直背式小轎車外流場數(shù)值模擬分析研究 汽車工程專業(yè)

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1、 直背式小轎車外流場數(shù)值模擬 摘 要 隨著人們生活水平的提高、建造高速公路水平的提高，人們駕駛汽車的車速就有了明顯增加，這使得對汽車空氣動力學的研究變得極為重要。氣動阻力和氣動升力的研究不僅可以提高汽車的性能，同時可以減少能源的消耗和提高提車的安全性，具有重大的經(jīng)濟意義。傳統(tǒng)的空氣動力學研究是采用風洞試驗，但是這種研究成本高、周期長。隨著計算機技術(shù)和計算流體力學（CFD）的發(fā)展，汽車空氣動力學研究中運用CFD技術(shù)極大的減少了成本和周期。 本文采用CFD方法對長安某型汽車進行了汽車外流場研究。對其汽車進行

2、適當建模，研究它的外流場特性，得到在不同速度下的氣動阻力和氣動升力。 本課題采用Workbench軟件對長安某型汽車以1:1比例建立簡單三維模型，并畫出流場域，采用ICEM對其進行分塊網(wǎng)格劃分。運用Fluent軟件對其進行汽車外流場數(shù)值模擬，分析它的氣動阻力特性、氣動升力特性和流動情況。 關(guān)鍵詞：空氣動力學特性 計算流體力學 網(wǎng)格劃分 流場 ABSTRACT With the improvement of people's living standard, the rapid development of expressway and the increase of veh

3、icle speed, it is very necessary to study the aerodynamic characteristics of automobile. The study of aerodynamic drag and aerodynamic lift can not only improve the performance of the car, but also reduce the energy consumption and improve the safety of the car. The traditional aerodynamics research

4、 USES wind tunnel test, but this kind of research cost is high, the cycle is long. With the development of computer technology and computational fluid mechanics (CFD), the application of CFD technology in automobile aerodynamics research greatly reduces the cost and cycle. In this paper, CFD method

5、 is used to study the automobile outflow field of a certain type of automobile in chang 'an. The model of the vehicle is properly modeled, and the characteristics of its outflow field are studied. The aerodynamic resistance and aerodynamic lift at different speeds are obtained. In this project, Wor

6、kbench software was used to build a simple 3d model for a certain type of automobile in chang 'an at 1:1 ratio, and flow field was drawn. ICEM was used to segment the grid. Fluent software was used to simulate the numerical simulation of the outflow field of its memory vehicles, and its aerodynamic

7、resistance characteristics, aerodynamic lift characteristics and flow conditions were analyzed. Keywords: aerodynamic characteristics; computational fluid dynamics; grid division; flow field division 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 目錄 1 1 緒 論 3 1.1研究目的及意義 3 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1.3論文主要工作 5 2 汽車空氣動力學

8、基礎(chǔ) 6 2.1氣動阻力 6 2.1.1形狀阻力 6 2.1.2摩擦阻力 7 2.1.3誘導阻力 7 2.1.4干擾阻力 7 2.1.5內(nèi)循環(huán)阻力 7 2.2氣動升力 8 2.3本章小結(jié) 8 3 計算流體動力學理論 9 3.1計算流體動力學介紹 9 3.2控制方程 9 3.2.1質(zhì)量守恒方程 9 3.2.2動量守恒方程 10 3.2.3能量守恒方程 10 3.3湍流模型 11 3.3.1標準的k-ε模型 11 3.3.2 RNGk-ε模型 11 3.4 插值格式 12 3.4.1 一階迎風格式 12 3.4.2中心差分格式 12 3.4.3QUICK格

9、式 13 3.4.4二階迎風格式 13 3.5本章小結(jié) 13 4 CAD建模及網(wǎng)格劃分 14 4.1汽車CAD建模 14 4.2ANSYS ICEM CFD 簡介 14 4.3對汽車進行網(wǎng)格劃分 15 4.4網(wǎng)格質(zhì)量調(diào)整及導出網(wǎng)格文件 16 4.5本章小結(jié) 16 5 汽車外流場數(shù)值模擬 17 5.1邊界條件 17 5.2 求解參數(shù)設(shè)置 17 5.3汽車各速度下的模擬計算結(jié)果及分析 22 5.3.1氣動力學分析 23 5.3.2 車身表面壓力分析 25 5.3.3速度流線圖分析 26 5.4本章小結(jié) 26 總結(jié)與展望 27 參考文獻 28 致謝 30

10、 1 緒 論 1.1研究目的及意義 近年來，時代飛速的發(fā)展，使得汽車普及量大大增加。高速公路的發(fā)展，又使得汽車車速提高，這樣就對汽車的舒適性、安全性、操作穩(wěn)定性有了更高的要求。車輛的發(fā)展重點是以地球上有限的礦質(zhì)燃料能源為基礎(chǔ)，在當前與日后比較長的一段時間內(nèi)，絕大多數(shù)車輛均是依靠燃燒各類化石燃料來驅(qū)動的，所以降低油耗變成了車輛技術(shù)的主要研究課題。 近年來的發(fā)展過程中，人們認為有很多方法可以達到節(jié)約燃料，提高燃料的質(zhì)量，例如用油機代替汽油發(fā)動機，使用復合動力裝置，參照替代燃料的新方法，制定先進的標準。但最明顯的節(jié)能效果是借鑒新的清潔能源，降低汽車的空氣阻力和滾動阻力，由于汽車結(jié)構(gòu)的

11、限制，降低空氣阻力越來越受到工程師的重視。 風洞試驗是研究汽車空氣動力學的傳統(tǒng)方法，得到的物理流場比較符合實際情況。但是風洞試驗造價較高、耗資較大，在經(jīng)濟條件一般的情況下根本無法實行。風洞試驗的各種誤差因素較多，既要考慮到風洞邊界條件的影響，還要考慮湍流、風速、風向、雷諾數(shù)等的影響，而且數(shù)據(jù)采集的測量存在一定的誤差和實驗結(jié)果需要換算等問題，雖然試驗技術(shù)還在完善，但是仍存在一些問題，所以要想得到準確結(jié)果還需要對風洞試驗進行完善。 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學CFD技術(shù)也有了巨大的發(fā)展，對于以前只能在風洞里面才能進行的試驗，現(xiàn)在已經(jīng)能夠在計算機上模擬了，并且得到的數(shù)據(jù)和風洞試驗得到的數(shù)據(jù)

12、基本吻合，可信度高。因此，計算流體力學在汽車空氣動力學研究中被廣泛應用。汽車外流場的數(shù)值模擬結(jié)合傳統(tǒng)的研究方法，不僅在汽車性能方面得到了有效的改善，并且節(jié)省了研究的經(jīng)費，提高了探究的效率。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 風洞是固有的車輛空氣動力性質(zhì)的探究方式，其投資成本高、實驗周期久，存有堵塞效應，地平面效應等問題，而且無法具體掌握汽車外界流動速率、壓力等參量的布局狀況，因此只采取風洞實驗與道路表面檢測技術(shù)探究車輛空氣動力學，已無法達到更快設(shè)計出更加經(jīng)濟、舒適的車輛需求，伴隨電子技術(shù)的進一步發(fā)展而快速成長起來的數(shù)字模擬方式為車輛空力學的探究開創(chuàng)了新的渠道，近些年，車輛空氣動力學數(shù)值仿真發(fā)展快速，其

13、重要程度也在不停增大，運用領(lǐng)域也在快速擴增，在早階段汽車類型的研發(fā)中，運用數(shù)值仿真能夠為車輛氣動外型的初步選取供應參考，可以便利、直觀的認識車輛每個模塊的空力學情況與尾端渦區(qū)架構(gòu)與布局狀況，初步運算出整輛車的氣阻參數(shù)，為深入設(shè)計供應參考，極大簡短了整輛車的研發(fā)周期，同時節(jié)約了成本。 潘小衛(wèi)運用CFD軟件對F1賽車模型（包括后視鏡、輪胎花紋）執(zhí)行外流場模擬，具體解析了車輛前后負升力翼、輪胎、車身導流器所受作用力狀況，及車輛氣阻與氣動升力形成的原理，接著運用風洞試驗室，對此F1賽車執(zhí)行風洞試驗，實驗結(jié)果證實，其氣阻與氣動升力參數(shù)與模擬結(jié)果相近，表明了CFD模擬的準確性[1]。 傅立敏等對紅旗C

14、A774轎車展開了數(shù)值仿真，獲得了整輛車的流場架構(gòu)與尾部流體場的渦系架構(gòu)，成功仿真出氣流分隔與拖拽現(xiàn)象，通過與試驗結(jié)果對比，證實了數(shù)值模擬結(jié)果是正確的[2]。 Jindal S和 Khalighi B 利用CFD對SUV和皮卡車進行數(shù)值模擬，采用局部網(wǎng)格優(yōu)化的笛卡爾網(wǎng)絡增加，得到了表面壓力，速度剖面和氣動阻力系數(shù)，和現(xiàn)有的測量結(jié)果相接近，說明了CFD仿真的可靠性[3]。 近些年，車輛空力學數(shù)值模擬發(fā)展快速，其重要程度不停提升，運用領(lǐng)域也不斷擴增，模型在設(shè)計的早先時期，運用數(shù)值仿真能夠供應車體的空力學外型的基礎(chǔ)，能夠便利、直觀的掌握車輛零件的形態(tài)與空力學特征，轎車初步運算氣阻參數(shù)與升力參數(shù),

15、提供進一步詳細設(shè)計的基礎(chǔ),縮短車輛的開發(fā)周期,節(jié)省金錢[4]。 江賢軍對工程車輛車體應用CFD工具Fluent做出了數(shù)值仿真，同時對結(jié)果做出了解析與改進，在車輛空力學數(shù)值仿真的實際應用層面進行了許多有效的嘗試[4]。 陳倩云等運用Ansys ICEM對車輛外流場2D模型構(gòu)建同時對其予以網(wǎng)格分劃，鑒于Ansys Fluent對外流場做出數(shù)值仿真，獲得其負荷與速率云圖與速率矢量圖，從直觀上對車輛外流場的氣流狀況予以掌握，經(jīng)過數(shù)值仿真的數(shù)據(jù)對車輛外流場的真實狀況展開探析，為改進車輛的氣動特性供應了理論參考[5]。 胡韓飛運用車輛空力學數(shù)值運算的函數(shù)力學原理，采取Star-cd和UG18.0工具

16、相互聯(lián)合，對長安羚羊1300CDB型轎車做出數(shù)值運算仿真，同時對結(jié)果做出了具體的解析，計算出汽車受到氣動阻力系數(shù)和升力系數(shù)，然后對汽車的氣動造型提出了一些改進意見[6]。 安徽江淮車輛企業(yè)技術(shù)部門的徐志寶運用CFD方式對某一款車輛的外流場做出仿真，模型模擬風洞實驗，運算出此車輛的風阻參數(shù)與升力參數(shù)，同時對尾端擾流板做出了優(yōu)化改善，最終得到了滿足設(shè)計要求的流場性能[7]。 董貴楊等人描述了運算流體力學在車輛工程范疇中的運用情況，重點描述了車輛CFD技術(shù)在流體場、發(fā)動機、空調(diào)體系與噪音等范疇中的分析發(fā)展，給出了在CFD技術(shù)分析中需進一步處理的問題，并展望了其發(fā)展趨勢和應用前景[8]。 宋振寰

17、講述了中外運用CFD對車輛車體外流場仿真的探究情況，當前外國CFD工具正往全自控分劃網(wǎng)格，快速高精確度的運算層面發(fā)展，而我國對CFD的探究發(fā)展還處于一個初級水平[9]。 常思勤解析了流體動力學的運用前景與運用過程中產(chǎn)生的主要問題，同時聯(lián)合詳細案例探討了近些年來CFD的發(fā)展情況與CFD在車輛與其零件設(shè)計當中的運用[10]。 郭建成講述了CFD數(shù)值仿真技術(shù)在氣動力運算方面的形成機理，講述了車輛氣阻的組成與氣動升力的形成機理，其顧及到車輛氣動力的模擬運算在運算結(jié)果層面與風洞實驗間具有一定偏差，從CAD模型、格網(wǎng)與求解設(shè)定3個層面探究了車輛氣動力的高精確度運算方式，為處理車輛氣阻改進方式存有的矛盾

18、問題，其以某個轎車為例，把迭代的思想引進了局部改進中，探究， 局部迭代改進方式在氣阻CFD中的運用，改進結(jié)果顯示，在4次局部迭代優(yōu)化后，SUV的氣動阻力降幅為9.24%[11]。 車輛外流場數(shù)值仿真即是運用數(shù)值仿真的方式對車輛運動過程中的外流場做出解析，和固有的探究方式相互聯(lián)合，有效的改進了車輛性能、節(jié)省探究資金、提高研究效率[12]。 1.3論文主要工作 建立直背式轎車外流場物理模型，通過數(shù)值模擬的方法計算汽車外流場，分析得到汽車形狀與氣動特性之間的關(guān)系。 2 汽車空氣動力學基礎(chǔ) 汽車空氣動力學是流體力學的重要組成部分，它研究相對運動中汽車與周圍空氣之間的力與運動規(guī)律之

19、間的關(guān)系。 車輛向前移動時候和空氣間繁瑣的作用對車輛的駕駛狀態(tài)具有較大的影響，尤其是在車輛快速運行過程中，會形成比較強的氣動效應。大家都知道，車輛的氣動力與車輛速率的平方成正相關(guān)關(guān)系，與氣阻的電能與油耗和速率的三次方大幅增長，所以，優(yōu)異的汽車外形設(shè)計讓汽車氣動阻力降低,不僅可以使汽車的動力性能有所改善,而且還可以讓車輛的燃油經(jīng)濟性有所提高。對于高速汽車來說，安全高速行駛的前提是氣動穩(wěn)定性。 2.1氣動阻力 無風環(huán)境使，氣動阻力的表達式為 （2-1） C—空氣阻力系數(shù) ρ—空氣密度

20、 V—汽車與空氣的相對車速 A—汽車正投影面積 空氣和車體表層的互相作用，令其形成往后的縱方向分立稱作氣阻，這一阻力和車輛速度的平方成正相關(guān)關(guān)系。氣阻重點是由壓力差阻力與摩阻力構(gòu)成，此中壓力差阻力占據(jù)絕大部分，除了這兩種阻力之外，汽車還會受到誘導阻力、干擾阻力和內(nèi)循環(huán)阻力。 2.1.1形狀阻力 氣流通過汽車表面過程中，部分汽車表面的方向急劇改變，此處的空氣速度就會產(chǎn)生渦流，渦流會使能量產(chǎn)生損耗，令其移動阻力增大。在車輛的窗格凹角、后窗口與后備箱凹角位置，及在后部的尾流分隔區(qū)形成渦流，產(chǎn)生負壓力，車輛為正壓力，因此又把渦流引發(fā)的阻抗稱作壓力差阻力，由于車體外型對這一阻力產(chǎn)生了影響，因此

21、也稱作形狀阻力。 2.1.2摩擦阻力 車輛空氣阻力是由車體表層空氣黏度引發(fā)的切向作用力引發(fā)的?？諝馀c其它流體都具備黏性，當空氣經(jīng)過水平面的時候，因為黏性的作用，空氣粒子和水平面間的摩擦，氣體流動的摩擦，形成一種阻力稱為摩擦阻力。其表達式為 （2-2） η—空氣動力粘度，1.7894×10-5N·s/m2 2.1.3誘導阻力 誘導阻力是由于通過車體的頂部和底部的空氣流引起的阻力，因為通過車體的頂部和底部表面的空氣行程不同，空氣速度不同從而在車體之間產(chǎn)生壓差，即升力，它在水平方向上有分力，這部分分力稱為誘導阻力。誘導阻力系數(shù)CDi和升力系數(shù)

22、CL的關(guān)系為： （2-3） （2-4） （2-5） b—汽車寬度 A—汽車正投影面積 2.1.4干擾阻力 由于車體突出部分，如擋泥板、門把手、流水槽、后視鏡等部件所造成的阻力，稱之為干擾阻力。 2.1.5內(nèi)循環(huán)阻力 空氣通過車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用來

23、發(fā)動機冷卻和艙內(nèi)通風所造成的阻力稱為內(nèi)循環(huán)阻力。 2.2氣動升力 汽車氣動升力是指汽車頂部與底部的空氣流速不一樣而產(chǎn)生向上的力。車輛遭受的升力包含壓力差升力與黏性升力，此中壓力差升力所占范圍比較大，形成壓力差升力的因素重點包含2個，一個是因為車輛上下表層曲率不一樣，前面車輛經(jīng)過車體時的速率也不同，按照伯努利公式，速率快的區(qū)域壓力小，速率慢的區(qū)域壓力大，進而構(gòu)成了上下表層的壓力差，另外車頭位置的切向曲率對構(gòu)成上下表層的壓力差也具有極大的影響，另外一面是因為地平面效應的作用[13]。在車底與地平面之間構(gòu)成了一種近似于減縮噴管的氣道，在車底構(gòu)成負向升力。黏性升力重點是因為車輛表層脫落的渦流，對車

24、輛形成的上下作用力。 氣動升力身為評估車輛空力學性能的重要因素之一，不但對車輛的操作平穩(wěn)性與動力學特性具有直接的影響，另外也對油耗的經(jīng)濟性造成了一定的影響，當車輛速率超出70km/h時，一些車輛會產(chǎn)生 “發(fā)飄”這一高速氣動不平穩(wěn)的現(xiàn)象，即駕駛?cè)藛T感到駕駛的汽車喪失路面感，氣動升力較大引發(fā)的[13]。氣動升力將會降低車輛輪胎的抓地力，重量比較輕的車輛，尤其是重心往后的車輛，對前面輪胎的升力比較敏感，因為升力是伴隨車輛速度的平方而提高，升力有的時候能夠達到上千牛，如此讓車輛抓地力下降而失去控制，此類事故在賽車的時候時常產(chǎn)生，縱傾氣動力矩將會引發(fā)前輪與后輪的荷載改變，或使前轉(zhuǎn)向輪失去轉(zhuǎn)向力，或使后

25、驅(qū)動輪失去驅(qū)動力，影響汽車操縱穩(wěn)定性[14]。 2.3本章小結(jié) 本章主要介紹了汽車空氣動力學問題中的氣動相關(guān)概念，并闡述了汽車在行駛時受到的氣動阻力、氣動升力對汽車性能的影響。 3 計算流體動力學理論 3.1計算流體動力學介紹 計算流體動力學（簡寫成CFD，計算科學和工程的快速發(fā)展，推動了計算流體的發(fā)展，讓這只是一門分支的學科逐漸的成熟，近幾十年來，各種CFD軟件被發(fā)明出來，運用在各個領(lǐng)域，如航空、水利、汽車中，儼然成為實用化的商品軟件。 計算流體動力學在數(shù)字分析上沿著2個方向邁進，一個是在簡易的幾何外型下，經(jīng)過數(shù)值方式來找出部分基礎(chǔ)的物理定律，或設(shè)計出更高效的運算方式

26、，另外一個則是處理項目實際需求，果然不是源自一個實際的物理模型的結(jié)果。CFD是多個領(lǐng)域交叉的一個學科，直接經(jīng)過數(shù)值仿真來做出預估，為項目設(shè)計供應參考，理論的預估源自于函數(shù)模型牽涉流體動力學、微分公式理函數(shù)理論、運算幾何、數(shù)值分析等，這類學科的相交結(jié)合，互相推動與支持，推進了學科的快速發(fā)展[15]。 求解數(shù)值的方法有很多，在CFD方面主要運用的是有限差分法、有限元和有限體積分析法，他們主要是可以把計算域分成很多分極小的網(wǎng)格，并在此基礎(chǔ)上建立離散方程組，這些方程求解是要在一些給定的值上開始計算，運用迭代方法進行推進，一直到最后達到收斂的標準。 3.2控制方程 3.2.1質(zhì)量守恒方程 不管是

27、什么運動，它都要遵循質(zhì)量守恒定律。該定律可以簡述為：一定時間內(nèi)從流體流出的流體質(zhì)量與總流體減少的質(zhì)量相等。由這一定律可以得到質(zhì)量守恒方程 （3-1） 用場論符號表示為 （3-2） 利用散度公式 （3-3） 并運用質(zhì)點導數(shù)表達式可將（3-2）改寫為

28、 （3-4） （3-2）和（3-4）被稱為連續(xù)性方程，它們是以微分形式來表達的。只要是同一種流體，這兩個方程都適用。 3.2.2動量守恒方程 不管是什么流動系統(tǒng)，它都應該滿足動量守恒定律。它可以簡述為：流體系統(tǒng)中作用在此系統(tǒng)的質(zhì)量力和表面力的和要與流動的動量的變化率相等。因此在直角坐標系中可以得到關(guān)于X、Y、Z方向的動量守恒方程 （3-5） （3-6） （3-7） 慣性項用矢量質(zhì)點導數(shù)式，粘性項用應力張量的散度表

29、示 （3-8） （3-8）為流體的動量方程，它也是以微分方程的形式來表達的，任何流體都適用。把應力分量表示為速度和壓強的函數(shù)，就可以解出這個方程，即補充流體的本構(gòu)方程。 3.2.3能量守恒方程 把流體看作一個熱力學系統(tǒng)，流體時刻都在運動，設(shè)該系統(tǒng)距離平衡態(tài)很近，就能夠獲得：外部作用力對此系統(tǒng)所做的功與熱量傳輸功率總和與總能量的變動率應該一致。 （3-9） 3.3湍流模型 3.3.1標準的k-ε模型

30、 k方程為 （3-10） ε方程為 （3-11） 湍流模型中如果只有兩個方程，那么這就是最簡單的湍流模型。它是一個半經(jīng)驗公式，是人們從實驗現(xiàn)象中自己總結(jié)出來的，它的經(jīng)濟性很高，并且具有合理的精度，但是此模型只在完全湍流的流動過程中才適用。 3.3.2 RNGk-ε模型 k方程為 （3-12） ε方程為 （3-13） 將C2改為函數(shù)形式 （3-14） 或C1改為函數(shù)形式

31、 （3-15） 通過嚴格的統(tǒng)計技術(shù)，人們得到了RNGk-ε模型。其與標準k-ε模型具有許多近似的地方，但也有很多改進：RNGk-ε模型是在ε公式中增添了1個條件，讓精確度獲得了提升；還有此模型考慮到出現(xiàn)湍流旋渦的情況，使得這個方面的精度也有所提高。RNG理論供應了一個能夠探究低雷諾數(shù)的流動黏性方程式。所以，RNGk-ε模型擁有比較高的精確度與可靠性。 3.4 插值格式 在構(gòu)建離散公式的時候，一般運用有限體積方法來構(gòu)建，經(jīng)過結(jié)點物理量插值求算出氣體的體積頁面上的物理量與其導數(shù)是比較關(guān)鍵的一步，為構(gòu)建離散表達式，就引進了插值方法，

32、插值方法的差異，對應于的離散結(jié)果也會有所不同，所以，插值方式也叫做離散方式[16]。1階迎風方式、2階迎風方式、QUICK方式與中點差分方式是使用比較普遍的插值方式。 3.4.1 一階迎風格式 一階迎風格式表達式 （3-16） 定義 ， （3-17） 和 ， （3-18） 表面上的未知函數(shù)選取迎風側(cè)結(jié)點的數(shù)值，其會令這一迎風形式擁有1階截差，因此稱這一迎

33、風形式是1階迎風形式。這一迎風方式不會因運算條件的轉(zhuǎn)變而使所獲得的解產(chǎn)生偏差。但是，這種迎風格式存在假擴散的問題，通常需要加密網(wǎng)格來避免假擴散。 3.4.2中心差分格式 中心差分格式為 （3-19） =1，2,3…，N-1 假如運用線性插值的方式來運用表面上的物理量，即選取上部結(jié)點與下部結(jié)點的數(shù)學平均值，稱作為中點差分方式。其所使用的條件比較平穩(wěn)，只要網(wǎng)格Pe數(shù)不大于2，所得的計算結(jié)果與精度就比較吻合，只要在參數(shù)范圍內(nèi)發(fā)生或不發(fā)生振蕩，獲得的結(jié)果就比較準確。 3.4.3QUICK格式 QUICK格式為 （3

34、-20） 針對流體采取2次迎風插值，能夠改善離散表達式的截差，即提升插值函數(shù)來提升截面偏差，盡管對流體的QUICK格式擁有3階精確度的截差，但擴展項卻仍僅有2階截差，當架構(gòu)網(wǎng)格和流向平齊的時候，QUICK格式所獲得的計算結(jié)果就比二階迎風格式所得的結(jié)果較為準確[17]。 3.4.4二階迎風格式 二階迎風格式表達式 （3-21） 定義 ， （3-22） 和 ， （3-23）

35、 2階迎風方式和1階迎風方式的相同之處主要為，兩者都經(jīng)過上游模塊結(jié)點的物理量來確認調(diào)控體積截面的物理量，但是2階迎風方式不但要運用于上游相近1個結(jié)點的數(shù)值，還需要運用另外1個上游結(jié)點的數(shù)值，其能夠當作是在1階迎風方式的基準上，思考了物理量在結(jié)點之間布局曲線的曲率影響，在2階迎風方式中，僅有對流體項采取了2階迎風方式，而擴展項仍舊采取中點差分方式，二階迎風格式的離散方程具有二階精度的截差，且具有守恒特性，二階迎風格式具有二階精度的截差，但仍有假擴散問題[18]。 3.5本章小結(jié) 本章主要闡述了計算流體力學的發(fā)展和求解方法，并介紹了控制方程、湍流模型和插值格式的相關(guān)概念及它們對計算精度的影響。

36、 4 CAD建模及網(wǎng)格劃分 4.1汽車CAD建模 本文對長安某汽車進行研究，查得汽車的真實數(shù)據(jù)如下： 表4.1長安某型汽車尺寸 車長 3.73m 車高 1.53m 車寬 1.650m 此次設(shè)計模型為簡化模型，主要研究汽車后背對汽車外流場的影響，因此忽略后視鏡、輪胎等對外流 場所造成的影響。汽車據(jù)地高度為160mm，以此為模型在workbench中建立汽車模型。 圖4.1 汽車CAD模型 4.2ANSYS ICEM CFD 簡介 ICEM可以修復CAD模型，既可以自動生成粗略網(wǎng)格，也可以進行塊劃分生成精細的網(wǎng)格，并且可以自動中面抽取，還有獨特的網(wǎng)格檢查和編

37、輯技術(shù)。作為前處理軟件，ICEM是極為專業(yè)的。 4.3對汽車進行網(wǎng)格劃分 采用ANSYS DM建模模塊，利用包絡（Enclosure）功能建立了車體模型外部流場區(qū)域，區(qū)域尺寸設(shè)置如下： 車體頭部左側(cè)邊界距離6m，右側(cè)邊界距離12m，車體側(cè)面邊界距離2m，車體頂部邊界距離5.5m，底部邊界距離0.16m。 表4.2流場尺寸 流場長度 21.73m 流場高度 7.19m 流場寬度 5.65m 地面 側(cè)面 汽車 出口 入口 頂部 4.2 流場域 在ICEM中進行網(wǎng)格劃分，并對車身周圍進行網(wǎng)格加密： 4.3-2車體網(wǎng)格內(nèi)部剖切圖 4.4網(wǎng)格質(zhì)量調(diào)整及導出

38、網(wǎng)格文件 最后對網(wǎng)格進行局部調(diào)整，使其在后處理部分的計算精度增加。 4.4-1網(wǎng)格質(zhì)量信息圖 網(wǎng)格質(zhì)量除了極少部分在0.2，絕大部分都大于0.5，表示網(wǎng)格質(zhì)量良好。 4.5本章小結(jié) 本章主要闡述了需要模擬的汽車模型尺寸、流場尺寸和流場邊界，介紹了ICEM軟件和對網(wǎng)格生成之后的處理和檢查。 5 汽車外流場數(shù)值模擬 本論文運用Fluent 16.0對車輛外流場予以數(shù)值模擬，把上文ICEM繪制好的網(wǎng)格導進Fluent軟件中，進行數(shù)值模擬。 5.1邊界條件 5.1邊界條件 計算域邊界 設(shè)定值 計算域入口 U=行駛速度，v=0 計算域出口 壓力出口 地面及

39、側(cè)面 移動壁面 U=行駛速度，v=0 計算域上邊界 滑移壁面 汽車表面 無滑移壁面 流體 空氣：ρ=1.225kg/m3 5.2 求解參數(shù)設(shè)置 設(shè)置計算模型 圖5.1模型控制圖 設(shè)置進口條件 圖5.2進口條件控制圖 設(shè)置出口條件 圖5.3出口條件控制圖 設(shè)置計算域壁面條件 圖5.4計算域壁面條件控制圖 設(shè)置地面滑移條件 圖5.5地面滑移條件控制圖 設(shè)置汽車壁面條件 5.2-6汽車壁面條件控制圖 設(shè)置汽車計算參考數(shù)值 圖5.7汽車參考數(shù)值圖 修改收斂標準 圖5.8收斂控制圖 設(shè)置氣動阻力監(jiān)測曲線 圖5.9氣

40、動阻力監(jiān)測控制圖 設(shè)置氣動升力監(jiān)測曲線 圖5.10氣動升力監(jiān)測控制圖 設(shè)置迭代步數(shù) 圖5.11 迭代步數(shù)控制圖 5.3汽車各速度下的模擬計算結(jié)果及分析 本文對汽車在30km/h、60km/h、90km/h、120km/h的行駛速度進行數(shù)值模擬，結(jié)果均收斂。壓力云圖、速度流線圖，并對其進行分析。通過Fluent的模擬計算得到的氣動阻力和氣動升力，計算其氣動阻力系數(shù)CD和氣動升力系數(shù)CL： D—氣動阻力 L—氣動升力 ρ—空氣密度，為1.225kg/m3 A—正投影面積 5.3.1氣動力學分析 通過模擬得到汽車在30km/h、60km/h、90km/h、12

41、0km/h速度下的氣動阻力D、氣動升力L，計算得到氣動阻力系數(shù)CD和氣動升力系數(shù)CL。 表5.2 65°直背式汽車阻力 模擬車速（km/h） 壓差阻力（N） 粘性阻力（N） 氣動阻力（N） 氣動阻力系數(shù) 30 100.64759 3.0688267 103.71642 0.9667 60 382.64459 10.507572 393.15216 0.9150 90 843.50671 22.014107 865.52082 0.8956 120 1483.1071 37.381721 1520.4888 0.8846 表5.3 65°

42、直背式汽車升力 模擬車速(km/h) 壓差升力（N） 粘性升力（N） 氣動升力（N） 氣動升力系數(shù) 30 -39.171116 0.27366364 -38.897452 0.1487 60 -145.85889 0.84784615 -145.01104 0.1384 90 -327.29868 1.6253808 -325.67329 0.1382 120 -575.37573 2.6908495 -573.68488 0.1370 表5.4 70°直背式汽車阻力 模擬速度（km/h） 壓差阻力（N） 粘性阻力（N） 氣阻（N

43、） 氣阻系數(shù) 30 89.72234 2.721662 32.966 0.8362 60 320.92999 9.767384 330.697374 0.7696 90 723.7888 20.667265 744.4564 0.7703 120 1235.3654 33.195652 1268.5610 0.7380 表5.5 70°直背式汽車升力 模擬車速（km/h） 壓差升力（N） 粘性升力（N） 氣動升力（N） 氣動升力系數(shù) 30 -34.00412 0.2652074 -33.7389 0.1290 60 -12

44、8.57451 0.83091932 -127.7436 0.1219 90 -285.93576 1.6111822 -284.33493 0.1207 120 -506.55365 2.6603465 -503.893303 0.1202 表5.6 75°直背式汽車阻力 模擬車速（km/h） 壓差阻力（N） 粘性阻力（N） 氣動阻力（N） 氣動阻力系數(shù) 30 75.543205 2.4275899 77.970795 0.7216 60 292.99844 8.4909592 301.4894 0.7016 90 650

45、.35797 17.519754 667.8773 0.6911 120 1148.8632 29.529917 1178.3931 0.6856 表5.7 75°直背式汽車升力 模擬車速（km/h） 壓差升力（N） 粘性升力（N） 氣動升力（N） 氣動升力系數(shù) 30 -29.212746 0.26129371 -28.951452 0.1107 60 -114.44735 0.81674951 -113.6306 0.1085 90 -254.66298 1.6047962 -253.05818 0.1074 120 -440

46、.74533 2.6380186 -438.10731 0.1046 圖5.12氣動阻力系數(shù)曲線 圖5.13 氣動升力系數(shù)曲線 由5.2表到5.7表可知，直背式汽車隨著車速的增加，氣動阻力和氣動升力會極速增加，因此，當直背式汽車速度變快時，氣動阻力占汽車阻力的比例迅速增加，汽車燃耗增加，氣動升力的極速增加也會使得汽車的安全性降低。隨著直背式汽車后背角度的小范圍增加，氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)都逐漸減小，因此，直背式汽車的后背角度在小范圍內(nèi)增加時，汽車的燃料消耗有所降低，安全性有所提高。 5.3.2 車身表面壓力分析 圖5.14 65°直背式汽車60km/h壓力云

47、圖 汽車車身表面的壓強分布與車體形狀息息相關(guān)，汽車的空氣動力學特性直接受它影響。由圖5.14知，車頭與車窗部分是高壓部分，而車蓋和車尾部分是低壓區(qū)，這兩部分的壓強是造成氣動阻力的主要原因，他們相差越大，就會讓氣動阻力越大。 5.3.3速度流線圖分析 圖5.15 65°直背式汽車60kn/h速度云圖 由圖5.15知，空氣流速在車體周圍發(fā)生復雜的變化，在車頭空氣流速前部分減小，并在貼近車頭時急劇減小，氣流一部分流向車底，與本來車底的氣流結(jié)合，此時空間變窄，流速增加，但在車尾空間又變寬，速度又變??；氣流另一部分流向車頂，與上部分氣流結(jié)合，速度在車頂急劇增加，流向車尾時速度又急劇減小，車尾

48、上部分速度大，車尾下部分速度小，形成漩渦，尾部的漩渦的存在會造成大部分的能量流失。 5.4本章小結(jié) 本章介紹了Fluent軟件的使用方法，對汽車外流場進行了數(shù)值模擬，得到了汽車性能與汽車后背之間的關(guān)系，并對汽車的壓力圖和速度流線圖進行了詳細的分析。 總結(jié)與展望 本文采用CFD技術(shù)對汽車進行三維數(shù)值模擬，得到了不同后背角度的直背式轎車的氣動阻力和氣動升力以及汽車外流場，計算得到了對應的氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)。對壓力云圖和速度流線圖進行分析氣動阻力個產(chǎn)生原因和周圍空氣的流動情況，對汽車外流場進行了較為詳細的分析。 以后的工作在建立汽車模型時要加上輪胎、后視鏡和擾流器等部位，運

49、用精度更高的插值格式和計算方法，從而降低氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)。 參考文獻 [1]潘小衛(wèi). 賽車CFD仿真及風洞試驗研究[D].湖南大學,2009. [2]傅立敏,沈俊,王靖宇.汽車流場及尾部渦系數(shù)值模擬[J].吉林工業(yè)大學自然科學學報,2000(02):6-9. [3]Jindal S, Khalighi B. Numerical Investigation of Road Vehicle Aerodynamics Using Immersed Boundary RANS Approach[J]. Sae Technical Papers, 2005. [4]江賢軍

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