1.目的及意义

1.1 研究背景

随着发展的需要，大客车的车速也越来越高，在高速行驶时保证汽车的动力性、经济性、操纵稳定性和冷却通风、降低风噪声等的需要，使得汽车空气动力学越来越受重视，其研究工作日益深入，汽车空气动力学已发展成为流体力学一个专门的分支学科，也成为评价汽车车身水平的重要依据^[1]。当汽车在地面上行驶时，汽车周围的空气就会形成绕汽车的流动，其直接影响着汽车的驱动特性、稳定性、操作性、燃油经济性等。对汽车外流场的研究主要是汽车周围压力场的研究、气动力和气动力矩形成机理的研究、空气阻力对汽车动力性和经济性的研究。由于汽车外形接近于钝形物体，绕汽车流动的气体就会在汽车尾部发生分离，形成尾涡^[2]。随着公路状况的改善，汽车行驶速度的提高，汽车后部气流分离形成尾涡的强度也随之增大，增强的尾涡大大增强了汽车车身受到的压差阻力，因此气动阻力也有增加的趋势。

1.2 研究意义

在汽车外流场的研究中，避免过早地发生气流分离，降低汽车后部形成的尾涡强度和大小，减小气动阻力，是汽车外流场研究所面临的主要难点。因此在汽车的设计过程中，汽车外流场的流体动力学成为重要的设计考虑，研究汽车外流场的特性具有非常重要的理论意义和实际意义。为了改进汽车空气动力学特性，全球汽车工业界投入了大量的人力、物力对汽车流场的流动及相关现象进行研究。风洞实验是汽车空气动力学研究的传统有效的方法，它为汽车空气动力学的研究发展作出了巨大的贡献。随着计算机的迅速发展，数值计算方法的不断完善和计算流体力学异军突起，汽车空气动力学的研究有了新的方法和途径^[3]。汽车计算流体力学采用数值计算方法，通过计算机求解相应的数学方程组，给出流动规律，为汽车设计提供科学依据。汽车计算流体力学的兴起促进了汽车实验研究和理论分析方法的发展，进一步推动汽车气动特性的设计和研究。

1.3 国内外研究现状

空气动力学是力学的一个分支，主要研究物体在同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化；是在流体力学的基础上，随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一门学科。把空气动力学的概念与研究成果引入汽车设计中，形成独特的汽车空气动力学学科，是从上世纪20年代开始的。当时空气动力学在航空航天领域内得到了飞速发展，很多航空领域的空气动力学研究成果被尝试移植到汽车领域。德国人pjaray提出了“最小阻力的外形是以流线体的一半构成的外形”和“只有消除汽车尾部气流分离，才能降低阻力”等论点大大推动了汽车空气动力的发展。1933年美国人wE.Lay在密西根大学进行了可更换的各种车头和车尾组成的积木式汽车模型的风洞试验，较详细地分析了车身前后主要参数对气动阻力的影响和前后流场的相互作用^[4]。多年来汽车空气动力学的研究成果，使得汽车的气动阻力系数不断降低。但直到上世纪 70 年代以后，汽车空气动力学的研究才得以真正高速发展起来。以英国人 A.J.sciborRystki 和德国人H.Hucho为代表的一批科学工作者，在总结前人的研究成果基础上结合各自的研究工作，为使汽车空气动力学成为一门独立的研究学科奠定了坚实的基础。目前国外对汽车外流场的湍流解析模型主要是以模型、应力方程模型为代表的时间平均模型和空间平均的大涡流模拟法(LES)，计算所使用的网格数量已经达到(2～3)E6，计算结果接近真实结果，误差控制在5%以内。但目前国内外对汽车外流场的分析研究主要着重在汽车行驶时所受的阻力上，对汽车外流场的分析还不多见。同时，对汽车外流场的流态及涡系的产生及消亡还停留在定性分析阶段，这部分是由于传统的汽车外流场分析多采用两方程 k-#603;模型，而该模型对流场的表现欠佳，对流场的流态分析帮助不大^[5]。

通过在计算流体力学的结果分析中大量采用可视化技术，可以凭借计算机把 数字信息转化为易于研究人员分析和理解的图形或动画，加快对模拟对象的认识， 提高工作效率。

目前，数值模拟最主要的问题就是计算精度问题。网格的形状、结构和所采用的湍流模型和计算方法都对精度有影响。进行整车的流场计算，通常需要划分几十万甚至几百万个网格，这样的网格划分就是在大型计算机上计算也需要几天 的时间才能完成，因此，许多研究所都在集中研究网格生成技术^[6]。正在发展的多重网格法可以用更少的网格数、更少的计算时间以达到相同的或者更高的计算精度。

现在，国外空气动力学软件已经实现全自动划分四面体网格，六面体网格也 实现了自动分块。虽然中国汽车消费量占据了全球消费量的第二大市场的地位，但是大多数厂家自行设计汽车的能力较低，长期处于模仿或直接引进国外技术的开发状态，对汽车空气动力学的研究投入非常少。