來源：

隨著汽車速度的不斷提高，隨之出現(xiàn)的與汽車氣動性能有關(guān)的問題也越來越多，如空氣阻力（當(dāng)車速達到250～300km/h時，空氣阻力占總阻力的50%以上）、氣動噪聲以及對周圍環(huán)境的影響等，均與汽車外形的流線程度有關(guān)。為此，還必須進一步優(yōu)化車體外形，減少空氣阻力等對汽車的影響。從時速不超過50km/h的馬車型汽車，發(fā)展到現(xiàn)在的流線型汽車時速可以達到200～300km/h，百年的汽車發(fā)展給人類社會帶來了巨大而深刻的變化。有限元分析計算是研究汽車氣動性的一種手段，本文運用ANSYS公司的有限元分析軟件ANSYS對三種汽車外形進行了分析研究，針對三種汽車外形氣動性能做了比較，研究車外形對氣動性能的影響。

數(shù)學(xué)以及有限元模型

根據(jù)流體力學(xué)理論，計算的數(shù)學(xué)模型采用三維粘性不可壓縮雷諾平均應(yīng)力方程和工程上應(yīng)用較廣的k-∈雙方程湍流模型。

連續(xù)性方程：

動量（矢量）方程：

式中me??為有效粘性系數(shù)，且me?? =m+mt，m為動力粘性系數(shù)，mt為湍流粘性系數(shù)，其中mt =Cmρκ2/∈，Cm為常數(shù)，一般取為Cm=0.09；P'為修正壓力，且P'=P+—ρκ；k和∈值1可由k-∈雙方程得出。

湍流動能k方程：

湍流動能耗散率方程：

其中C∈1， C∈2， σκ， σ∈為常數(shù)，其取值一般為：C∈1=1.44，C∈2=1.92，σκ=1.0，σ∈=1.3。剪切生成項G的取值一般按下式得出

由于本文所使用的是ANSYS教學(xué)版軟件，在計算規(guī)模上有很大限制，因此對計算模型進行了必要的簡化，考慮汽車結(jié)構(gòu)的對稱性，在忽略側(cè)風(fēng)等非對稱性因素的影響，考慮汽車的對稱面，同時對車底、車頭等部位均進行了必要的簡化，建立了平面有限元模型。使用ANSYS軟件的2D FLOUNT 141單元進行離散，用有限元的二維分析模型進行求解。

計算與分析

在此，針對不同時代的車型選用了三種有代表性的車型進行分析。

1.車型1，（如圖1～4）

圖1 速度為50km/h

圖2 流體總體壓力分布圖

圖3 速度為250km/h

圖4 流體總體壓力分布圖

2.車型2，（如圖5～8）

圖5 速度為50km/h

圖6 流體總體壓力分布圖

圖7 速度為250km/h

圖8 流體總體壓力分布圖

3.車型3，（圖9～12）

圖9 速度為50km/h

圖10 流體總體壓力分布圖

圖11 速度為250km/h

圖12 流體總體壓力分布圖

4.速度分布

圖1、3、5、7、9、11給出的是3種汽車分別在高低速時縱向?qū)ΨQ面流場速度分布情況?？梢钥闯?，由于三種頭部形狀流線型都較好，當(dāng)氣流流過汽車頭部時基本上未出現(xiàn)大的流動分離。但車型3流線型最佳且外形曲面變化最小，所以效果最好。

氣流在經(jīng)過汽車頂部時達到最高速度，然后氣流回落速度也逐漸降低。在汽車尾部，三種車型都產(chǎn)生了渦流情況。隨著離汽車尾部距離的增大，旋渦的渦強在減弱，渦核向外移動，并向地面靠近。這說明渦流在不斷地擴散，能量也隨之在耗散。車型3有較好的表現(xiàn)，尾部有較好的流線型，且經(jīng)過了車型的改進使得渦流較小。而在高速時車型3的表現(xiàn)更突出，其他兩種車在高速時，尾部渦流有變大的趨勢，且流線型變差速度變化較大。

空氣壓力分布

圖2、4、6、8、10為氣流總體壓力分布圖。由于汽車底部靠近地面，把氣流進行了壓縮增速，所以，3種車都出現(xiàn)了不同層度的高壓區(qū)域。相比較而言，車型3稍微好于其他兩種。由于頭部氣流開始與汽車接觸變化，氣壓也開始變大。車型1較差，在汽車前窗部分出現(xiàn)較大的高壓區(qū)域，而其他兩種較好。在尾部，由于渦流的產(chǎn)生等，出現(xiàn)了負壓區(qū)域。在后上方，由于車頂部高速氣流的作用，產(chǎn)生了一條較長的較高的壓力帶，且逐漸變小。

結(jié)論

由ANSYS分析計算得知：在汽車頭部氣流開始分流，而汽車外形的變化使流速開始加快。在汽車的頂部和底部產(chǎn)生高速區(qū)，且在車頂部分產(chǎn)生最高流速，然后開始逐漸回落。汽車尾流中有縱向的渦流產(chǎn)生，隨尾流的發(fā)展，渦流由強到弱，渦心降低（逐漸接近軌面），渦核向外移動。通過比較，第三種車型優(yōu)于其他兩種車型，且在低速和高速時都有較好的空氣動力性能。故在汽車外形發(fā)展設(shè)計研究時，應(yīng)盡量將汽車外形設(shè)計成流線型，外形曲面曲率不應(yīng)出現(xiàn)突變或變化過大，避免產(chǎn)生流動分離。

（轉(zhuǎn)載）