汽車外形設(shè)計(jì)的流體力學(xué)仿真依據(jù).docx

1、大 連 民 族 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）汽車外形設(shè)計(jì)的流體力學(xué)仿真依據(jù)學(xué) 院（系）： 物理與材料工程學(xué)院 專 業(yè)： 光電子技術(shù)與科學(xué) 學(xué) 生 姓 名： 王世澤 學(xué) 號(hào)： 2011153221 指 導(dǎo) 教 師： 畢振華 評(píng) 閱 教 師： 赫然 完 成 日 期： 2015年 月 日 大連民族學(xué)院Hydrodynamics simulation based automotive exterior designAbstractThe purpose of domestic and foreign large collection and read about the development p

2、rocess of automotive design, automotive design analyze advantages and difficulties, affect vehicle design and documentation of relevant information, to understand the performance and characteristics of automotive design methods of various techniques .This paper mainly through the familiar and simula

3、tion software COMSOL to simulate a different appearance of the car model, as much relevant data obtained under different designs for the main image and data analysis. Through a variety of different graphical appearance of the car model data comparison and contrast optimum model design, and analysis

4、to do the report.To learn and master the physical simulation design software COMSOL. And application software COMSOL collected different modes simulation modeling and optimization, the final result of the data obtained after the simulation and optimization were discussed.Keywords: COMSOL; automotive

5、 design; simulation model歡迎下載摘 要大量收集并閱讀國(guó)內(nèi)外關(guān)于汽車外觀設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程，分析汽車外觀設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)以及困境，對(duì)汽車外觀設(shè)計(jì)的影響相關(guān)的資料和文獻(xiàn)，達(dá)到了解汽車設(shè)計(jì)的各種技術(shù)方法的性能和特點(diǎn)的目的。本論文主要是通過(guò)對(duì)COMSOL仿真軟件的熟悉及操作，模擬不同外觀的汽車模型，盡可能多的得到不同的外觀設(shè)計(jì)下的相關(guān)數(shù)據(jù)，以圖像及數(shù)據(jù)分析為主。通過(guò)對(duì)各種不同外觀的汽車模型的圖形對(duì)比及數(shù)據(jù)對(duì)比得出最佳模型設(shè)計(jì)方案，并分析做報(bào)告。學(xué)習(xí)并掌握物理仿真設(shè)計(jì)軟件COMSOL。并應(yīng)用COMSOL軟件對(duì)采集到的不同的模式進(jìn)行建模和優(yōu)化仿真，最后對(duì)仿真優(yōu)化后的得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析討

6、論。關(guān)鍵字：COMSOL；汽車外觀設(shè)計(jì)；仿真模型目 錄摘 要3目 錄41 緒論12.物理模型建立42.1流體力學(xué)42.1.1應(yīng)用領(lǐng)域42.1.2研究方法42.2湍流模型62.3 COMSOL72.3.1 COMSOL 簡(jiǎn)介72.3.2 如何使用COMSOL73. 設(shè)計(jì)過(guò)程及優(yōu)化93.1分析輪廓113.1.1二維領(lǐng)域的離散化113.1.2邊界條件123.2 建立物理模型123.3設(shè)計(jì)優(yōu)化174.結(jié)論20參考文獻(xiàn)21致 謝221 緒論隨著科技的發(fā)展、時(shí)代的進(jìn)步，在中國(guó)汽車的總體市場(chǎng)方面，最少在將來(lái)的幾年里，一直到今年，隨著國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)有可能以百分之八到百分之九的年平均速率一直增長(zhǎng)下去，給

7、我們所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因?yàn)檫@樣生活中人們對(duì)汽車的需求量也一年比一年多，根據(jù)專家的預(yù)測(cè)，到今年年底，將有超過(guò)一千萬(wàn)輛的中國(guó)汽車被銷售。這種銷售量的劇增將使中國(guó)以最快速度拿下全球第二大汽車的市場(chǎng)的稱號(hào)，世界各個(gè)地方的多家汽車制造商、供應(yīng)商的前途命運(yùn)也直接被中國(guó)汽車市場(chǎng)這種規(guī)模影響著。如果在今后汽車發(fā)展的道路上，中國(guó)汽車汽車想要有更遠(yuǎn)大的發(fā)展前途，把制造和組裝作為發(fā)展的核心是很有必要的，其主要有兩個(gè)原因。其一，中國(guó)人口很多，購(gòu)買力強(qiáng)大，所以汽車在中國(guó)的市場(chǎng)很大，今后的二十年汽車的銷售量將會(huì)一年比一年的持續(xù)攀升。其二，在汽車制造方面中國(guó)區(qū)域有著很強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)：中國(guó)的勞動(dòng)力價(jià)格不但很低，而且人文素質(zhì)較高

8、，幾千年的工業(yè)基礎(chǔ)也有著不可抵御的龐大力量，很簡(jiǎn)單我們舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)：上海通用，是通用在全世界的合資品牌中的頭號(hào)模范。如果在今后的發(fā)展中上海通用再創(chuàng)新了自己的設(shè)計(jì)理念，那么它的發(fā)展前景在汽車市場(chǎng)里將會(huì)是相當(dāng)遠(yuǎn)大的1。在過(guò)去的幾百年里面，汽車的發(fā)展從沒(méi)有間斷過(guò)，其外形構(gòu)造大概經(jīng)歷了以下這么幾個(gè)階段:期間最早的是馬車型汽車，大箱型汽車，甲殼蟲(chóng)汽車，船型汽車。而汽車本身的發(fā)展歷史也是很悠久的，不得不被載入歷史記載。接下來(lái)就詳細(xì)的闡述介紹了在不同的歷史時(shí)期汽車的不同風(fēng)格特點(diǎn)及在每個(gè)時(shí)期的汽車發(fā)展道路。從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初期，汽車設(shè)計(jì)師在汽車的結(jié)構(gòu)上花費(fèi)了相當(dāng)大的時(shí)間和精力。直到20世紀(jì)前半期，汽車的

9、基本結(jié)構(gòu)框架已經(jīng)全部浮出水面，于是汽車的外部造型變成了設(shè)計(jì)師們的設(shè)計(jì)焦點(diǎn)，并在接下來(lái)的汽車發(fā)展中不斷引入新的理論，像物理學(xué)里的空氣動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)、人體工程學(xué)以及工業(yè)美學(xué)等理念，希望能夠創(chuàng)新出滿足各種階層，甚至各種文化背景的人在汽車外形結(jié)構(gòu)上的不同需求，使汽車在藝術(shù)科學(xué)的領(lǐng)域里以最佳形象面對(duì)大眾。人類的模樣被富有想象力的設(shè)計(jì)師們大膽地運(yùn)用到了汽車的外形結(jié)構(gòu)上。例如：將汽車的前照燈模擬成人類的眼睛；進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)成汽車嘴巴；空氣濾清器就好比汽車肺；油路便是汽車血管；發(fā)動(dòng)機(jī)是心臟；油箱就像胃一樣儲(chǔ)存實(shí)物；輪胎則是汽車的腳。盡最大可能地將一個(gè)沒(méi)有生命的機(jī)械注入生命的靈魂，使它具有不一般的精神力量，給使用

10、者美的感受。汽車車身形式經(jīng)歷了好幾個(gè)階段，在它的發(fā)展過(guò)程中，最具有劃時(shí)代意義的一款外形產(chǎn)品當(dāng)屬甲殼蟲(chóng)型的轎車。圖1.1 (手繪汽車模型)在賽車制造上被運(yùn)用到最多的造型當(dāng)屬楔形造型了。因?yàn)橘愜囀且豢钪v究速度的車型，我們首先考慮到的是行駛過(guò)程中空氣對(duì)汽車前行產(chǎn)生的阻力大小因素，考慮到汽車外形對(duì)汽車各個(gè)方面的影響，可以完全應(yīng)用于賽車車身，而乘坐的舒適度就不再顯得那么的重要了，其設(shè)計(jì)也會(huì)被排在外形制造的下一步。楔形制造也有很多成功地案例，如在二十世紀(jì)八十年代的時(shí)候，意大利有一款相當(dāng)有名的汽車制造廠商生產(chǎn)的法拉利跑車，它的外形就是完全運(yùn)用的楔形造型，可謂是全世界跑車?yán)锏牡浞?。將楔形投身于汽車的外觀造型上

11、其最大的優(yōu)點(diǎn)就在于造型的簡(jiǎn)單干練不繁瑣、線條給人以動(dòng)感，在另一方面，它也成功了體現(xiàn)了汽車外觀造型在空氣動(dòng)力學(xué)方面的應(yīng)用，對(duì)于目前生活中我們能夠考慮到的擁有較高速度的汽車來(lái)說(shuō)，楔形造型還是比較符合現(xiàn)在人們對(duì)汽車的要求理念，這款造型附帶著很強(qiáng)的現(xiàn)代化生活韻味，體現(xiàn)出了那種極速那種給人很美好的感受。在日本豐田汽車有限公司制造的跑車?yán)镉幸豢钚吞?hào)為MR2型中置發(fā)動(dòng)機(jī)跑車，其尾部裝有撓流板，它的外觀設(shè)計(jì)也是成功地運(yùn)用了楔形，可以稱得上是楔形汽車中的代表車之一2。針對(duì)于目前在我們所考慮到的高速汽車中，楔型幾乎已經(jīng)發(fā)展成為一種理想現(xiàn)代化的車型?，F(xiàn)在世界上很多大汽車生產(chǎn)國(guó)生產(chǎn)的小型客車大都也用上了楔型模型，這使

12、得小客車的外觀也追上了現(xiàn)代化汽車的理念，那些以楔型為模型的小客車的外形簡(jiǎn)潔大方，現(xiàn)代化韻味濃厚。我們相信楔型車在未來(lái)的發(fā)展史上將會(huì)被更大幅度的引用，并不斷地改進(jìn)，特別是在客車的造型上，定會(huì)是在的基礎(chǔ)上有著新的突破。例如，車的前窗玻璃可以設(shè)計(jì)的再往前傾一些，把尾部的階梯狀去掉。車窗玻璃和車身側(cè)面齊平，使它們?cè)谕粋€(gè)平面上，調(diào)整后視鏡的造型，看看在什么情況下可以獲得最小的風(fēng)阻力，或者在車內(nèi)安裝后視的電視銀幕，這樣可以取代在車體兩側(cè)的后視鏡?？傊?，平滑、流暢將會(huì)是未來(lái)的小客車的造型的反戰(zhàn)趨勢(shì)?？諝鈩?dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)將越來(lái)越被重視，其運(yùn)用在汽車造型上的發(fā)展也將隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展而運(yùn)用的更加微妙微翹，與乘坐舒

13、適性恰當(dāng)?shù)亟M合設(shè)計(jì)將會(huì)帶來(lái)汽車發(fā)展史上的一波接一波的設(shè)計(jì)高潮，在其發(fā)展中，只要我們充分的考慮到空氣阻力和乘坐舒適性兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，努力開(kāi)發(fā)工程學(xué)在人力感知領(lǐng)域的高新技術(shù)，把目標(biāo)定得更高更遠(yuǎn)，以更完美、更優(yōu)秀為標(biāo)準(zhǔn)，并將色彩的噴涂等技術(shù)成功地運(yùn)用到汽車的設(shè)計(jì)當(dāng)中，使之取得柔和感和透明感，在色彩中體現(xiàn)人與自然的完美結(jié)合，那時(shí)便會(huì)格外賞心悅目。談完汽車造型的演變，不禁讓人感嘆汽車的發(fā)明歷史，是人類文化歷史中的又一體現(xiàn)，著實(shí)令人驚嘆不已的一種發(fā)明案例。就在在100年前，馬戲團(tuán)里出現(xiàn)了令人激動(dòng)不已的怪物，那便是汽車的雛形，在今天，在各地的公路上已有超過(guò)25億輛汽車在行駛著。它被數(shù)百萬(wàn)人因各種各樣的目的利用

14、著，謀生、旅游等等。人類的生活方式被汽車深深的影響著，它也改變了人們的生活，使我們的生活變得更加快節(jié)奏，以至于今天的一旦離開(kāi)了汽車，不能想象我們的生活將會(huì)變成什么模樣。圖1.2 (手繪汽車模型)2.物理模型建立2.1流體力學(xué)在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中，流體力學(xué)是僅僅是它的其中一小部分，主要是研究氣體及液體等現(xiàn)象以及其它一些相關(guān)力學(xué)行為的科學(xué)理論。如果按照研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方式可以將流體力學(xué)劃分為流體靜力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)兩個(gè)重要組成部分，要是按應(yīng)用范圍劃分，則可以分為水力學(xué)，空氣動(dòng)力學(xué)等等。N-S方程是理論流體力學(xué)的基本方程，全稱為納維-斯托克斯方程。N-S方程由多個(gè)微分方程組成，通常要想求解它，就只有通過(guò)一些

15、邊界條件或者通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方式。它包含很多變量，其中像速度、密度、黏度、壓強(qiáng)p，和溫度T等等，而這些都是位置(x,y,z) 和時(shí)間t的函數(shù)3。水和空氣與我們的生活都是息息相關(guān)的物質(zhì)，在流體力學(xué)中算是研究得最普遍的流體。牛頓運(yùn)動(dòng)定律和質(zhì)量守恒定律兩大定律是流體力學(xué)的主要基礎(chǔ)，此外在運(yùn)動(dòng)當(dāng)中時(shí)常還會(huì)涉及到其他相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，例如考慮到溫度時(shí)就會(huì)用到熱力學(xué)知識(shí)，有時(shí)還需要用到宏觀電動(dòng)力學(xué)的一些基本定律，在計(jì)算詳細(xì)參數(shù)是用到高等數(shù)學(xué)、物理學(xué)分析、化學(xué)組成等的基礎(chǔ)知識(shí)。伯努利在1738年出版他的著作時(shí)，首先將水動(dòng)力學(xué)這樣一個(gè)流體力學(xué)名詞作為書名。直到1880年前后空氣動(dòng)力學(xué)這個(gè)名詞才真正的騰空出世。在19

16、35年以后，人們將這兩方面的知識(shí)概括在了一起，建立了一個(gè)比較統(tǒng)一的體系，并命名為流體力學(xué)4。2.1.1應(yīng)用領(lǐng)域流體包含很多方面，除水和空氣可以稱之為流體之外，水蒸氣、生活中機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)用到的石油、含泥沙的江水、人和動(dòng)物的血液、超高壓作用下的液態(tài)金屬和燃燒后產(chǎn)生成分復(fù)雜的氣體、高溫條件下的等離子體等等可以在空間流動(dòng)的介質(zhì)通稱為流體。流體力學(xué)知識(shí)在生活中、科技創(chuàng)新中被廣泛的應(yīng)用，像在勘測(cè)氣象方面、水利研究方面，船舶、機(jī)械和核電站的設(shè)計(jì)構(gòu)造及其運(yùn)行方面，爆破方面，汽車制造以及天文學(xué)研究的若干問(wèn)題等等，都被很廣泛地引用。2.1.2研究方法流體力學(xué)研究的進(jìn)行可以分為四個(gè)方面：現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室模擬、理論分析、

17、數(shù)值計(jì)算。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè) 是針在自然界原本存在的一些流動(dòng)現(xiàn)象或者是經(jīng)過(guò)人類的工程施工從而產(chǎn)生的流動(dòng)現(xiàn)象，然后利用各種科學(xué)儀器進(jìn)行系統(tǒng)性觀測(cè)，然后將流體在運(yùn)動(dòng)中的規(guī)律總結(jié)出來(lái)，并根據(jù)已經(jīng)總結(jié)出來(lái)的規(guī)律預(yù)測(cè)流體在運(yùn)動(dòng)中還會(huì)產(chǎn)生的其它現(xiàn)象并歸納總結(jié)5。像以前對(duì)天氣的勘測(cè)，就是通過(guò)這樣一個(gè)流程開(kāi)展的。實(shí)驗(yàn)室模擬 在自然現(xiàn)象中現(xiàn)實(shí)的流動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生一般是不受控制的，同一現(xiàn)象發(fā)生的條件也不可能重復(fù)的發(fā)生多次，而我們?cè)谶M(jìn)行一項(xiàng)研究的時(shí)候，是需要將統(tǒng)一過(guò)程反復(fù)的研究，也就是說(shuō)需要有幾乎完全一樣的流程反復(fù)出現(xiàn)，這樣的情況下，僅僅通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)就達(dá)不到預(yù)期的效果，從而就會(huì)對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律的研究有很大的影響；而且現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是需

18、要花費(fèi)大量人力、財(cái)力和物力的7。因此，實(shí)驗(yàn)室的成立在研究流體力學(xué)方面是很有必要地，在實(shí)驗(yàn)室中，我們可以通過(guò)科學(xué)技術(shù)模擬流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，并認(rèn)為的控制這些現(xiàn)象在一定的條件下反復(fù)出現(xiàn)，以便于工作人員的觀察和研究。和其它很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)一樣，流體力學(xué)是需要在不斷地反復(fù)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的，特別是對(duì)那些之前從未研究過(guò)的陌生的流體運(yùn)動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們能夠了解到相關(guān)流體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要趨勢(shì)，對(duì)形成完整的概念體系和檢驗(yàn)之前所得到的理論是否正確都很有幫助。在過(guò)去的二百年里，實(shí)驗(yàn)在支撐著流體力學(xué)的發(fā)展當(dāng)中占據(jù)相當(dāng)重要的位置。而模型實(shí)驗(yàn)則是實(shí)驗(yàn)當(dāng)中最常用的方法之一，在流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究中起著相當(dāng)重要的作用。這里所提到

19、的模型是指我們根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)理論指導(dǎo)，放大或是縮小相關(guān)的研究對(duì)象，合理的去安排實(shí)驗(yàn)。其實(shí)在實(shí)驗(yàn)操作當(dāng)中，有很多流動(dòng)現(xiàn)象是很難單純地只靠理論計(jì)算去解決的，有的則因?yàn)槌杀咎呋蛘呤且?guī)模太大根本就無(wú)法去完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。這個(gè)時(shí)候，就需要我們根據(jù)上面提到的模型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作得到數(shù)據(jù)再根據(jù)相關(guān)的計(jì)算簡(jiǎn)單算法得出我們所需要的數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)常常是針對(duì)在現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)存在的實(shí)體工程進(jìn)行觀測(cè)，而很多在大自然界還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)的事物則需要我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬去進(jìn)行觀察，使之在今后的應(yīng)用中得到改良。所以說(shuō)，在研究流體力學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)室模擬是一種重要的方法9。理論分析則是根據(jù)在之前研究得出的流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、

20、能量守恒等，再通過(guò)利用數(shù)學(xué)等分析計(jì)算的手段，研究流體的運(yùn)動(dòng)，解釋那些我們已經(jīng)知道的現(xiàn)象發(fā)生的原因，再預(yù)測(cè)在流體運(yùn)動(dòng)當(dāng)中還可能產(chǎn)生的其它現(xiàn)象。理論分析的步驟一般如下：首先是需要建立起一個(gè)研究模型，流體力學(xué)研究則是需要我們針對(duì)實(shí)際流體相關(guān)的力學(xué)問(wèn)題建立“力學(xué)模型”，分析流體實(shí)體運(yùn)動(dòng)當(dāng)中將會(huì)產(chǎn)生的各種矛沖突并提取主要因素，并根據(jù)具體的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化從而建立起反映真實(shí)問(wèn)題根本因素的“力學(xué)模型”。 連續(xù)介質(zhì)、不可壓縮流體、理想流體、平面流動(dòng)等都是流體力學(xué)中最常用的基本模型。數(shù)值計(jì)算 針對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的各種特點(diǎn)，我們可以選擇用不同的數(shù)學(xué)語(yǔ)言將質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等定律表達(dá)出來(lái)，從而得到我們?cè)囼?yàn)中想要得到

21、的一系列連續(xù)性方程、能量方程和動(dòng)量方程。但僅僅這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必要地時(shí)候我們還需要加上某些相關(guān)的能夠使各流動(dòng)參量串聯(lián)起來(lái)的關(guān)系式，例如狀態(tài)方程等。這一系列的聯(lián)系各流動(dòng)參量的方程組合在一起稱為流體力學(xué)基本方程組。由于這一系列研究，無(wú)論是從基本的理論還是基本的方程的都與特別深?yuàn)W的數(shù)學(xué)問(wèn)題有關(guān)，所以流體力學(xué)的進(jìn)展一直以來(lái)都離不開(kāi)數(shù)學(xué)的探索。相反，已經(jīng)通過(guò)了實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐考驗(yàn)過(guò)而得出的流體力學(xué)理論，又為數(shù)學(xué)理論的發(fā)展鋪好了道路，很多它所提出的一直沒(méi)有解決的難題，也給數(shù)學(xué)研究發(fā)展中提供了很好的研究方向，就目前數(shù)學(xué)發(fā)展的狀況看來(lái)，有很多題目單純靠純數(shù)學(xué)的角度是很難去完善的解決的，這個(gè)時(shí)候就需要依靠實(shí)驗(yàn)來(lái)

22、輔助進(jìn)行。在流體力學(xué)理論中，特定的流體的理論模型是需要用簡(jiǎn)化流體物理性質(zhì)的方法建立的，簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)問(wèn)題的方法有很多，通常我們可通過(guò)減少自變量或減少未知函數(shù)等方法來(lái)簡(jiǎn)化這些數(shù)學(xué)問(wèn)題，在一定的范圍內(nèi)，它是可以幫組我們?nèi)ソ鉀Q許多實(shí)際的問(wèn)題，成功地達(dá)到我們預(yù)期的結(jié)果14。此外，像湍流這種實(shí)際流動(dòng)往往情況特別復(fù)雜，無(wú)論是在理論分析上還是在計(jì)算數(shù)值的時(shí)候都會(huì)遇到巨大的數(shù)學(xué)難題，從而得不到具體的結(jié)論，在這個(gè)時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)室模擬進(jìn)行研究使我們的不二選擇。2.2湍流模型計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的控制方程是基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量、能量三者。湍流是當(dāng)這三種的傳輸量在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出周期性,同時(shí)出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的氣流。因此

23、交通工具變量的混合也在這樣的條件下大大得到提高。沒(méi)有單一的湍流模型可以決定所有氣流條件下的物理現(xiàn)象。湍流模型的選擇取決于所需水平的準(zhǔn)確性、可用的計(jì)算資源和所需的周轉(zhuǎn)時(shí)間。在k -模型的原理中，K指的是紊流脈動(dòng)動(dòng)能（J）， 指的是是紊流脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率（%）。其中K影響著湍流脈動(dòng)長(zhǎng)度和時(shí)間尺度，k越大表明湍流脈動(dòng)長(zhǎng)度和時(shí)間尺度越大，恰恰相反，越大意味著湍流脈動(dòng)長(zhǎng)度和時(shí)間尺度越小，湍流脈動(dòng)由這兩個(gè)量約束著。但是在計(jì)算的實(shí)際問(wèn)題中可能并不會(huì)像上所說(shuō)的那樣存在一個(gè)確定的正比或者是反比的關(guān)系，這是因?yàn)橥牧髅}動(dòng)的尺度范圍是很大的。在多尺度湍流模式中，湍流由各種尺度的渦動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，每一部分都有著自己的特點(diǎn)，

24、大渦攜帶并傳遞能量，而將將能量耗散為內(nèi)能的是小渦。在兩方程湍流模型中k - 模型是最具代表性的。k - 模型主要包括RNG k - 模型和標(biāo)準(zhǔn)k - 模型等，下面簡(jiǎn)要介紹一下。 1、RNG k -模型湍流產(chǎn)生和消散的傳輸模型和k -模型的一樣，只是在模型常量方面有一些區(qū)別。用函數(shù)代替原來(lái)的定真。式中2、標(biāo)準(zhǔn) k -模型為了建立起它們與渦粘性的關(guān)系，我們可以把雙方程模型把紊流粘性與紊動(dòng)能 和耗散率k 相聯(lián)系，這種模型在工程上被廣泛的采納。在k -模型中假設(shè)湍流粘性和湍動(dòng)能及耗散率有關(guān)，則標(biāo)準(zhǔn)的k-方程形式為：+=p- +(+)+=- +(+)=其中，k為湍動(dòng)能，湍流耗散率，和分別為湍動(dòng)能生成項(xiàng)和

25、湍流粘性系數(shù)，模型常數(shù)分別為：=1.44，=1.92，=1.3，=1.0，=0.092.3 COMSOL 2.3.1 COMSOL 簡(jiǎn)介 在各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究以及工程計(jì)算中，COMSOL軟件廣泛的存在著，它是一款大型的高級(jí)數(shù)值仿真軟件，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“第一款真正的任意多物理場(chǎng)直接耦合分析軟件”。在科學(xué)的模擬應(yīng)用中和工程的領(lǐng)域里的各種物理過(guò)程，COMSOL 憑借它高效的計(jì)算性能和杰出的多場(chǎng)雙向直接耦合分析能力實(shí)現(xiàn)了高度精確的數(shù)值仿真。并憑借其獨(dú)特的軟件設(shè)計(jì)理念，使得任意多物理場(chǎng)、直接、雙向?qū)崟r(shí)耦合得以成功地實(shí)現(xiàn)，并在全球領(lǐng)先的數(shù)值仿真領(lǐng)域里得到廣泛的應(yīng)用。在建模分析過(guò)程中的各個(gè)步驟（定義幾

26、何模型、指定物理特性、剖分網(wǎng)格、求解以及結(jié)果后處理）并不是都那么簡(jiǎn)單，而COMSOL 的模擬環(huán)境使得它們都變得非常的容易實(shí)現(xiàn)。它擁有大量的預(yù)先定義的模型界面，包括從流體流動(dòng)、熱量傳輸?shù)诫姶艌?chǎng)分析，可以在很短的時(shí)間內(nèi)的建立起分析模型。通過(guò)COMSOL完成一個(gè)多物理場(chǎng)的模擬僅僅需要幾分鐘就可以實(shí)現(xiàn)。大量的一般性問(wèn)題也可以通過(guò)預(yù)先定義的多物理場(chǎng)應(yīng)用模板進(jìn)行求解。通常我們也可以指定自己的偏微分方程或者選擇自己定義不同的物理場(chǎng)從多物理場(chǎng)菜單上，實(shí)現(xiàn)與其它方程與物理場(chǎng)的耦合。在日常生活和學(xué)習(xí)當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)使用一些工具建立模型，這時(shí)COMSOL會(huì)是一個(gè)很好地選擇，我們可以通過(guò)附加模塊極為方便的拓展它的多功能性

27、、靈活性和實(shí)用性，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)COMSOL 建模的理想補(bǔ)充，二次開(kāi)發(fā)工具COMSOL Script作為一種單獨(dú)的技術(shù)編程語(yǔ)言也將會(huì)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。COMSOL在全球范圍內(nèi)頗具有影響力，在各著名高校中，COMSOL 已經(jīng)成為教授有限元方法以及多物理場(chǎng)耦合分析的標(biāo)準(zhǔn)工具，而在全球500強(qiáng)企業(yè)中，為了提升核心競(jìng)爭(zhēng)力，增強(qiáng)創(chuàng)新能力，加速研發(fā)，COMSOL 更是被視作為極為重要的工具。2.3.2 如何使用COMSOL 2.3.2.1創(chuàng)建幾何模型CAD工具想必大家都很熟悉，在COMSOL中就提供了強(qiáng)大的CAD工具，用來(lái)創(chuàng)建一維、二維和三維幾何實(shí)體模型。另外，如果在其他軟件中有創(chuàng)建好的幾何體模型，在CO

28、MSOL模型中也是可以引入的。2.3.2.2定義物理量在建模當(dāng)中，我們可以通過(guò)COMSOL里的各種預(yù)定義應(yīng)用模型，輕松地使用COMSOL來(lái)模擬各種各樣的物理場(chǎng)和方程。將表達(dá)式輸入Navier-Stokes方程中，這些性質(zhì)可以是各向同性的也可以是各向異性的，可以被模型變量、空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)。2.3.2.3劃分有限元網(wǎng)格在COMSOL中附帶著內(nèi)置的網(wǎng)格生成器，它可以在你使用時(shí)自動(dòng)完成網(wǎng)格的劃分。它們可以創(chuàng)建三角形或四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，四邊形網(wǎng)格也是可以的。還可以通過(guò)拉伸和旋轉(zhuǎn)二維網(wǎng)格，可以創(chuàng)建磚形或棱柱形網(wǎng)格。不用擔(dān)心高精度的地方網(wǎng)格質(zhì)量低，因?yàn)樵谧赃m應(yīng)的網(wǎng)格劃分方法會(huì)在需要提高精度的地方自

29、動(dòng)提高網(wǎng)格質(zhì)量。此外，也可以人工操作網(wǎng)格生成器來(lái)分解幾何結(jié)構(gòu)。3.3.2.4對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化處理COMSOL提供了大量的可視化功能，其中有： 1所有場(chǎng)變量和其他具體應(yīng)用參數(shù)的交互式繪圖功能 2在幾何體所有部分中單獨(dú)的解的可視化功能，同時(shí)可以使用切片、等值面、等值線、流線、高度和矢量繪圖功能。 3帶有OpenGL硬件加速的高性能繪圖算法 4使用AVI和Quicktime進(jìn)行動(dòng)畫制作的功能 5邊界和子域的集成 6使用完全的數(shù)字精確性能在幾何結(jié)構(gòu)的任何位置顯示結(jié)果數(shù)據(jù)的功能 7沿表面和線條的解變量的投影的橫截面和域的繪圖功能，以及對(duì)幾何體任何位置的隨時(shí)間變化的變量繪圖功能 8對(duì)模型進(jìn)行文件描述的報(bào)告

30、生成器。3.3.2.5執(zhí)行最優(yōu)化和參數(shù)分析 大多數(shù)情況下，建模過(guò)程包括參量分析、最優(yōu)化、迭代設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制、或?qū)σ粋€(gè)系統(tǒng)中幾個(gè)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。COMSOL的參量求解器成功地為研究一系列的條件提供了一個(gè)有效途徑。此外，自帶的MATLAB接口可以將COMSOL的模型保存為M-files，然后將其導(dǎo)入MATLAB的腳本來(lái)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)或其它的后處理。3. 設(shè)計(jì)過(guò)程及優(yōu)化對(duì)于本文所分析的問(wèn)題，選擇標(biāo)準(zhǔn)的k -湍流模型。k -模型是最常見(jiàn)的一種湍流模型。它是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn),雙階方程模型,這意味著,它包含兩個(gè)額外的傳輸方程來(lái)表示流的紊流特性。第一個(gè)交通變量是湍流動(dòng)能k .第二個(gè)交通變量是湍流耗散。正是變量確

31、定了湍流的規(guī)模,而第一個(gè)變量k決定了能源的動(dòng)蕩。模型輸運(yùn)方程k來(lái)源于準(zhǔn)確的方程,而模型輸運(yùn)方程k來(lái)源于物理推理的使用并且跟其副本在數(shù)學(xué)精準(zhǔn)度上有很小的相似性。5a) 控制方程連續(xù)性和動(dòng)量方程(納維-斯托克斯方程設(shè)計(jì))湍流模型被用來(lái)解決氣流問(wèn)題9: （1） （2） （3） （4）u是x 組件的速度矢量,v是y 組件的速度矢量，w 是z組件的速度矢量。是空氣密度,p是靜態(tài)壓力,是剪切應(yīng)力，Bx, By, Bz是身體力量9。b) 標(biāo)準(zhǔn)k -湍流模型的運(yùn)輸方程對(duì)湍流動(dòng)能k公式（5）對(duì)耗散公式 （6）在這些方程中,Gk代表了由平均速度梯度決定的一代湍流動(dòng)能。Gb是由浮力決定的湍流動(dòng)能。YM代表了在可壓縮

32、湍流脈動(dòng)膨脹總體耗散率中的貢獻(xiàn)。cie,C2e和C3e是常量。k和分別是k和的紊流普朗特?cái)?shù)。Sk和Se是用戶定義的源術(shù)語(yǔ)5。c) 紊流粘度 （7）d) 湍流動(dòng)能的產(chǎn)生運(yùn)輸k的確切方程可以被定義為： （8）以布西涅斯克假設(shè)評(píng)估Gk： （9）彈性模量的應(yīng)變張量系數(shù)s可定義為： （10） （11）e) 由浮力決定的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生 （12）Prt是能源的紊流普朗特?cái)?shù)和gi是i - th方向的重力向量組件。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)和可實(shí)現(xiàn)的模型,Prt的默認(rèn)值是0.854。熱膨脹系數(shù)可被定義為： （13）f) 膨脹耗散膨脹耗散術(shù)語(yǔ),包括在k方程內(nèi)。它是根據(jù)以下公式來(lái)建模的： （14）Mt2是動(dòng)蕩的馬赫數(shù)，被定義為： （

33、15）a是聲速： （16）g) 模型常數(shù)對(duì)于均勻剪切流和衰減各向同性流兩大基本湍流，C1e = 1.44, C2e = 1.92, C = 0.09, k = 1.0, e = 1.3這些默認(rèn)值已經(jīng)從空氣和水的實(shí)驗(yàn)中被確定。他們被發(fā)現(xiàn)相當(dāng)廣泛地被用于有界墻和自由剪切流5。3.1分析輪廓二維分析非常有用，通常以三維分析為先導(dǎo),因?yàn)樗麄兛梢蕴峁┮恍┗镜闹笇?dǎo)方針,可以重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品,以便為生成的三維分析提供更好和更可接受的結(jié)果。這種方法可以顯著縮短分析問(wèn)題的時(shí)間,因?yàn)橄鄬?duì)于三維分析而言，二維分析更為簡(jiǎn)單，獲得解決方案的時(shí)間更短。所以,二維分析是實(shí)際狀況的一個(gè)很好的指標(biāo),但需要注意的是,從三維的角度看

34、想相同的問(wèn)題，結(jié)果將大大改變。3.1.1二維領(lǐng)域的離散化在GAMBIT中，嚙合問(wèn)題之后,網(wǎng)格由四邊形和三角形組成。如圖5顯示,網(wǎng)格被離散，更接近汽車輪廓、頂部和底部的域。維度的分析呈現(xiàn)在圖3.1中,其中L = 4500 mm.圖3.1圖3.2圖3.2顯示了第一個(gè)汽車幾何模型中的有限體積網(wǎng)格。3.1.2邊界條件在LUENT軟件中，設(shè)置入口邊界條件下空氣的速度約為27.7m/s(100km/h)溫度約為300 K(26.85 )。出口邊界條件設(shè)置為出口壓力計(jì)0 Pa。汽車輪廓,頂部和底部的虛擬風(fēng)洞設(shè)置為墻。空氣的密度設(shè)置為1.225 kg/m3和空氣的粘度是 1.7894 x

35、10-5 kg/(ms).3.2 建立物理模型通過(guò)COMSOL仿真軟件初步繪制汽車模型圖，用COMSOL中附帶著內(nèi)置的網(wǎng)格生成器選擇三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模擬不同外觀的汽車模型，得到不同的外觀設(shè)計(jì)下的相關(guān)數(shù)據(jù)，以圖像及數(shù)據(jù)分析為主。在選擇網(wǎng)格方面，之所以選擇三角形網(wǎng)格而不選用方形網(wǎng)格，主要是因?yàn)榉叫尉W(wǎng)格在結(jié)構(gòu)上有一定的局限性，不能夠很好的銜接。通過(guò)對(duì)各種不同外觀的汽車模型的圖形對(duì)比及數(shù)據(jù)對(duì)比得出最佳模型設(shè)計(jì)方案，并分析做報(bào)告。得出以下結(jié)論：圖3.3 （速度輪廓圖）分析了兩例汽車的幾何結(jié)構(gòu)圖，3.3(A)顯示了初始汽車模型的速度輪廓，主要體現(xiàn)氣流在汽車周圍不同位置的氣流速度，通過(guò)氣流速度的變化階梯度

36、在該模型車中前后擋風(fēng)玻璃傾角均為最大值,氣流速度也有5跳至35左右，速度差較大，在擋風(fēng)玻璃前達(dá)到最大值，阻力最大，圖3.3(B)顯示了重新設(shè)計(jì)的汽車模型的速度輪廓，前后擋風(fēng)玻璃均有弧度和一定的傾斜程度，從汽車最前端至擋風(fēng)玻璃處速度由5跳至15左右，變化相對(duì)較小，氣流對(duì)汽車前行的阻力也相對(duì)較小，數(shù)據(jù)表明,在第一種情況下，當(dāng)接近汽車前部時(shí)氣流速度逐漸降低，然后遠(yuǎn)離汽車前部時(shí)逐漸增加，空氣阻力較大。在第二種情況下,速度級(jí)以較高的梯度增加,這意味著空氣阻力更小。圖3.4 （速度矢量圖）圖3.3和圖3.4顯示了兩種汽車模型的湍流強(qiáng)度輪廓和汽車幾何向量?？梢钥闯?對(duì)于重新設(shè)計(jì)的汽車幾何模型，汽車后部的湍流

37、減少，湍流空間更純凈。特別是,當(dāng)接近汽車前部時(shí)，空氣時(shí)速減慢，導(dǎo)致更多的空氣分子積聚在一個(gè)很小的空間里。一旦空氣停滯在車前面,它會(huì)尋求一個(gè)較低的壓力區(qū)域,如車的兩側(cè),頂部和底部。隨著空氣流動(dòng)到車罩上方,壓力降低,但當(dāng)?shù)竭_(dá)前擋風(fēng)玻璃時(shí),它就會(huì)暫時(shí)增加。當(dāng)擋風(fēng)玻璃前方的高壓氣流經(jīng)過(guò)擋風(fēng)玻璃時(shí)就會(huì)加速,導(dǎo)致壓力降低。當(dāng)氣流通過(guò)時(shí)這種低氣壓就產(chǎn)生了一種懸浮力。圖3.5和圖3.6的數(shù)據(jù)從側(cè)面角度顯示了兩種汽車模型上方的速度流線?？梢悦黠@的得到，A圖在汽車模型后端形成很大的湍流，空間戎?jǐn)D，產(chǎn)生較大的壓力，而像B圖，重新設(shè)計(jì)的模型前后湍流均減少，空間更純凈，壓力更小。從而得出擋風(fēng)玻璃設(shè)計(jì)成有一定的傾角并在增

38、加罩和前擋風(fēng)玻璃之間的角度后會(huì)能夠改善汽車周圍氣流的流動(dòng)性，產(chǎn)生的阻力會(huì)減小，更有利于汽車行駛。 圖3.5 （速度流線圖）圖3.6 （粒子追蹤圖）圖3.7反映了汽車三維模型的壓力分布以及車前方和后方的地面。正如所料,從壓力輪廓能很明顯得出,最初模型如圖3.7（A）有一個(gè)更大的氣壓值在汽車前面,數(shù)值越在1左右，特別是正面和側(cè)面的空氣攝入。重新設(shè)計(jì)的汽車幾何模型中圖3.7（B),擋風(fēng)玻璃前面壓力值要比最初模型的小很多，數(shù)據(jù)顯示約在0.3左右,從而減小了汽車前行的阻力。擋風(fēng)玻璃傾角的大小是會(huì)對(duì)空氣對(duì)車行駛過(guò)程中的阻力大小有影響的，其涉及到一個(gè)風(fēng)阻系數(shù)，擋風(fēng)玻璃傾角大，車身表面更圓滑，顯得更具有流線形

39、,空氣流動(dòng)的阻力更小，所以這樣能保證車在快速行駛時(shí)受到風(fēng)的阻力也越小。小轎車車一般行駛速度比較快，因此在設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)汽車外部造型時(shí)一般都將前擋風(fēng)玻璃設(shè)計(jì)成有一定的傾斜角度。圖3.7 （壓力圖）如前所述,分析了兩例汽車的外形構(gòu)造。第一個(gè)例子是最初的設(shè)計(jì),所以最初的幾何模型和第二例方面重新設(shè)計(jì)幾何模型旨在增加罩和前擋風(fēng)玻璃之間的角度以在汽車周圍得到更好的氣流。 圖3.83.3設(shè)計(jì)優(yōu)化以下是重新設(shè)計(jì)的車型，在車身尾部增加尾翼，圖3.9顯示了靜壓輪廓。從圖表中能很清晰地看到，在這兩種情況下，有一個(gè)更高的壓力集中在汽車前面。在第二種情況下有很高的壓力集中在汽車的尾翼。在重新設(shè)計(jì)汽車幾何模型中,尾翼被添加

40、目的在分析尾翼的氣流變化。 圖3.9 （靜壓輪廓圖）圖3.10顯示了,在尾翼的頂面有一個(gè)更大量的壓力。這種壓力產(chǎn)生了一種更大的向下的力,使汽車具有更好的穩(wěn)定性，增加吸引力。機(jī)翼是一種非常有效的動(dòng)力附帶物,因?yàn)樗a(chǎn)生了許多向下的力,從而增加阻力。 圖3.10 （壓力圖）圖3.11顯示了兩種汽車模型的湍流強(qiáng)度輪廓。從給出的圖形對(duì)比很明顯得出,尾翼對(duì)湍流具有重大意義?？梢钥闯?對(duì)于重新設(shè)計(jì)的汽車幾何模型，汽車后部的湍流減少，湍流空間更純凈。 圖3.11 （湍流強(qiáng)度輪廓）圖3.12則顯示了尾翼的設(shè)計(jì)在汽車上的應(yīng)用，一些新的重新設(shè)計(jì)的汽車模型照片如下： 圖3.12 （尾翼模型圖）在沒(méi)有尾翼的幾何模型中，

41、速度流線擴(kuò)張的原因是空氣經(jīng)過(guò)后擋風(fēng)玻璃后直接流向地面。流速更高的空氣與來(lái)自汽車后方流速更低的空氣發(fā)生了碰撞。所以速度流線的擴(kuò)大是由與汽車的距離引起的。通過(guò)使用尾翼,相反的情況產(chǎn)生了,這是由于尾翼引導(dǎo)氣流向上,從而允許來(lái)自汽車底部的氣流通過(guò)遠(yuǎn)離車而自由流動(dòng),所以沒(méi)有擴(kuò)大的氣流。在普通乘客車上，尾翼沒(méi)什么意義,但是當(dāng)談到跑車,尤其是用于競(jìng)技的跑車，尾翼就成了最重要的動(dòng)力附加物。例如,對(duì)于F1的汽車,尾翼在大約三分之一的汽車周圍創(chuàng)造了向下的力14。但在高速運(yùn)行時(shí)尾翼的阻力是巨大的。最好將實(shí)現(xiàn)以下:在較低的速度時(shí)，為增加牽引力,這種向下的力要多一點(diǎn)，從而更好的加速；在更高的速度時(shí)減少向下的力；汽車直線行駛時(shí)則不需要這種力。4.結(jié)論在汽車模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了二維和三維的汽車幾何模型模擬以展示氣流和壓力分布。所提到的COMSOL分析實(shí)現(xiàn)了看到導(dǎo)致劣質(zhì)動(dòng)力的幾何模型中的關(guān)鍵地方。就重新設(shè)計(jì)的汽車外形輪廓而言，導(dǎo)致獲得了流線型二維模型的修改,現(xiàn)有三維汽車模型被重新設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)旨在增加罩和汽車的前擋風(fēng)玻璃之間的角度,添加尾翼，使新車型前后湍流減少，空氣更加純凈，阻力降低。此外,實(shí)現(xiàn)了重新設(shè)計(jì)的汽車幾何模型周圍氣流的三維分析。從獲得的二維和三維結(jié)果中總結(jié)出,在重新