本文借助于CFD技术对汽车外流场进行数值模拟，采用了稳态计算模式、k-zeta-f湍流模型以及混合壁处理方式，通过计算得到整个车身的压力分布、速度分布以及车身周围的气流流线分布情况。这种数值模拟的方法对于节约研发成本、缩短研发周期有着极为重要的意义。

随着当今汽车工业的快速发展，人们对于汽车设计的要求也随之越来越高。特别是伴随着地球上日益枯竭的石油资源、油价上涨等因素，使得燃油经济性成为当今汽车技术的重要课题。而汽车空气动力学特性与这个课题紧密相关，它直接影响着汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性，因此，汽车空气动力学特性已成为评价汽车造型优劣的重要依据。

在传统的汽车空气动力学研究中，大多采用风洞试验。尽管风洞试验能够得到具有较高可靠性的结果，但是它造价高、投资大，并且周期较长，显然已不能适应快速变化的市场需求。随着计算机技术的迅猛发展，通过CFD软件对汽车外流场进行数值模拟，因其计算精度接近风洞试验，且又大大缩短了设计周期，正被越来越多地应用到汽车空气动力学的研究中。本文将借助于CFD软件FIRE对汽车外流场进行数值分析。

模型建立

1.几何建模

由于汽车实体表面的结构极为复杂，考虑到计算资源的局限性，可进行一些简化处理，比如省略车灯、门把手和后视镜等，同时对汽车底部作了平整处理。这些改变相对与车身来说，只是一些局部的微小变化，对整个流场的总体特性并没有太大的影响，不会影响到计算结果的精确度。考虑到车身本身的对称性，我们只需要计算一半的车身即可，中间作为一个对称面。整个外流场的计算域可按照图1所示进行划分。

2.划分网格

网格的划分是数值分析中的重要一步，网格质量的好坏直接影响着计算结果的精度和计算时间的长短。网格太稀，可能导致流场的一些重要信息不能精确地被模拟到，甚至可能导致计算发散；而网格太密，又会导致计算消耗的时间太长。因此，需要在保证计算精度和节省计算时间之间取得折中。最好的办法是，采取逐层加密网格的方法，在车身表面附近进行加密处理，在远离车身的地方，网格可以适当的稀疏，如图2所示。

3.设置边界条件

入口边界条件设为速度入口；假定车速为40m/s，可等效为在入口处吹流入速度也为40m/s的空气；温度设为20℃。考虑到计算的收敛性，可将出口边界条件梯度设为0。

除了入口和出口边界条件外，还需要设置对称面，可在FIRE边界类型里面进行设置。

4.设置求解模型

本文将采用稳态计算模式。湍流模型则选取四方程的k-zeta-f模型，该模型计算精度接近RSM模型，而计算时间接近k-epsilon模型，是一种兼顾计算精度和节省计算时间的湍流模型；壁面处理模型则选取配套的混合壁处理。离散格式为一阶迎风格式；压力-速度耦合选用SIMPLE。为了能够得到收敛解，松弛因子最好比默认值要适当地小一些。残差值设置为四阶量级以下，即＜10-4。

计算结果分析

迭代计算后得到收敛解，图3所示为车身表面的压力和速度分布情况。

从图3中可以看出，汽车保险杠附近的压力最大，为100kPa。这主要是由于从无穷远处流来的气流在保险杠形成驻点，此处气流速度为0。根据伯努利方程

其中，C为常数。当速度为0时，压力达到最大值。然后，沿着保险杠向发动机舱盖，在舱盖最前端压力减小至98.5kPa，即图3a中蓝色区域，其对应的速度则增大至55m/s。这主要是由于气流沿着保险杠向上至发动机舱盖后，由于舱盖并不在气流运动的轨迹上，即舱盖并没有阻碍气流的流动，气流由于失去了限制从而产生了流动分离现象。此时，气流的压力能转化成动能，气流在此处速度急剧上升，而压力急剧降低。接着气流再沿着舱盖流动，在挡风玻璃处气流压力增大，而速度减小，这是由于挡风玻璃的阻挡造成的。在挡风玻璃与车顶的结合部，气流压力急剧减小，而速度急剧增大，这和发动机舱盖前段的情况类似。

图4所示为车身周围气流的流动轨迹图。从图4a中可以看到，在汽车前部气流分布较为均匀，而在汽车尾部的气流较为紊乱，形成了明显的旋涡。这是因为气流流到尾部后，突然失去了限制，从而在尾部形成剪切层，形成负压区。在离车尾较远的地方，受尾流区的影响较小，气流速度与无穷远处来流的速度相等，为正压区。在压差的作用下，气流被卷吸到尾流区，于是就出现了图5b中所示的旋涡。

结语

本文利用CFD软件FIRE对某型汽车外流场进行数值分析，得到了整个车身表面的压力分布以及速度分布，以及车身周围气流的流动轨迹曲线。通过图形的展示可以使人直观地了解到汽车的空气动力学性能，并可以依据此来对车身的造型设计进行理论指导以及优化设计，从而可节约研发成本并缩短研发周期，提高产品的自主开发设计能力。