汽車空氣動力學(xué)解析教程修訂版

1、車輛空氣動力學(xué)培訓(xùn)車輛空氣動力學(xué)培訓(xùn) CDAJ-China 技術(shù)部 案例路徑：C:Program FilesCD-adapcoSTAR-CCM+9.02.005docstartutorialsdata 目錄 I.車輛空氣動力學(xué)計(jì)算概論 II.基于STAR-CCM+的車輛空氣動力學(xué)解析過程 一解析用數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 二幾何數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與導(dǎo)入 三Mesh生成 四物理模型與邊界條件設(shè)定 五輸出設(shè)定（Cd, Cl等） 六解析執(zhí)行與結(jié)果評價(jià)方法 車輛空氣動力學(xué)計(jì)算概論 車輛空氣動力學(xué)計(jì)算中具有代表性的評價(jià)指標(biāo)是：Cd值，Cl值及Cp值。 Cd值，風(fēng)阻系數(shù) Cl值， 升力系數(shù) Cp值，壓力系數(shù) 車輛周邊流場，車輛底部

2、空間（underbody）與車輛尾部的流場具有強(qiáng)非定常特性（圖示中綠色區(qū)域） RANS模型對漩渦運(yùn)動的細(xì)節(jié)不能很好的捕捉所以在對求解精度有高要求的時(shí)候，使用DES模型進(jìn)行 非定常計(jì)算是必要的 車輛空氣動力學(xué)計(jì)算概論 車身阻力系數(shù)含義說明： 車輛空氣動力學(xué)計(jì)算概論 壓力系數(shù)含義說明： 車輛空氣動力學(xué)計(jì)算概論 Cd值，定常計(jì)算也可以獲得較好的精度 雖然車輛尾部的流場是非定常的，但使用定常計(jì)算也可獲得5%的精度 一般，在調(diào)整解析參數(shù)前，結(jié)果可能偏高 影響Cd值的因素 車輛前方的壓力分布 車輛的來流速度分布（profile） 車輛后方的壓力分布 車輛上方產(chǎn)生的流動分離，對尾部流場的影響 汽車底部的流體

3、產(chǎn)生的分離，對尾部流場的影響 流經(jīng)兩側(cè)的流場情況，對尾部流場的影響 后視鏡與車輪等引起的擾動，對尾部流場的影響 風(fēng)洞數(shù)據(jù)存在的誤差 相關(guān)的討論 車輛尾部的流場是變化的，車輛前后的壓差也是變化的，通過underbody的風(fēng)量是變化的，需要關(guān)注 的是，車輛上方的流場，車輛側(cè)方及后視鏡與車輪附近的流場，underbody附近的流場。 車輛空氣動力學(xué)計(jì)算概論 Cl值，適于用非定常計(jì)算來評價(jià) 影響Cl的因素： 車輛上方的壓力分布 車輛上方的流場分布 車輛下方的壓力分布 underbody附近的流場分布 underbody的形狀一般比較復(fù)雜，流動較亂，漩渦比較多 通過underbody的風(fēng)量，對尾部流場影

4、響很大 車輛空氣動力學(xué)計(jì)算概論 影響車輛空氣動力學(xué)計(jì)算的其他因素 解析的邊界條件與試驗(yàn)條件一致性 風(fēng)洞條件 Open cross section Blockage correction factor（=車輛投影面積/風(fēng)洞入口面積） 如果該比值小于3%，這樣可以不考慮風(fēng)洞的影響。但通常真實(shí)試驗(yàn)情況下，該值達(dá)到10%的程度。 若在解析中不考慮風(fēng)洞的影響，則需要注意解析與試驗(yàn)結(jié)果的差異 地面條件 地面是否移動 車輛形狀 門把手，側(cè)窗上面的細(xì)節(jié)可能產(chǎn)生流動分離。 所以必須考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ团cCFD模型在幾何上的差別 有多大。 車輛空氣動力學(xué)計(jì)算概論 計(jì)算需要獲得的典型結(jié)果及評價(jià)辦法 Cd值，Cl值，Cp值

5、Wake (Total Pressure Coef.=0的等值面）分離位置的顯示 流速分布 壓力分布 Transient VmagTransient Vmag Averaged VmagAveraged Vmag Average CpAverage Cp Transient Multi Transient Multi SectionSection 目錄 I.車輛空氣動力學(xué)計(jì)算概論 II.基于STAR-CCM+的車輛空氣動力學(xué)解析過程 0. 幾何數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 1. 讀入幾何數(shù)據(jù) 2. 幾何模型準(zhǔn)備 3. 面網(wǎng)格生成（Surface Wrapper） 4. 面網(wǎng)格生成（Surface Remesher

6、） 5. 體網(wǎng)格生成 6. 解析設(shè)定 7. 求解 8. 后處理 0. 幾何數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 風(fēng)洞條件 風(fēng)洞形狀 邊界條件（流速，壓力，地面） 車輛形狀數(shù)據(jù) 風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)是否使用全尺寸，全細(xì)節(jié)模型 是否有對CAD數(shù)據(jù)的簡化 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那闆r（對車門等處間隙的處理有無） 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果 Cd值 Cl值 Cp值 是否有油流或PIV試驗(yàn)的可視化數(shù)據(jù)等 從CAD部件輸出面網(wǎng)格，如STL。部分幾何需要簡化。 數(shù)據(jù)分類 將CAD數(shù)據(jù)大致分為以下幾類： 車身上表面 格柵 車輪 車身下表面 影響氣流分離的一些其它幾何部件（如支柱、擾流板、后視鏡 等） 在CAD里完成分類后，在STAR-CCM+里處理起來會省下不少工作 量。

7、使用STAR-CCM+讀入各STL數(shù)據(jù)。 單擊File New Simulation。 Create a New Simulation 對話框 出現(xiàn)。 選擇單線程Serial。 單擊OK。 1 Tips! 需要并行處理時(shí)，選擇Parallel。 2 3 4 1. 讀入幾何數(shù)據(jù) - 單擊File Import Surface。 出現(xiàn)打開對話框。 - 選擇文件star.dbs，點(diǎn)擊 打開 。 出現(xiàn)Create New Region對話框。 點(diǎn)擊OK 。 2 1 3 4 5 6 7 幾何視圖顯示 透明幾何視圖顯示 2. 幾何模型準(zhǔn)備 l重命名讀入的幾何數(shù)據(jù)重命名讀入的幾何數(shù)據(jù) 讀入的讀入的CAD幾何

8、數(shù)據(jù)（以幾何數(shù)據(jù)（以STL格式為例），文件會自動命名格式為例），文件會自動命名 為類似為類似“pro2stl”的的Boundaries，將它們分別進(jìn)行重命名。，將它們分別進(jìn)行重命名。 將每個(gè)將每個(gè)Boundary重命名為便于識別的名稱。重命名為便于識別的名稱。 邊界分割 將讀入的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行更詳細(xì)的邊界分割，分割的目的在于 方便將來為不同的邊界定義不同的網(wǎng)格尺寸、邊界層參數(shù)、 防接觸設(shè)定、邊界條件等。 利用patch分割邊界 讀入數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)文件都有不同的patch編號。 手動分割 選擇單元（按住Ctrl復(fù)選其它單元） 1選擇面拓展方式選擇面拓展方式 4 5 Sharp Angles 指定面拓

9、展的指定面拓展的 打斷方式打斷方式 2 3 手動分割 肉眼觀察 通過肉眼觀察讀入的幾何表面，找到諸如格柵部件、雨刷安裝孔、 管路開口等一些比較明顯的未封閉計(jì)算域邊界，準(zhǔn)備進(jìn)行修補(bǔ)工 作。 使用間隔在2550mm間的截面來檢查 創(chuàng)建2維截面 大孔，有間隙的地方 格柵部件 發(fā)動機(jī)底部 車門等部件間較大的間隙 截面生成 截面顯示 改變截面位置 值在0.0250.05之間變化 封閉較大的洞和間隙 由于采用包面（Surface Wrapper）技術(shù)，較小的洞并不需要 都封閉。 注意：下面以縫補(bǔ)輪轂上的洞為例來講解補(bǔ)洞操作，實(shí)際模 型中輪轂上的洞可能并不需要封閉。 使用特征線來封閉洞的方法 生成特征線 使

10、用特征線來封閉洞的方法 刪除多余的特征線 2 刪除多余的特征線 使用特征線來封閉洞的方法 封閉洞 使用特征線來封閉洞的方法 合并邊界 刪除特征線 使用修補(bǔ)工具修補(bǔ)洞 診斷 使用修補(bǔ)工具自由邊修補(bǔ)洞 選擇含有洞的邊界 1關(guān)閉顯示 2 選擇邊界 3 4 使用修補(bǔ)工具自由邊修補(bǔ)洞 選擇自由邊 3 用鼠標(biāo)選擇 4 選擇自由邊 單擊右鍵 使用修補(bǔ)工具自由邊修補(bǔ)洞 封閉洞 使用修補(bǔ)工具采用鼠標(biāo)填補(bǔ)方法 用鼠標(biāo)選擇 此例中，采用鼠標(biāo)填補(bǔ)方法的修補(bǔ)工具，封閉格柵部件、發(fā)動機(jī)底 部及車頭底部的漏洞和縫隙。 封閉格柵漏洞 封閉發(fā)動機(jī)底部漏洞 3. 面網(wǎng)格生成（Surface Wrapper） l使用使用star-

11、ccm+的包面（的包面（Surface Wrapper）功）功 能，可以快速地修復(fù)幾何數(shù)據(jù)的表面干涉、重疊、能，可以快速地修復(fù)幾何數(shù)據(jù)的表面干涉、重疊、 搭接、錯(cuò)配、漏洞、縫隙等錯(cuò)誤，得到一套封閉搭接、錯(cuò)配、漏洞、縫隙等錯(cuò)誤，得到一套封閉 的汽車外形表面，用于外流模擬。的汽車外形表面，用于外流模擬。 網(wǎng)格模型的設(shè)定 選擇Surface Wrapper網(wǎng)格模型。 網(wǎng)格模型的設(shè)定 將Region 1的包面方式選為最大外表面。 網(wǎng)格尺寸的設(shè)定 設(shè)定Mesh:Region 1的網(wǎng)格尺寸。 漏洞檢測工具的使用 在包面操作開始前，雖然幾何表面經(jīng)過了檢查和修補(bǔ)，可能 還存在一些比較大的洞和縫隙，用之前的方法

12、沒有發(fā)現(xiàn)，還 可以使用漏洞檢測工具進(jìn)行更加詳細(xì)地檢測。 漏洞檢測工具的使用 這里通過檢測乘員艙內(nèi)外的連通性來演示漏洞檢測工具的用 法。 首先，將Source Point的位置拖動到乘員艙內(nèi)部；然后，將 Target Point 1的位置拖動到車體外部。 漏洞檢測工具的使用 定義完Source Point和Target Point 1的位置后， 點(diǎn)擊Recompute Template + Paths，可以在輸 出窗口看到顯示信息。檢測進(jìn)程完成后，在輸出窗 口中顯示如下內(nèi)容，說明在乘員艙內(nèi)外部之間存在 一條連接通路，也就說明了汽車外形內(nèi)外兩側(cè)之間 有漏洞。 黃色線表示漏洞 通過的路徑 漏洞檢測工

13、具的使用 將工具欄切換到Repair Surface，采用鼠標(biāo)填 補(bǔ)方法，修補(bǔ)黃線通過的這個(gè)縫隙。 修補(bǔ)完成后，點(diǎn)擊Recompute Paths，重新 計(jì)算，知道輸出窗口顯示如下內(nèi)容，說明無法 在汽車內(nèi)外部之間找到一條連接通路，也就說 明了汽車外形是個(gè)封閉的空間。 Contact Prevention（防接觸）設(shè)定 包面操作時(shí)，可能會將原本互相分離的部件部分粘貼在一起， 為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，需要設(shè)定各個(gè)部件之間的防接觸。 無防接觸，車身部件 和排氣管粘貼在一起 有防接觸 車身部件 排氣管 Contact Prevention（防接觸）設(shè)定 設(shè)定各部件之間為8mm的防接觸。意味著當(dāng)兩個(gè)部件的

14、間距 大于8mm時(shí)，包面時(shí)會將兩個(gè)部件嚴(yán)格區(qū)分開來不會粘貼在 一起。 執(zhí)行包面 點(diǎn)擊Generate Surface Mesh按鈕，對Region 1進(jìn)行包面。 檢查結(jié)果 包面完成后，通過透明顯示、截面等方式檢查結(jié)果，確保得到的 結(jié)果是一個(gè)封閉的汽車外形表面。 檢查結(jié)果 檢查Representations節(jié)點(diǎn)下新生成的Wrapped Surface表面，確 保除了“Poor Quality Faces”和“Close Proximity Faces”兩 項(xiàng)外別的都為0。 刪除Import的幾何數(shù)據(jù) 將Representations節(jié)點(diǎn)下的Import表面刪除掉，以完成了對 Region 1區(qū)域

15、包面的結(jié)果作為下面操作的開始。 生成計(jì)算域外部空間 Slip WallNo-Slip Wall 略高于輪略高于輪 胎底面胎底面 生成計(jì)算域外部空間 分類、合并新生成的面 刪除不需要的面 Boundary重命名 0-Inlet 0-Slip Ground0-NoSlip Ground 0-Pressure 0-Wall 刪除中間刪除中間2個(gè)不需要的面?zhèn)€不需要的面 把中間的把中間的Free Edge縫合上縫合上 處理地面和輪胎的相交 做出地面和輪胎的交線 刪除不需要的面 做出交線做出交線 刪除不需刪除不需 要的面要的面 輪胎與地輪胎與地 面交接處面交接處 網(wǎng)格模型的設(shè)定 修改網(wǎng)格模型，反選Surf

16、ace Wrapper模型，選中Surface Remesher模型 4. 面網(wǎng)格生成（Surface Remesher） 網(wǎng)格尺寸的設(shè)定 主流體區(qū)域因?yàn)榘笮∠嗖詈軕沂獾拿?，所以需要重新設(shè)定網(wǎng) 格尺寸 將主流體區(qū)域網(wǎng)格模型里的Base Size改為0.1 m 網(wǎng)格尺寸的設(shè)定 對每個(gè)Boundary設(shè)定合適的網(wǎng)格尺寸 打開Custom Surface Size，設(shè)定合適的Relative Minimum Size和Relative Target Size BoundariesRelative Minimum Size Relative Target Size 1-Exterior_Surfa

17、ce25%60% 1-Tires15%30% 2-Interior_Surface25%60% 2-New_Patches25%60% 2-Underpanels25%60% 計(jì)算域外部空間面計(jì)算域外部空間面25%1000% 面網(wǎng)格修復(fù) 刪除掉Representations節(jié)點(diǎn)下的Wrapped Surface子節(jié)點(diǎn)， 只保留Remeshed Surface。 面網(wǎng)格修復(fù) 檢查面網(wǎng)格錯(cuò)誤 面網(wǎng)格修復(fù) 手工修復(fù)這手工修復(fù)這18個(gè)錯(cuò)個(gè)錯(cuò) 誤表面，或者直接誤表面，或者直接 點(diǎn)擊下面的點(diǎn)擊下面的Auto Repair自動修復(fù)。自動修復(fù)。 網(wǎng)格模型的設(shè)定 修改網(wǎng)格模型，反選Surface Remeshe

18、r模型，選中Trimmer 模型和Prism Layer Mesher模型 5. 體網(wǎng)格生成 網(wǎng)格模型的設(shè)定 調(diào)整邊界層的設(shè)定方式 網(wǎng)格尺寸的設(shè)定 網(wǎng)格尺寸 網(wǎng)格尺寸的設(shè)定 關(guān)閉0-inlet、0-outlet、0-top和0-side四個(gè)面上的邊界層網(wǎng) 格生成。 體積網(wǎng)格密度的生成 體積網(wǎng)格密度的生成 實(shí)際計(jì)算時(shí)，還應(yīng)該在汽車尾跡區(qū)以及流動分離的區(qū)域如后 視鏡后側(cè)等設(shè)置體積網(wǎng)格密度，分別加密這些區(qū)域。 此例鑒于方法講解，就不加密生成過多數(shù)目的網(wǎng)格了。 體積網(wǎng)格密度的設(shè)定 設(shè)定體積網(wǎng)格密度的加密尺寸。 體網(wǎng)格生成 物理模型的設(shè)定 Space3維 Motion 靜止 Time 定常 Materi

19、al氣體 Flow分離解算器 Equation of State 定常密度 Viscous Regime湍流 Reynolds-Averaged Turbulencek-Omega湍流模型（推薦） 其它選項(xiàng) 網(wǎng)格質(zhì)量改善 6. 解析設(shè)定 物性參數(shù)和初始值的設(shè)定 初始速度設(shè)定 物性參數(shù)設(shè)定 速度入口設(shè)定 圧力出口設(shè)定 滑移壁面設(shè)定 相同設(shè)定 投影面積 投影面積 Cd Cl 設(shè)定Cd、Cl的Monitor和Plot Field Function設(shè)定Cp 7. 求解 設(shè)定最大計(jì)算步數(shù)或其它計(jì)算終止 判據(jù) 為了計(jì)算的穩(wěn)定性，刪除部分質(zhì)量比較差的單元。 創(chuàng)建顯示結(jié)果的Scene 壓力云圖 Cp云圖 速度云圖 速度矢量圖 流線 解析執(zhí)行 解析執(zhí)行 8. 后處理 后處理結(jié)果的Scene 壓力云圖 Cp云圖 速度云圖 速度矢量圖 流線 計(jì)算遇到發(fā)散問題時(shí)的處理辦法 刪除速度大于100m/s 的單元 刪除除Volume Mesh之外的Surface Mesh 計(jì)算遇到發(fā)散問題時(shí)的處理辦法 刪除速度大于100m/s 的單元 創(chuàng)建Field Function（名稱任意?。?計(jì)算遇到