0 前言
自首輛汽車誕生一個多世紀以來，隨著汽車工業蓬勃發展，汽車技術日新月異，安全與節能己成為汽車發展的兩大主題。汽車空氣動力學的發展不僅與目前汽車的發展主題相適應，更與汽車的燃油經濟性、動力性、操作穩定性、舒適性以及安全性等息息相關。經研究，在車速為60km/h時，氣動阻力與滾動阻力相當，而當車速達到80km/h后，氣動阻力將成為汽車行駛的主要阻力，當車速達到150km/h時，氣動阻力甚至是滾動阻力的2～3倍。所以，隨著高速公路的發展和汽車速度的提升，汽車空氣動力學的研究將在汽車開發過程中占有越來越重的地位。車頭作為影響汽車空氣動力學性能的關鍵部分，其造型特點直接影響著汽車的流場分布和氣動阻力大小。
本文使用STAR-CCM+軟件對公司某款車型進行了外流場數值仿真模擬，并對其車頭切風角進行了細致的分析優化，研究其具有最佳空氣動力學性能的切風角造型。
1 氣動分析理論基礎及幾何模型
1.1 理論基礎
計算流體力學是指在流動基本方程（質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程）控制下對流體流動的數值模擬。通過這種模擬可以得到復雜流場內各個位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布情況，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定旋渦分布特性、空化特性、及脫流區等。目前研究湍流的控制方程主要有湍流瞬時控制方程和雷諾時均控制方程，同時，為了求解控制方程，需要將控制方程在空間上進行離散化，而常用的離散方法有有限差分法、有限元法和有限體積法。本次應用STAR-CCM+分析主要基于時均化的Navier-Stokes方程組和近壁區壁面函數法處理，并采用有限體積法離散化。
1.2 幾何模型與物理模型
網格劃分：采用Trim網格，分別設置了五個加密區，五層壁面。
進口條件：速度進口條件。
出口條件：壓力出口條件。
固壁條件：速度為零。
湍流模型：Realizable k-e湍流模型。
壁面函數：Two-Layer All y+ Wall Treatment。
采用長方體區域模擬車體模型在風洞中的情況，計算域的大小如下圖所示：
圖1 計算域
圖2 模型圖示
圖3 體網格加密圖示
2 結果分析
2.1 壓力云圖與研究區域圖示
圖4 基礎模型的壓力云圖
針對研究區域（圖中紅色線框區域），車頭壓力從左側的紅色高壓區很快變化到前輪眉處的藍色負壓，一般情況下，壓力變化過快的區域（氣流分離較嚴重）都屬于需要重點關注優化的區域，下面針對此區域做了六種優化方案，并分析研究其風阻變化。
2.2 優化方案
圖5中所示曲線從內側至外側分別命名為：Mod 1、Mod 2、1 Mod 3、Mod 4、Mod 5、Mod 6、Mod 7，其中，Mod 1為基礎模型，其過度均勻，Mod 2～Mod 7分別在此區域做不同程度的切風角，分析其對風阻的影響，找出最有利于風阻的造型特征。
圖5 優化方案示意圖
在做優化方案時，Mod 2～Mod 5均將圖中紅色長箭線與方案曲線焦點作為控制點，紅色線框區域作為優化變形區域，分別將控制點沿X負向移動，Mod 6和Mod 7將短箭線與截面曲線焦點作為控制點，優化區域不變，分別將控制點沿X負向移動，并保持附近區域的造型特征與審美要求。
3 計算結果與分析
對各個模型分別建模計算，其風阻結果對比見下表：
表1 風阻結果對比表
從計算結果對比表可以看出， Mod 1的風阻為造型的基礎模型的風阻，優化方案Mod 4的風阻系數優化效果為3.1counts，方案Mod 7優化效果變差，風阻系數增大了1.0counts。
下面針對基礎造型Mod 1(base)和最優方案Mod 4以及最差方案Mod 7的截面壓力云圖進行對比分析：
圖6 Mod 1(base)截面壓力圖
圖7 Mod 4截面壓力圖
圖8 Mod 7截面壓力圖
對比三個模型研究變形區域的俯視截面壓力云圖，可以發現：
在高壓區(圖中藍色方框區域)，隨著變形程度的增大，其壓力也越來越大，越來越對風阻不利；
而在負壓區(圖中紅色橢圓區域)，在變形過程中，開始其負壓區域增大，壓力也持續減小，車頭負壓有利于風阻的降低，但是當變形到某一程度后，其負壓區受變形的影響將會很小。
當控制點變形至某一位置時，高壓區的不利影響和負壓區的有利影響對車輛的風阻的綜合效果達到最佳，此時的變形方案即為最佳優化方案，其所形成的切風角即為最佳切風角。
下面針對Mod 1(base)基礎模型和Mod 4最優模型的速度矢量圖進行對比分析：
圖9 Mod 1速度矢量圖
圖10 Mod 4速度矢量圖
對比兩模型的速度矢量圖，發現氣流在流經變形控制點（切風角位置）之后，速度會有一個比較明顯的增加，依據伯努利方程，在流體速度相對較大時，壓力會相對較小，即在圖中紅色線框區域壓力較小，從而使車輛車頭和車尾形成的壓差阻力減小，有利于風阻的降低。
4 結論
(1)采用STAR-CCM+軟件的trim網格、Realizable k-ε湍流模型和Two-Layer All y+ Wall Treatment壁面函數在汽車設計初期就可以對造型進行空氣動力學分析優化，縮短了開發周期，并節約了試驗成本。
(2)對比分析優化結果，在設計車頭兩側（前保兩側）的造型時，增加適當的切風角，可以較好的降低其風阻系數，改善其氣動性能。
(3)最優方案Mod 4的優化效果為3.1counts。
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