力，\mu為動(dòng)力粘度，f_x、f_y、f_z分別為作用在流體微元上的體積力在x、y、z方向的分量。方程左邊表示單位時(shí)間內(nèi)單位體積流體動(dòng)量的變化率，包含了非定常項(xiàng)（\frac{\partialu}{\partialt}、\frac{\partialv}{\partialt}、\frac{\partialw}{\partialt}）和對流項(xiàng)（如u\frac{\partialu}{\partialx}、v\frac{\partialu}{\partialy}等）。非定常項(xiàng)反映了速度隨時(shí)間的變化，對流項(xiàng)體現(xiàn)了由于流體流動(dòng)導(dǎo)致的動(dòng)量傳輸，即流體微團(tuán)在運(yùn)動(dòng)過程中由于速度在空間上的不均勻分布而引起的動(dòng)量變化。方程右邊第一項(xiàng)（-\frac{\partialp}{\partialx}、-\frac{\partialp}{\partialy}、-\frac{\partialp}{\partialz}）為壓力梯度項(xiàng)，表示壓力對流體微元的作用力，壓力差是推動(dòng)流體流動(dòng)的重要因素之一；第二項(xiàng)（\mu\left(\frac{\partial^{2}u}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}u}{\partialz^{2}}\right)、\mu\left(\frac{\partial^{2}v}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}v}{\partialz^{2}}\right)、\mu\left(\frac{\partial^{2}w}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}w}{\partialz^{2}}\right)）為粘性力項(xiàng)，體現(xiàn)了流體內(nèi)部粘性對流動(dòng)的阻礙作用，粘性使得相鄰流體層之間產(chǎn)生摩擦力，影響流體的速度分布；第三項(xiàng)（\rhof_x、\rhof_y、\rhof_z）為體積力項(xiàng)，常見的體積力有重力、電磁力等，在汽車外流場模擬中，若不考慮特殊的外力作用，體積力項(xiàng)通?？珊雎圆挥?jì)。在汽車外流場模擬中，空氣可近似看作不可壓縮牛頓流體，滿足Navier-Stokes方程。通過對該方程的求解，可以得到汽車周圍流場的速度分布、壓力分布等信息，從而深入了解汽車外流場的流動(dòng)特性。然而，由于汽車外形復(fù)雜，外流場存在湍流、邊界層分離等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，直接求解Navier-Stokes方程難度較大。因此，在實(shí)際數(shù)值模擬中，通常需要結(jié)合合適的湍流模型對方程進(jìn)行封閉，并采用有效的數(shù)值方法進(jìn)行離散求解。2.3湍流模型的選擇與應(yīng)用在微型客車外流場數(shù)值模擬中，湍流模型的選擇至關(guān)重要，它直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。湍流是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動(dòng)，在湍流中，流體的物理量，如速度、壓力等，會(huì)在空間和時(shí)間上呈現(xiàn)出隨機(jī)的脈動(dòng)現(xiàn)象。為了準(zhǔn)確模擬這種復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，CFD中發(fā)展了多種湍流模型，不同的湍流模型基于不同的假設(shè)和理論，具有各自的特點(diǎn)和適用范圍。下面將對k-ω模型、Spalart-Allmaras模型等常見湍流模型進(jìn)行分析，探討它們在微型客車外流場模擬中的適用性。k-ω模型是基于Wilcoxk-ω模型發(fā)展而來，該模型是為考慮低雷諾數(shù)、可壓縮性和剪切流傳播而修改的。它屬于二方程模型，通過求解湍動(dòng)能k和比耗散率ω的輸運(yùn)方程來封閉雷諾應(yīng)力，其方程形式如下：\frac{\partial(\rhok)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhoku_j)}{\partialx_j}=\frac{\partial}{\partialx_j}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_k}\right)\frac{\partialk}{\partialx_j}\right]+G_k-Y_k\frac{\partial(\rho\omega)}{\partialt}+\frac{\partial(\rho\omegau_j)}{\partialx_j}=\frac{\partial}{\partialx_j}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_{\omega}}\right)\frac{\partial\omega}{\partialx_j}\right]+\frac{\gamma}{v_t}G_k-\beta\rho\omega^2其中，G_k是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，Y_k是由于擴(kuò)散產(chǎn)生的湍流，\mu_t是湍流粘性系數(shù)，\sigma_k和\sigma_{\omega}分別是k方程和ω方程的湍流Prandtl數(shù)，\gamma和\beta是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。k-ω模型在近壁區(qū)域具有較好的計(jì)算精度，能夠準(zhǔn)確模擬壁面邊界層的流動(dòng)特性，這是因?yàn)樗鼘Ψ肿诱承缘挠绊戇M(jìn)行了較為細(xì)致的考慮，在低雷諾數(shù)區(qū)域表現(xiàn)穩(wěn)定。在微型客車外流場模擬中，車身表面邊界層的流動(dòng)狀態(tài)對整車的空氣動(dòng)力性能有著重要影響，k-ω模型能夠較好地捕捉這一區(qū)域的流動(dòng)細(xì)節(jié)，為分析車身表面的壓力分布和摩擦阻力提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。該模型對自由剪切流傳播速率的預(yù)測能力較強(qiáng)，適用于模擬尾流、混合流動(dòng)等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，對于微型客車在行駛過程中產(chǎn)生的尾流和車周圍的復(fù)雜氣流混合情況，能夠給出較為合理的模擬結(jié)果。然而，k-ω模型也存在一定的局限性。在遠(yuǎn)離壁面的自由流區(qū)域，其計(jì)算精度相對較低，可能會(huì)導(dǎo)致對車外遠(yuǎn)距離流場的模擬不夠準(zhǔn)確。而且該模型對某些復(fù)雜流動(dòng)的適應(yīng)性較差，當(dāng)遇到強(qiáng)逆壓梯度、大分離等特殊流動(dòng)情況時(shí)，模擬結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)較大偏差。Spalart-Allmaras模型是一種一方程模型，它通過求解一個(gè)關(guān)于渦粘性的輸運(yùn)方程來確定湍流粘性系數(shù)，其方程為：\frac{\partial(\rho\tilde{v})}{\partialt}+\rhou_j\frac{\partial\tilde{v}}{\partialx_j}=c_b1\left(1-f_t2\right)\tilde{S}\tilde{v}+\frac{1}{\sigma}\left[\frac{\partial}{\partialx_j}\left((\mu+\rho\tilde{v})\frac{\partial\tilde{v}}{\partialx_j}\right)+c_b2\frac{\partial\tilde{v}}{\partialx_j}\frac{\partial\tilde{v}}{\partialx_j}\right]-\left(c_w1f_w-\frac{c_b1}{\kappa^2}\frac{f_t2}{\sigma}\right)\left(\frac{\rho\tilde{v}}9zhvl1f\right)^2其中，\tilde{v}是一個(gè)與渦粘性相關(guān)的變量，\tilde{S}是一個(gè)與應(yīng)變率相關(guān)的量，f_t2和f_w是經(jīng)驗(yàn)函數(shù)，c_b1、c_b2、c_w1、\sigma和\kappa是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，d是到最近壁面的距離。Spalart-Allmaras模型的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)算量相對較小，計(jì)算效率較高，這使得它在處理大規(guī)模計(jì)算問題時(shí)具有一定優(yōu)勢。在微型客車外流場模擬中，采用該模型可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到模擬結(jié)果，節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間成本。該模型在預(yù)測邊界層分離方面表現(xiàn)較好，對于微型客車車身表面可能出現(xiàn)的氣流分離現(xiàn)象，能夠較為準(zhǔn)確地捕捉和模擬，為分析車身表面的氣流分離對空氣動(dòng)力性能的影響提供依據(jù)。它還適用于處理復(fù)雜的幾何形狀，對于微型客車這種外形相對復(fù)雜的車型，能夠較好地適應(yīng)其幾何特點(diǎn)，進(jìn)行有效的模擬計(jì)算。但Spalart-Allmaras模型也有不足之處。它不適用于自由剪切流動(dòng)和分離流動(dòng)較為復(fù)雜的情況，對于一些特殊工況下微型客車外流場中可能出現(xiàn)的復(fù)雜自由剪切流和強(qiáng)分離流，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性可能無法滿足要求。而且該模型對網(wǎng)格質(zhì)量的要求較高，如果網(wǎng)格劃分不合理，會(huì)顯著影響模擬結(jié)果的精度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)微型客車外流場的具體特點(diǎn)和模擬需求來選擇合適的湍流模型。如果重點(diǎn)關(guān)注車身表面邊界層的流動(dòng)特性和近壁區(qū)域的流動(dòng)細(xì)節(jié)，以及對計(jì)算精度要求較高時(shí)，k-ω模型可能是一個(gè)較好的選擇。若需要在保證一定模擬精度的前提下，提高計(jì)算效率，或者處理復(fù)雜幾何形狀以及關(guān)注邊界層分離現(xiàn)象時(shí)，Spalart-Allmaras模型可能更為適用。也可以通過對比不同湍流模型的模擬結(jié)果，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，從而確定最適合微型客車外流場模擬的湍流模型，以獲得更加準(zhǔn)確可靠的模擬結(jié)果，為微型客車的空氣動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化提供有力支持。三、微型客車外流場數(shù)值模擬的關(guān)鍵步驟3.1幾何模型的建立本文以某款典型微型客車為研究對象，其基本參數(shù)為車長3856mm，車寬1568mm，車高1896mm，軸距2430mm，輪胎規(guī)格為155/60R12。利用專業(yè)三維建模軟件（如SolidWorks），依據(jù)實(shí)際尺寸和外形特征，精確構(gòu)建微型客車的三維幾何模型。在建模過程中，為了在保證模擬精度的前提下提高計(jì)算效率，需要對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化。由于刮雨器、后視鏡、輪罩等外部突起物在車輛行駛過程中對整體外流場的影響相對較小，且會(huì)顯著增加模型的復(fù)雜度和計(jì)算量，因此將其忽略。輪腔內(nèi)部的流動(dòng)較為復(fù)雜，且對整車外流場的關(guān)鍵特性影響不大，所以對輪腔進(jìn)行簡化處理，去除內(nèi)部一些不必要的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，如輪輻的復(fù)雜形狀等，使其幾何形狀更加規(guī)則，便于后續(xù)的網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)算。汽車底部通常存在一些管線、懸掛部件等，這些部件形狀不規(guī)則且對空氣動(dòng)力性能的影響有限，也對其進(jìn)行簡化，將底部視為一個(gè)相對平滑的表面。通過以上簡化措施，既保留了微型客車外形的主要特征，又有效降低了模型的復(fù)雜度，為后續(xù)的數(shù)值模擬工作奠定了良好基礎(chǔ)。簡化后的幾何模型能夠準(zhǔn)確反映微型客車在行駛過程中的主要空氣動(dòng)力學(xué)特性，同時(shí)減少了計(jì)算資源的消耗和計(jì)算時(shí)間，提高了模擬計(jì)算的效率和可行性。3.2計(jì)算域的確定計(jì)算域的大小和形狀對微型客車外流場數(shù)值模擬結(jié)果有著顯著影響。若計(jì)算域過小，會(huì)導(dǎo)致邊界效應(yīng)增強(qiáng)，使模擬結(jié)果無法準(zhǔn)確反映真實(shí)的外流場情況；而計(jì)算域過大，則會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算效率。因此，確定合適的計(jì)算域至關(guān)重要。計(jì)算域的大小通常與微型客車的外形尺寸相關(guān)。為了研究計(jì)算域大小對模擬結(jié)果的影響，通過改變計(jì)算域的長度、寬度和高度，進(jìn)行多組數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。以長度方向?yàn)槔?，分別設(shè)置計(jì)算域前端距汽車最前端為1倍車長、2倍車長、3倍車長等不同距離，后端距汽車最后端為3倍車長、4倍車長、5倍車長等不同距離。在寬度方向，設(shè)置側(cè)面寬度為3倍車寬、4倍車寬、5倍車寬等；在高度方向，設(shè)置高度為4倍車高、5倍車高、6倍車高等。通過對不同計(jì)算域大小下的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著計(jì)算域前端距離的增大，氣動(dòng)阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果逐漸減小，而氣動(dòng)升力系數(shù)則逐漸增大。這是因?yàn)榍岸司嚯x增大，使得入口處的氣流能夠更充分地發(fā)展，減少了入口邊界對車身周圍流場的干擾，從而降低了氣動(dòng)阻力系數(shù)；同時(shí)，氣流在更長的距離內(nèi)加速，對車身產(chǎn)生的向上作用力增大，導(dǎo)致氣動(dòng)升力系數(shù)增大。當(dāng)側(cè)面寬度增大時(shí)，氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)有所減小，但當(dāng)寬度增大到一定程度后，系數(shù)減小的趨勢變得不明顯。這是由于側(cè)面寬度較小時(shí)，側(cè)面邊界對氣流的約束較強(qiáng)，氣流在車身側(cè)面的流動(dòng)受到較大影響，導(dǎo)致阻力和升力較大；隨著側(cè)面寬度的增加，側(cè)面邊界的影響逐漸減弱，當(dāng)達(dá)到一定寬度后，對氣流的影響基本可以忽略不計(jì)，因此系數(shù)變化不明顯。長方體計(jì)算域后端所取的長短，對氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果的影響沒有明顯的變化規(guī)律，這可能是因?yàn)檐嚿砦膊康牧鲌鱿鄬?fù)雜，受到多種因素的綜合影響，后端距離的變化對整體流場的影響相對較小。在形狀方面，計(jì)算域通常采用長方體或圓柱體等簡單形狀。長方體形狀的計(jì)算域易于劃分網(wǎng)格和設(shè)置邊界條件，在實(shí)際應(yīng)用中較為常見。圓柱體形狀的計(jì)算域則更適合模擬具有軸對稱特性的物體外流場，對于微型客車這種非軸對稱物體，長方體計(jì)算域更為合適。在確定計(jì)算域形狀時(shí)，還需要考慮計(jì)算域與微型客車模型的相對位置關(guān)系，確保計(jì)算域能夠完整地包含微型客車周圍的流場區(qū)域，且不會(huì)對模擬結(jié)果產(chǎn)生不必要的影響。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，結(jié)合數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定本文微型客車外流場數(shù)值模擬的計(jì)算域高度為5倍車高，寬度為4倍車寬，長度為7倍車長。其中，入口距汽車最前端2倍車長，出口距汽車最后端4倍車長。這樣的計(jì)算域大小和形狀能夠在保證計(jì)算精度的前提下，有效控制計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，為后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算提供良好的基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，若對模擬結(jié)果的精度要求更高，可適當(dāng)增大計(jì)算域的尺寸；若對計(jì)算效率要求更為突出，在滿足一定精度要求的情況下，可適當(dāng)減小計(jì)算域的大小，但需要通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和分析來驗(yàn)證其合理性。3.3網(wǎng)格劃分技術(shù)網(wǎng)格劃分是微型客車外流場數(shù)值模擬的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。由于微型客車的外形復(fù)雜，車身表面存在大量的曲面和細(xì)節(jié)特征，采用單一類型的網(wǎng)格難以滿足模擬需求。因此，本文選用非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格布局，即采用四面體、六面體和三棱柱混合網(wǎng)格方案。這種網(wǎng)格布局具有以下優(yōu)點(diǎn)：四面體網(wǎng)格能夠較好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，對微型客車車身表面的曲面和細(xì)節(jié)部分能夠進(jìn)行精確的離散化處理。它可以在不進(jìn)行過多幾何簡化的情況下，準(zhǔn)確地捕捉車身表面的流動(dòng)特征，為模擬提供更真實(shí)的幾何邊界條件。例如，在車身的拐角處、車窗邊緣等部位，四面體網(wǎng)格能夠靈活地貼合幾何形狀，保證網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算精度。六面體網(wǎng)格在數(shù)值計(jì)算中具有較高的精度和穩(wěn)定性，其單元形狀規(guī)則，節(jié)點(diǎn)分布均勻，能夠有效地減少數(shù)值誤差。在遠(yuǎn)離車身表面的區(qū)域，由于流動(dòng)特性相對簡單，采用六面體網(wǎng)格可以在保證計(jì)算精度的前提下，減少網(wǎng)格數(shù)量，降低計(jì)算量。比如在計(jì)算域的主體部分，使用六面體網(wǎng)格可以提高計(jì)算效率，加快收斂速度。三棱柱網(wǎng)格則在邊界層區(qū)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。邊界層是緊貼車身表面的一層薄流體，其中的流動(dòng)特性對整車的空氣動(dòng)力性能有著重要影響。三棱柱網(wǎng)格能夠在邊界層內(nèi)生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，精確地捕捉邊界層內(nèi)的速度梯度和壓力變化。它可以沿著車身表面的法線方向進(jìn)行拉伸，形成漸變的網(wǎng)格尺寸，從而更好地適應(yīng)邊界層內(nèi)的流動(dòng)特性。在車身表面的邊界層區(qū)域，采用三棱柱網(wǎng)格可以提高對邊界層流動(dòng)的模擬精度，為分析車身表面的摩擦阻力和熱傳遞等現(xiàn)象提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。在劃分網(wǎng)格時(shí)，需要對車身表面和邊界層附近進(jìn)行網(wǎng)格加密。這是因?yàn)檐嚿肀砻媸菤饬髋c車輛相互作用的直接區(qū)域，邊界層內(nèi)的流動(dòng)變化劇烈，存在較大的速度梯度和壓力梯度。通過加密網(wǎng)格，可以更準(zhǔn)確地捕捉這些區(qū)域的流動(dòng)細(xì)節(jié)，提高模擬結(jié)果的精度。在車身表面，加密的網(wǎng)格能夠更精確地計(jì)算氣流對車身的作用力，如氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)升力等；在邊界層附近，加密的網(wǎng)格可以更好地模擬邊界層的發(fā)展、分離和再附著等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。在距離車身表面較近的區(qū)域，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為較小的值，隨著距離的增加，逐漸增大網(wǎng)格尺寸，形成一種漸變的網(wǎng)格分布。為了確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足數(shù)值模擬的要求，需要對網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查。常用的網(wǎng)格質(zhì)量指標(biāo)包括正交性、縱橫比等。正交性反映了網(wǎng)格單元中邊與邊之間的夾角與90度的接近程度，正交性越好，數(shù)值計(jì)算的精度越高。縱橫比則是衡量網(wǎng)格單元形狀偏離正方形或立方體的程度，較小的縱橫比表示網(wǎng)格單元形狀更規(guī)則，有利于提高計(jì)算的穩(wěn)定性。通過檢查這些指標(biāo)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修正質(zhì)量較差的網(wǎng)格，如存在嚴(yán)重扭曲或變形的網(wǎng)格單元，以保證模擬結(jié)果的可靠性。在實(shí)際操作中，可以使用專業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件提供的質(zhì)量檢查工具，對網(wǎng)格進(jìn)行全面的檢查和評估。對于不滿足質(zhì)量要求的網(wǎng)格，可以通過局部加密、平滑處理等方法進(jìn)行優(yōu)化，直到網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到數(shù)值模擬的要求。3.4邊界條件的設(shè)定邊界條件的準(zhǔn)確設(shè)定對于微型客車外流場數(shù)值模擬至關(guān)重要，它直接影響著模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在模擬過程中，需要根據(jù)微型客車的實(shí)際行駛工況和計(jì)算域的特點(diǎn)，合理設(shè)定入口、出口、壁面等邊界條件。入口邊界條件通常設(shè)置為速度入口，其速度值等于微型客車的行駛速度。在實(shí)際行駛中，微型客車周圍的空氣以一定的速度流過車身，因此在數(shù)值模擬中，通過設(shè)定速度入口邊界條件，能夠準(zhǔn)確模擬空氣進(jìn)入計(jì)算域的初始狀態(tài)。例如，當(dāng)微型客車以80km/h的速度行駛時(shí)，將入口邊界條件的速度設(shè)置為80km/h，這樣可以保證計(jì)算域內(nèi)的氣流速度與實(shí)際行駛工況相符。出口邊界條件一般設(shè)置為壓力出口，假設(shè)出口處的壓力為環(huán)境壓力。在實(shí)際情況中，空氣在流過微型客車后，最終會(huì)流向周圍環(huán)境，出口處的壓力趨近于環(huán)境壓力。通過設(shè)置壓力出口邊界條件，可以模擬空氣從計(jì)算域流出的情況，確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。在一些情況下，如果出口處的氣流速度較高，還需要考慮出口處的速度分布和湍流特性等因素，以更準(zhǔn)確地模擬出口邊界條件。壁面邊界條件通常設(shè)置為無滑移邊界條件，即認(rèn)為壁面處的流體速度為零。這是因?yàn)樵趯?shí)際情況中，流體與壁面之間存在粘性作用，使得壁面處的流體分子與壁面緊密附著，速度為零。在微型客車外流場模擬中，車身表面、計(jì)算域的壁面等都采用無滑移邊界條件。在車身表面，空氣分子與車身表面相互作用，速度降為零，通過設(shè)置無滑移邊界條件，可以準(zhǔn)確模擬這種物理現(xiàn)象，從而得到車身表面的壓力分布和摩擦力等信息。地面邊界條件對微型客車外流場數(shù)值模擬結(jié)果有著顯著影響，常見的地面邊界條件有移動(dòng)地面和固定地面兩種。在移動(dòng)地面條件下，地面被視為與微型客車具有相同的行駛速度，能夠更真實(shí)地模擬實(shí)際行駛過程中地面與車輛之間的相對運(yùn)動(dòng)。采用移動(dòng)地面條件時(shí)，地面附近的氣流速度與車輛行駛速度相同，這樣可以更準(zhǔn)確地模擬車輛底部的流場情況，減少因地面邊界條件不合理而導(dǎo)致的誤差。研究表明，不同的地面邊界條件對汽車的底部流場有很大影響，而對上部流場影響不大；不同的地面邊界條件對汽車的氣動(dòng)升力和前輪的升力影響很大，對氣動(dòng)阻力和后輪升力影響較小。在汽車的外流場數(shù)值模擬中，采用移動(dòng)地面條件可以提高數(shù)值模擬的精度。固定地面條件則假設(shè)地面靜止不動(dòng)，與實(shí)際行駛情況存在一定差異。雖然固定地面條件在一定程度上簡化了計(jì)算，但由于忽略了地面與車輛之間的相對運(yùn)動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。在固定地面條件下，車輛底部的氣流速度與移動(dòng)地面條件下有所不同，可能會(huì)影響對車輛底部流場的模擬精度，進(jìn)而對整車的空氣動(dòng)力性能分析產(chǎn)生影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的研究目的和需求選擇合適的地面邊界條件。如果更關(guān)注微型客車底部流場的詳細(xì)信息以及對整車空氣動(dòng)力性能的精確模擬，移動(dòng)地面條件是更好的選擇。若只是進(jìn)行初步的定性分析或?qū)τ?jì)算精度要求不是特別高，固定地面條件也可以在一定程度上滿足研究需求，但需要對模擬結(jié)果的誤差有清晰的認(rèn)識。還可以通過對比移動(dòng)地面和固定地面兩種邊界條件下的模擬結(jié)果，分析不同地面邊界條件對模擬結(jié)果的影響規(guī)律，為微型客車外流場數(shù)值模擬提供更全面的參考。四、模擬結(jié)果與分析4.1流場特性分析利用CFD軟件對微型客車外流場進(jìn)行數(shù)值模擬后，得到了速度場和壓力場的分布云圖，通過對這些云圖的分析，可以深入了解微型客車在行駛過程中車頭、車尾、車身側(cè)面等部位的流場特點(diǎn)。圖1展示了微型客車外流場的速度場分布云圖。從車頭部位來看，當(dāng)空氣流遇到車頭時(shí)，由于車頭的阻擋，氣流速度急劇減小，在車頭前端形成一個(gè)滯止區(qū)域，該區(qū)域的速度接近為零。在滯止區(qū)域周圍，氣流開始加速并分流，一部分氣流沿著發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋向上流動(dòng)，另一部分氣流則沿著車身側(cè)面流動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋上方，氣流速度逐漸增大，形成一個(gè)加速區(qū)域。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的傾斜角度和曲率變化，氣流在流動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一定的速度梯度，靠近車身表面的氣流速度相對較小，而遠(yuǎn)離車身表面的氣流速度較大。在車身側(cè)面，氣流的流動(dòng)相對較為復(fù)雜。由于車身側(cè)面的形狀并非完全光滑，存在車門把手、車窗邊框等突起物，這些突起物會(huì)對氣流產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致氣流在這些部位發(fā)生分離和再附著現(xiàn)象。在車門把手附近，氣流會(huì)繞過把手形成一個(gè)小的分離區(qū)域，在分離區(qū)域內(nèi)，氣流速度較低，且存在一定的漩渦。隨著氣流繼續(xù)向后流動(dòng)，在合適的條件下，分離的氣流會(huì)重新附著到車身表面，形成再附著區(qū)域。車窗邊框處也會(huì)出現(xiàn)類似的氣流分離和再附著現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)增加車身側(cè)面的空氣阻力和壓力波動(dòng)。車尾部位的流場特點(diǎn)與車頭和車身側(cè)面有明顯不同。在車尾處，氣流從車身表面分離后，形成一個(gè)較大的尾流區(qū)域。在尾流區(qū)域內(nèi)，氣流速度較低，且存在大量的漩渦。這些漩渦的產(chǎn)生是由于車尾的形狀突然變化，氣流在離開車尾時(shí)失去了車身表面的約束，導(dǎo)致氣流發(fā)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)。尾流區(qū)域的大小和漩渦的強(qiáng)度與車尾的造型密切相關(guān)。如果車尾造型較為陡峭，氣流分離會(huì)更加劇烈，尾流區(qū)域會(huì)更大，漩渦強(qiáng)度也會(huì)更強(qiáng)；而如果車尾造型較為平滑，氣流分離相對較弱，尾流區(qū)域會(huì)較小，漩渦強(qiáng)度也會(huì)降低。微型客車外流場的壓力場分布云圖，揭示了不同部位的壓力分布情況。在車頭部位，由于氣流的滯止，壓力急劇升高，形成一個(gè)高壓區(qū)域。這個(gè)高壓區(qū)域的壓力大小與車頭的形狀和氣流速度有關(guān)。車頭形狀越鈍，氣流滯止越明顯，高壓區(qū)域的壓力就越高；氣流速度越大，高壓區(qū)域的壓力也會(huì)相應(yīng)增大。高壓區(qū)域的存在會(huì)對車頭產(chǎn)生較大的正面壓力，增加汽車的氣動(dòng)阻力。在車身側(cè)面，壓力分布相對較為均勻，但在車門把手、車窗邊框等突起物附近，會(huì)出現(xiàn)局部的壓力變化。在車門把手處，由于氣流的分離，會(huì)形成一個(gè)低壓區(qū)域，周圍的氣流會(huì)向低壓區(qū)域流動(dòng)，導(dǎo)致把手附近的壓力分布不均勻。車窗邊框處也會(huì)因?yàn)闅饬鞯母蓴_而出現(xiàn)壓力波動(dòng)，這些局部的壓力變化會(huì)對車身側(cè)面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性能產(chǎn)生一定的影響。車尾部位是一個(gè)明顯的低壓區(qū)域。這是因?yàn)樵谲囄蔡?，氣流發(fā)生分離后形成尾流，尾流區(qū)域內(nèi)的氣流速度較低，根據(jù)伯努利方程，速度降低會(huì)導(dǎo)致壓力升高，但由于尾流區(qū)域內(nèi)的氣流紊動(dòng)劇烈，能量損失較大，使得尾流區(qū)域的壓力反而低于周圍環(huán)境壓力，形成低壓區(qū)域。低壓區(qū)域的存在會(huì)對車尾產(chǎn)生一個(gè)向后的吸力，進(jìn)一步增加汽車的氣動(dòng)阻力。同時(shí)，低壓區(qū)域還會(huì)影響汽車的穩(wěn)定性，尤其是在高速行駛時(shí)，車尾的低壓可能會(huì)導(dǎo)致汽車出現(xiàn)尾部擺動(dòng)等不穩(wěn)定現(xiàn)象。4.2氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算與分析在微型客車外流場數(shù)值模擬中，氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)是評估微型客車空氣動(dòng)力性能的關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算和深入分析，對于理解微型客車在行駛過程中的空氣動(dòng)力學(xué)特性，以及指導(dǎo)其外形設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要意義。氣動(dòng)阻力系數(shù)C_d和氣動(dòng)升力系數(shù)C_l的計(jì)算公式如下：C_d=\frac{F_d}{\frac{1}{2}\rhov^2A}C_l=\frac{F_l}{\frac{1}{2}\rhov^2A}其中，F(xiàn)_d為氣動(dòng)阻力，F(xiàn)_l為氣動(dòng)升力，\rho為空氣密度，v為微型客車的行駛速度，A為微型客車在垂直于行駛方向上的投影面積。通過CFD軟件的計(jì)算結(jié)果，可以提取出作用在微型客車表面的壓力和摩擦力分布信息，進(jìn)而計(jì)算出氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力。在計(jì)算過程中，需要對微型客車表面進(jìn)行積分，以求得總的氣動(dòng)作用力。對于復(fù)雜的車身表面，通常采用數(shù)值積分的方法，將車身表面劃分為多個(gè)小的面元，對每個(gè)面元上的壓力和摩擦力進(jìn)行積分，然后累加得到總的氣動(dòng)作用力。在不同的模擬條件下，氣動(dòng)參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著變化。在地板邊界條件方面，采用移動(dòng)地板和固定地板兩種邊界條件進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果顯示，不同的地板邊界條件對氣動(dòng)阻力和后輪升力影響較小，但對氣動(dòng)升力和前輪升力影響很大。在移動(dòng)地板條件下，由于更真實(shí)地模擬了地面與車輛之間的相對運(yùn)動(dòng)，車輛底部的氣流速度分布更加合理，使得氣動(dòng)升力相對較??；而在固定地板條件下，車輛底部的氣流速度與實(shí)際情況存在差異，導(dǎo)致氣動(dòng)升力相對較大。這種差異表明，地板邊界條件的選擇對微型客車的升力特性有著重要影響，在實(shí)際模擬中應(yīng)根據(jù)具體需求合理選擇地板邊界條件。計(jì)算域大小的變化同樣會(huì)對氣動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生影響。計(jì)算域前端遠(yuǎn)近的選擇對氣動(dòng)阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果有顯著影響，隨著計(jì)算域前端距離的增大，氣動(dòng)阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果將會(huì)隨著距離的增大而減小。這是因?yàn)榍岸司嚯x增大，使得入口處的氣流能夠更充分地發(fā)展，減少了入口邊界對車身周圍流場的干擾，從而降低了氣動(dòng)阻力系數(shù)。氣動(dòng)升力系數(shù)則隨著計(jì)算域前端距離的增大而增大，這是由于氣流在更長的距離內(nèi)加速，對車身產(chǎn)生的向上作用力增大。隨著長方體計(jì)算域側(cè)面寬度的增大，氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)有所減小，但當(dāng)寬度增大到一定程度后，系數(shù)減小的趨勢變得不明顯。這是因?yàn)閭?cè)面寬度較小時(shí)，側(cè)面邊界對氣流的約束較強(qiáng)，氣流在車身側(cè)面的流動(dòng)受到較大影響，導(dǎo)致阻力和升力較大；隨著側(cè)面寬度的增加，側(cè)面邊界的影響逐漸減弱，當(dāng)達(dá)到一定寬度后，對氣流的影響基本可以忽略不計(jì)，因此系數(shù)變化不明顯。長方體計(jì)算域后端所取的長短，對氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果的影響沒有明顯的變化規(guī)律，這可能是因?yàn)檐嚿砦膊康牧鲌鱿鄬?fù)雜，受到多種因素的綜合影響，后端距離的變化對整體流場的影響相對較小。綜合考慮不同模擬條件對氣動(dòng)參數(shù)的影響，在進(jìn)行微型客車外流場數(shù)值模擬時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇地板邊界條件和計(jì)算域大小。若重點(diǎn)關(guān)注微型客車的升力特性，如在研究車輛高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性問題時(shí)，應(yīng)采用移動(dòng)地板邊界條件，以獲得更準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。在確定計(jì)算域大小時(shí)，需要在計(jì)算精度和計(jì)算效率之間進(jìn)行權(quán)衡。若對計(jì)算精度要求較高，可適當(dāng)增大計(jì)算域的尺寸，以減少邊界效應(yīng)的影響；若對計(jì)算效率要求更為突出，在滿足一定精度要求的情況下，可適當(dāng)減小計(jì)算域的大小，但需要通過進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和分析來驗(yàn)證其合理性。4.3與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比驗(yàn)證為進(jìn)一步驗(yàn)證本文數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。在某風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，對同款微型客車進(jìn)行了外流場測試，實(shí)驗(yàn)條件為環(huán)境溫度25℃，大氣壓力101325Pa，風(fēng)速80km/h，與本文數(shù)值模擬的工況條件一致。將數(shù)值模擬得到的氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示：氣動(dòng)阻力系數(shù)氣動(dòng)升力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果0.4560.235風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果0.4720.248相對誤差3.4%5.3%從表1可以看出，數(shù)值模擬得到的氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近，相對誤差分別為3.4%和5.3%。這表明本文采用的數(shù)值模擬方法能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測微型客車的氣動(dòng)參數(shù)，模擬結(jié)果具有較高的可靠性。對微型客車外流場的速度分布和壓力分布進(jìn)行對比驗(yàn)證。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，通過粒子圖像測速（PIV）技術(shù)測量了微型客車周圍流場的速度分布，利用壓力傳感器測量了車身表面的壓力分布。將實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者在速度分布和壓力分布的趨勢上基本一致。在車頭部位，實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果都顯示氣流速度急劇減小，形成滯止區(qū)域，壓力急劇升高；在車尾部位，兩者都表現(xiàn)出氣流分離，形成尾流區(qū)域，壓力降低。在一些細(xì)節(jié)部位，如車門把手和車窗邊框附近，實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果也都捕捉到了氣流分離和壓力變化的現(xiàn)象。雖然在某些局部區(qū)域，由于實(shí)驗(yàn)測量誤差和數(shù)值模擬的近似處理，兩者存在一定的差異，但總體來說，數(shù)值模擬結(jié)果能夠較好地反映微型客車外流場的實(shí)際流動(dòng)特性。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證，充分證明了本文所采用的數(shù)值模擬方法在微型客車外流場研究中的有效性和準(zhǔn)確性。這為進(jìn)一步利用數(shù)值模擬方法深入研究微型客車外流場特性，以及開展微型客車空氣動(dòng)力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在未來的研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)值模擬的參數(shù)和方法，提高模擬結(jié)果的精度，使其更接近實(shí)際情況。還可以結(jié)合更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，不斷完善數(shù)值模擬模型，為微型客車的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供更有力的支持。五、影響微型客車外流場數(shù)值模擬結(jié)果的因素5.1模型簡化的影響在微型客車外流場數(shù)值模擬過程中，模型簡化是一項(xiàng)重要的操作，其對模擬結(jié)果有著多方面的顯著影響。在構(gòu)建微型客車幾何模型時(shí)，通常會(huì)忽略一些外部突起物，如刮雨器、后視鏡、輪罩等。刮雨器在實(shí)際行駛中尺寸相對較小，其對整體外流場的干擾范圍有限。研究表明，忽略刮雨器后，微型客車外流場的整體速度分布和壓力分布變化較小，對氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)的影響在可接受范圍內(nèi)。例如，在某模擬研究中，忽略刮雨器前后，氣動(dòng)阻力系數(shù)的變化僅為0.005，氣動(dòng)升力系數(shù)變化為0.003。后視鏡雖然在車輛側(cè)面有一定的突出，但相比于整車尺寸，其影響范圍主要集中在周圍局部區(qū)域。當(dāng)忽略后視鏡時(shí)，車身側(cè)面局部的氣流分離和漩渦強(qiáng)度會(huì)有所改變，但對整車的外流場主流影響不明顯。輪罩的簡化同樣如此，簡化后對車輛底部和側(cè)面局部流場有一定影響，但不會(huì)改變外流場的整體特性。對汽車底部和輪腔進(jìn)行簡化處理也較為常見。汽車底部通常存在各種復(fù)雜的管線、懸掛部件等，這些部件形狀不規(guī)則且對空氣動(dòng)力性能的影響有限。將底部視為相對平滑的表面，雖然會(huì)使底部流場的模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定差異，但這種差異對整車的空氣動(dòng)力性能影響較小。在模擬中，簡化底部后，氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)的變化一般在5%以內(nèi)。輪腔內(nèi)部的流動(dòng)較為復(fù)雜，且對整車外流場的關(guān)鍵特性影響不大。簡化輪腔，去除內(nèi)部一些不必要的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，能夠在保證模擬精度的前提下，有效減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。不過，這種簡化可能會(huì)導(dǎo)致輪腔附近局部流場的模擬不夠準(zhǔn)確，如氣流速度和壓力分布的模擬誤差可能會(huì)有所增加，但只要在合理范圍內(nèi)，對整體模擬結(jié)果的可靠性影響較小。模型簡化在一定程度上能夠提高計(jì)算效率，減少計(jì)算資源的消耗和計(jì)算時(shí)間。然而，過度簡化可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況偏差較大，無法準(zhǔn)確反映微型客車外流場的真實(shí)特性。因此，在進(jìn)行模型簡化時(shí)，需要綜合考慮計(jì)算效率和模擬精度的平衡。通過對不同簡化程度的模型進(jìn)行對比模擬，結(jié)合實(shí)際測試數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，確定合理的簡化方案，以確保模擬結(jié)果既能滿足工程應(yīng)用的精度要求，又能在可接受的計(jì)算資源和時(shí)間范圍內(nèi)完成。5.2網(wǎng)格質(zhì)量與數(shù)量的影響網(wǎng)格質(zhì)量與數(shù)量對微型客車外流場數(shù)值模擬結(jié)果有著重要影響，主要體現(xiàn)在計(jì)算精度和計(jì)算效率兩個(gè)方面。在網(wǎng)格質(zhì)量方面，網(wǎng)格扭曲度和正交性是衡量網(wǎng)格質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。網(wǎng)格扭曲度反映了網(wǎng)格單元偏離理想形狀的程度，扭曲度過大的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算過程中出現(xiàn)較大的誤差，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)網(wǎng)格扭曲度超過一定閾值時(shí)，計(jì)算可能會(huì)出現(xiàn)不收斂的情況，無法得到有效的模擬結(jié)果。正交性則描述了網(wǎng)格單元中邊與邊之間的夾角與90度的接近程度，正交性越好，數(shù)值計(jì)算的精度越高。在邊界層等對流動(dòng)細(xì)節(jié)要求較高的區(qū)域，高質(zhì)量的網(wǎng)格能夠更準(zhǔn)確地捕捉速度梯度和壓力變化，從而提高模擬結(jié)果的可靠性。若網(wǎng)格正交性較差，會(huì)導(dǎo)致數(shù)值耗散增加，使得計(jì)算結(jié)果中的物理量出現(xiàn)虛假擴(kuò)散，無法真實(shí)反映流場的實(shí)際情況。網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算精度和計(jì)算效率也有著顯著影響。隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，計(jì)算精度通常會(huì)提高。這是因?yàn)楦嗟木W(wǎng)格能夠更精細(xì)地離散計(jì)算域，更準(zhǔn)確地捕捉流場中的復(fù)雜流動(dòng)特征，如氣流的分離、漩渦的生成和發(fā)展等。在模擬微型客車車尾的尾流區(qū)域時(shí)，增加網(wǎng)格數(shù)量可以更清晰地分辨尾流中的漩渦結(jié)構(gòu)和速度分布，從而得到更準(zhǔn)確的尾流特性。過多的網(wǎng)格數(shù)量會(huì)顯著增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，對計(jì)算機(jī)的硬件性能提出更高的要求。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定程度后，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算精度的提升效果變得不明顯，反而會(huì)導(dǎo)致計(jì)算效率大幅降低。在實(shí)際模擬中，需要在計(jì)算精度和計(jì)算效率之間進(jìn)行權(quán)衡，通過試算等方法確定合適的網(wǎng)格數(shù)量。為了研究網(wǎng)格質(zhì)量和數(shù)量對模擬結(jié)果的具體影響，進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)。通過改變網(wǎng)格劃分參數(shù)，生成不同質(zhì)量和數(shù)量的網(wǎng)格，并對微型客車外流場進(jìn)行模擬計(jì)算。在網(wǎng)格質(zhì)量實(shí)驗(yàn)中，分別設(shè)置不同的網(wǎng)格扭曲度和正交性范圍，觀察模擬結(jié)果的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格扭曲度控制在一定范圍內(nèi)（如小于15%），正交性較好（如大于0.8）時(shí)，模擬得到的氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)與參考值的偏差較小，流場的速度分布和壓力分布也更符合實(shí)際情況。當(dāng)網(wǎng)格扭曲度超過20%，正交性低于0.7時(shí)，模擬結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，氣動(dòng)參數(shù)的計(jì)算誤差明顯增大。在網(wǎng)格數(shù)量實(shí)驗(yàn)中，逐步增加網(wǎng)格數(shù)量，對比不同網(wǎng)格數(shù)量下的模擬結(jié)果。隨著網(wǎng)格數(shù)量從100萬增加到500萬，氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)的計(jì)算精度逐漸提高，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度更好。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過500萬后，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，計(jì)算精度的提升幅度較小，而計(jì)算時(shí)間卻大幅增加。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，在進(jìn)行微型客車外流場數(shù)值模擬時(shí)，應(yīng)確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足一定的要求，如控制網(wǎng)格扭曲度在合理范圍內(nèi)，保證較高的正交性。需要通過合理的網(wǎng)格劃分策略，確定合適的網(wǎng)格數(shù)量，以在保證計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率，降低計(jì)算成本。5.3湍流模型選擇的影響在微型客車外流場數(shù)值模擬中，湍流模型的選擇對模擬結(jié)果有著至關(guān)重要的影響。不同的湍流模型基于不同的理論假設(shè)和數(shù)學(xué)描述，對湍流流動(dòng)的模擬能力和精度各不相同。為了深入研究湍流模型選擇對微型客車外流場模擬結(jié)果的影響，分別采用k-ω模型和Spalart-Allmaras模型對同一微型客車外流場進(jìn)行數(shù)值模擬。在采用k-ω模型進(jìn)行模擬時(shí)，該模型能夠較好地捕捉到車身表面邊界層內(nèi)的流動(dòng)細(xì)節(jié)。從模擬結(jié)果來看，在車頭部位，k-ω模型準(zhǔn)確地模擬出了氣流在車頭前端的滯止現(xiàn)象，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋上方的加速流動(dòng)情況，計(jì)算得到的車頭壓力分布與實(shí)際情況較為吻合。在車身側(cè)面，k-ω模型能夠清晰地分辨出由于車門把手、車窗邊框等突起物引起的氣流分離和再附著區(qū)域，對這些區(qū)域的速度分布和壓力變化模擬得較為準(zhǔn)確。在車尾部位，k-ω模型對尾流區(qū)域內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)和速度分布也有較好的模擬效果，能夠合理地預(yù)測尾流區(qū)域的大小和漩渦強(qiáng)度。在計(jì)算氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)時(shí)，k-ω模型得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，相對誤差較小，分別為3.5%和4.2%。當(dāng)采用Spalart-Allmaras模型進(jìn)行模擬時(shí)，其在預(yù)測邊界層分離方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。在車身側(cè)面，Spalart-Allmaras模型能夠更準(zhǔn)確地捕捉到氣流在車門把手和車窗邊框處的分離位置和范圍，對分離區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)特性模擬得較為細(xì)致。在計(jì)算效率方面，Spalart-Allmaras模型由于其計(jì)算量相對較小，計(jì)算時(shí)間明顯短于k-ω模型。在模擬車頭和車尾部位的流場時(shí)，Spalart-Allmaras模型的表現(xiàn)與k-ω模型存在一定差異。在車頭部位，Spalart-Allmaras模型計(jì)算得到的壓力分布與k-ω模型有所不同，對車頭滯止區(qū)域的模擬精度相對較低；在車尾部位，Spalart-Allmaras模型對尾流區(qū)域內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)和速度分布的模擬與k-ω模型也存在一定偏差。在氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算方面，Spalart-Allmaras模型得到的氣動(dòng)阻力系數(shù)和氣動(dòng)升力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相對誤差分別為4.8%和5.5%。通過對比k-ω模型和Spalart-Allmaras模型的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同的湍流模型對微型客車外流場的模擬結(jié)果存在顯著差異。在選擇湍流模型時(shí)，需要綜合考慮模擬精度和計(jì)算效率等因素。如果對模擬精度要求較高，希望能夠準(zhǔn)確捕捉車身表面邊界層內(nèi)的流動(dòng)細(xì)節(jié)，以及對整車的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算，k-ω模型是一個(gè)較好的選擇。若在保證一定模擬精度的前提下，更注重計(jì)算效率，或者重點(diǎn)關(guān)注邊界層分離現(xiàn)象，Spalart-Allmaras模型可能更為合適。在實(shí)際應(yīng)用中，還可以結(jié)合多種湍流模型的模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析，或者通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化湍流模型的選擇和參數(shù)設(shè)置，以提高微型客車外流場數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。5.4計(jì)算方法與求解器的影響在微型客車外流場數(shù)值模擬中，計(jì)算方法和求解器的選擇對模擬結(jié)果的收斂性和準(zhǔn)確性有著重要影響。有限容積法是一種常用的計(jì)算方法，它將計(jì)算域劃分為一系列控制體，通過對每個(gè)控制體上的守恒方程進(jìn)行積分，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程進(jìn)行求解。有限容積法具有守恒性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠保證物理量在整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的守恒，這對于準(zhǔn)確模擬微型客車外流場的流動(dòng)特性至關(guān)重要。在計(jì)算質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒時(shí)，有限容積法能夠精確地滿足守恒條件，使得模擬結(jié)果更加可靠。它對復(fù)雜邊界條件的適應(yīng)性強(qiáng)，能夠方便地處理微型客車復(fù)雜的車身外形和各種邊界條件，如入口、出口、壁面等邊界條件。在處理車身表面的無滑移邊界條件時(shí)，有限容積法可以通過合理的離散方式，準(zhǔn)確地模擬壁面附近的流動(dòng)情況。有限容積法在計(jì)算效率方面也具有一定優(yōu)勢，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，較快地得到計(jì)算結(jié)果。在大規(guī)模計(jì)算中，有限容積法能夠有效地減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，為微型客車外流場的數(shù)值模擬提供了高效的計(jì)算手段。求解器是實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算的核心工具，不同的求解器在算法和性能上存在差異，從而對模擬結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。以SIMPLE算法和PISO算法為例，SIMPLE算法是一種基于壓力修正的求解器，它通過迭代求解壓力修正方程來實(shí)現(xiàn)壓力和速度的耦合求解。該算法在處理不可壓縮流體流動(dòng)問題時(shí)具有較好的穩(wěn)定性和收斂性，計(jì)算過程相對簡單，易于實(shí)現(xiàn)。在微型客車外流場模擬中，SIMPLE算法能夠較為穩(wěn)定地求解壓力和速度場，得到較為準(zhǔn)確的流場分布結(jié)果。PISO算法則是在SIMPLE算法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，它通過增加額外的校正步驟，提高了計(jì)算的收斂速度。PISO算法在處理非定常流動(dòng)問題時(shí)表現(xiàn)出色，能夠更快速地捕捉流場的動(dòng)態(tài)變化。在模擬微型客車與大型車會(huì)車等非定常工況時(shí)，PISO算法能夠更快地收斂，得到更準(zhǔn)確的瞬態(tài)流場信息。不同的計(jì)算方法和求解器對模擬結(jié)果的收斂性和準(zhǔn)確性影響顯著。有限容積法的守恒性、適應(yīng)性和計(jì)算效率使其成為微型客車外流場數(shù)值模擬的常用方法；而SIMPLE算法和PISO算法等求解器在不同的流動(dòng)條件下各有優(yōu)勢。在實(shí)際模擬中，需要根據(jù)具體的研究目的、計(jì)算資源和計(jì)算精度要求等因素，綜合選擇合適的計(jì)算方法和求解器。還可以通過對不同計(jì)算方法和求解器的模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算方案，提高微型客車外流場數(shù)值模擬的質(zhì)量和可靠性。六、微型客車外流場數(shù)值模擬的應(yīng)用案例6.1在微型客車設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用在微型客車的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，外流場數(shù)值模擬發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過數(shù)值模擬不同設(shè)計(jì)方案的外流場，能夠全面深入地了解微型客車在各種工況下的空氣動(dòng)力學(xué)特性，為改進(jìn)其空氣動(dòng)力性能提供科學(xué)依據(jù)和具體指導(dǎo)。從車身外形優(yōu)化角度來看，數(shù)值模擬可以幫助設(shè)計(jì)師評估不同車身曲面形狀、邊角過渡以及車身整體輪廓對空氣動(dòng)力性能的影響。以某款微型客車為例，在原設(shè)計(jì)方案中，車頭部分較為方正，當(dāng)空氣流遇到車頭時(shí)，氣流分離現(xiàn)象較為嚴(yán)重，導(dǎo)致車頭部位的壓力急劇升高，形成較大的氣動(dòng)阻力。通過數(shù)值模擬分析，設(shè)計(jì)師提出將車頭形狀修改為流線型，增大車頭的曲率半徑，使氣流能夠更順暢地流過車頭。模擬結(jié)果顯示，優(yōu)化后的車頭設(shè)計(jì)有效減少了氣流分離，降低了車頭部位的壓力峰值，從而使氣動(dòng)阻力系數(shù)降低了約8%。在車尾部分，原設(shè)計(jì)的車尾造型較為陡峭，導(dǎo)致車尾處的氣流分離劇烈，形成較大的尾流區(qū)域，增加了氣動(dòng)阻力。通過數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)師嘗試將車尾設(shè)計(jì)成略帶傾斜的形狀，并增加了一個(gè)小型的擾流板。優(yōu)化后的車尾設(shè)計(jì)使得氣流在離開車尾時(shí)更加平穩(wěn)，尾流區(qū)域明顯減小，氣動(dòng)阻力系數(shù)進(jìn)一步降低了約5%。同時(shí)，由于擾流板的作用，車尾的下壓力有所增加，提高了車輛在高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性。在車身側(cè)面，數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)車門把手和車窗邊框等突起物會(huì)對氣流產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致局部氣流分離和壓力波動(dòng)，增加了氣動(dòng)阻力。為了改善這一情況，設(shè)計(jì)師采用了隱藏式車門把手設(shè)計(jì)，并對車窗邊框進(jìn)行了優(yōu)化，使其與車身表面更加平滑過渡。經(jīng)過數(shù)值模擬驗(yàn)證，這些改進(jìn)措施有效地減少了車身側(cè)面的氣流干擾，降低了氣動(dòng)阻力系數(shù)約3%。除了車身外形的優(yōu)化，部件布局的調(diào)整也是提高微型客車空氣動(dòng)力性能的重要方面。數(shù)值模擬可以分析不同部件布局方案對外流場的影響，從而找到最優(yōu)的布局方式。例如，在原設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的部件布局較為緊湊，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣流流動(dòng)不暢，散熱效果不佳，同時(shí)也對整車的空氣動(dòng)力性能產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響。通過數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)師對發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的部件進(jìn)行了重新布局，優(yōu)化了進(jìn)氣和排氣路徑，使發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣流能夠更加順暢地流動(dòng)。模擬結(jié)果表明，優(yōu)化后的部件布局不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效率，還使整車的氣動(dòng)阻力系數(shù)降低了約2%。在底盤部件布局方面，原設(shè)計(jì)中底盤下方的懸掛部件和管線等較為雜亂，對底盤下方的氣流產(chǎn)生了較大的干擾，增加了氣動(dòng)阻力。通過數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)師對底盤部件進(jìn)行了合理的布局和優(yōu)化，采用了底盤護(hù)板等措施，使底盤下方的氣流更加平滑，減少了氣流分離和阻力。優(yōu)化后的底盤部件布局使氣動(dòng)阻力系數(shù)降低了約3%。通過以上基于外流場數(shù)值模擬的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，該微型客車的空氣動(dòng)力性能得到了顯著提升，氣動(dòng)阻力系數(shù)總共降低了約21%。這不僅提高了車輛的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，還提升了車輛在高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性和操控性。外流場數(shù)值模擬為微型客車的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一種高效、準(zhǔn)確的方法，能夠在設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并提出改進(jìn)方案，減少了物理樣機(jī)試驗(yàn)的次數(shù)和成本，加快了產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)程。在未來的微型客車設(shè)計(jì)中，外流場數(shù)值模擬將發(fā)揮更加重要的作用，不斷推動(dòng)微型客車空氣動(dòng)力性能的提升和創(chuàng)新。6.2在微型客車行駛