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)

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(xué)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(shí)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(jì)意義。傳統(tǒng)的空氣動力學(xué)研究是采用風(fēng)洞試驗(yàn)，但是這種研究成本高、周期長。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展，汽車空氣動力學(xué)研究中運(yùn)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(jìn)行了汽車外流場研究。對其汽車進(jìn)行適當(dāng)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

2、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(jìn)行分塊網(wǎng)格劃分。運(yùn)用Fluent軟件對其進(jìn)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(xué)特性 計(jì)算流體力學(xué) 網(wǎng)格劃分 流場ABSTRACTWith the improvement of peoples living standard, the rapid development of expressway and the increase of vehicle speed, it is very necessary to study the aerodynamic chara

3、cteristics 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 USES wind tunnel test, but this kind of research cost is high,

4、 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 is used to study the automobile outflow field of a certain type

5、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, Workbench software was used to build a simple 3d model for a certain ty

6、pe 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 resistance characteristics, aerodynamic lift characteristics and flow

7、 conditions were analyzed.Keywords: aerodynamic characteristics; computational fluid dynamics; grid division; flow field division目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc1832 摘 要 PAGEREF _Toc1832 I HYPERLINK l _Toc21662 ABSTRACT PAGEREF _Toc21662 II HYPERLINK l _Toc19688 目錄 PAGEREF _Toc19688 1 HYPERLINK l _

8、Toc1082 1 緒 論 PAGEREF _Toc1082 3 HYPERLINK l _Toc30500 1.1研究目的及意義 PAGEREF _Toc30500 3 HYPERLINK l _Toc10100 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc10100 3 HYPERLINK l _Toc16462 1.3論文主要工作 PAGEREF _Toc16462 5 HYPERLINK l _Toc27023 2 汽車空氣動力學(xué)基礎(chǔ) PAGEREF _Toc27023 6 HYPERLINK l _Toc32460 2.1氣動阻力 PAGEREF _Toc32460 6 HYPER

9、LINK l _Toc1735 2.1.1形狀阻力 PAGEREF _Toc1735 6 HYPERLINK l _Toc26541 2.1.2摩擦阻力 PAGEREF _Toc26541 7 HYPERLINK l _Toc10920 2.1.3誘導(dǎo)阻力 PAGEREF _Toc10920 7 HYPERLINK l _Toc31 2.1.4干擾阻力 PAGEREF _Toc31 7 HYPERLINK l _Toc30257 2.1.5內(nèi)循環(huán)阻力 PAGEREF _Toc30257 7 HYPERLINK l _Toc31626 2.2氣動升力 PAGEREF _Toc31626 8 HY

10、PERLINK l _Toc5124 2.3本章小結(jié) PAGEREF _Toc5124 8 HYPERLINK l _Toc29557 3 計(jì)算流體動力學(xué)理論 PAGEREF _Toc29557 9 HYPERLINK l _Toc13111 3.1計(jì)算流體動力學(xué)介紹 PAGEREF _Toc13111 9 HYPERLINK l _Toc4001 3.2控制方程 PAGEREF _Toc4001 9 HYPERLINK l _Toc17791 3.2.1質(zhì)量守恒方程 PAGEREF _Toc17791 9 HYPERLINK l _Toc10244 3.2.2動量守恒方程 PAGEREF _

11、Toc10244 10 HYPERLINK l _Toc964 3.2.3能量守恒方程 PAGEREF _Toc964 10 HYPERLINK l _Toc30598 3.3湍流模型 PAGEREF _Toc30598 11 HYPERLINK l _Toc5228 3.3.1標(biāo)準(zhǔn)的k-模型 PAGEREF _Toc5228 11 HYPERLINK l _Toc28073 3.3.2 RNGk-模型 PAGEREF _Toc28073 11 HYPERLINK l _Toc18647 3.4 插值格式 PAGEREF _Toc18647 12 HYPERLINK l _Toc24204 3

12、.4.1 一階迎風(fēng)格式 PAGEREF _Toc24204 12 HYPERLINK l _Toc21475 3.4.2中心差分格式 PAGEREF _Toc21475 12 HYPERLINK l _Toc3046 3.4.3QUICK格式 PAGEREF _Toc3046 13 HYPERLINK l _Toc10616 3.4.4二階迎風(fēng)格式 PAGEREF _Toc10616 13 HYPERLINK l _Toc5862 3.5本章小結(jié) PAGEREF _Toc5862 13 HYPERLINK l _Toc30556 4 CAD建模及網(wǎng)格劃分 PAGEREF _Toc30556 1

13、4 HYPERLINK l _Toc10791 4.1汽車CAD建模 PAGEREF _Toc10791 14 HYPERLINK l _Toc27120 4.2ANSYS ICEM CFD 簡介 PAGEREF _Toc27120 14 HYPERLINK l _Toc25612 4.3對汽車進(jìn)行網(wǎng)格劃分 PAGEREF _Toc25612 15 HYPERLINK l _Toc17277 4.4網(wǎng)格質(zhì)量調(diào)整及導(dǎo)出網(wǎng)格文件 PAGEREF _Toc17277 16 HYPERLINK l _Toc3401 4.5本章小結(jié) PAGEREF _Toc3401 16 HYPERLINK l _To

14、c17209 5 汽車外流場數(shù)值模擬 PAGEREF _Toc17209 17 HYPERLINK l _Toc17505 5.1邊界條件 PAGEREF _Toc17505 17 HYPERLINK l _Toc305 5.2 求解參數(shù)設(shè)置 PAGEREF _Toc305 17 HYPERLINK l _Toc20060 5.3汽車各速度下的模擬計(jì)算結(jié)果及分析 PAGEREF _Toc20060 22 HYPERLINK l _Toc20148 5.3.1氣動力學(xué)分析 PAGEREF _Toc20148 23 HYPERLINK l _Toc32274 5.3.2 車身表面壓力分析 PAGE

15、REF _Toc32274 25 HYPERLINK l _Toc26362 5.3.3速度流線圖分析 PAGEREF _Toc26362 26 HYPERLINK l _Toc28328 5.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc28328 26 HYPERLINK l _Toc23066 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc23066 27 HYPERLINK l _Toc29505 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc29505 28 HYPERLINK l _Toc11400 致謝 PAGEREF _Toc11400 301 緒 論1.1研究目的及意義近年來，時(shí)代飛速的發(fā)展，使得汽車普及量

16、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(diǎn)是以地球上有限的礦質(zhì)燃料能源為基礎(chǔ)，在當(dāng)前與日后比較長的一段時(shí)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(rèn)為有很多方法可以達(dá)到節(jié)約燃料，提高燃料的質(zhì)量，例如用油機(jī)代替汽油發(fā)動機(jī)，使用復(fù)合動力裝置，參照替代燃料的新方法，制定先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)。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)的限制，降低空氣阻力越來越受到工程師的重視。風(fēng)洞試驗(yàn)是研究汽車空氣動力學(xué)的傳統(tǒng)方法，得到的物理

17、流場比較符合實(shí)際情況。但是風(fēng)洞試驗(yàn)造價(jià)較高、耗資較大，在經(jīng)濟(jì)條件一般的情況下根本無法實(shí)行。風(fēng)洞試驗(yàn)的各種誤差因素較多，既要考慮到風(fēng)洞邊界條件的影響，還要考慮湍流、風(fēng)速、風(fēng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果需要換算等問題，雖然試驗(yàn)技術(shù)還在完善，但是仍存在一些問題，所以要想得到準(zhǔn)確結(jié)果還需要對風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行完善。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)CFD技術(shù)也有了巨大的發(fā)展，對于以前只能在風(fēng)洞里面才能進(jìn)行的試驗(yàn)，現(xiàn)在已經(jīng)能夠在計(jì)算機(jī)上模擬了，并且得到的數(shù)據(jù)和風(fēng)洞試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)基本吻合，可信度高。因此，計(jì)算流體力學(xué)在汽車空氣動力學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。汽車外流場的數(shù)值模擬結(jié)合傳統(tǒng)

18、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(fèi)，提高了探究的效率。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀風(fēng)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(shí)驗(yàn)周期久，存有堵塞效應(yīng)，地平面效應(yīng)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(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與道路表面檢測技術(shù)探究車輛空氣動力學(xué)，已無法達(dá)到更快設(shè)計(jì)出更加經(jīng)濟(jì)、舒適的車輛需求，伴隨電子技術(shù)的進(jìn)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(xué)的探究開創(chuàng)了新的渠道，近些年，車輛空氣動力學(xué)數(shù)值仿真發(fā)展快速，其重要程度也在不停增大，運(yùn)用領(lǐng)域也在快速擴(kuò)增，在早階段汽車類型的研發(fā)中，運(yùn)用數(shù)值仿真能夠?yàn)檐囕v氣動外型的初步選

19、取供應(yīng)參考，可以便利、直觀的認(rèn)識車輛每個(gè)模塊的空力學(xué)情況與尾端渦區(qū)架構(gòu)與布局狀況，初步運(yùn)算出整輛車的氣阻參數(shù)，為深入設(shè)計(jì)供應(yīng)參考，極大簡短了整輛車的研發(fā)周期，同時(shí)節(jié)約了成本。潘小衛(wèi)運(yùn)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(fù)升力翼、輪胎、車身導(dǎo)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(yùn)用風(fēng)洞試驗(yàn)室，對此F1賽車執(zhí)行風(fēng)洞試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，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(zhǔn)確性1。傅立敏等對紅旗CA774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(yàn)結(jié)果對

20、比，證實(shí)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(jìn)行數(shù)值模擬，采用局部網(wǎng)格優(yōu)化的笛卡爾網(wǎng)絡(luò)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(xué)數(shù)值模擬發(fā)展快速，其重要程度不停提升，運(yùn)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)增，模型在設(shè)計(jì)的早先時(shí)期，運(yùn)用數(shù)值仿真能夠供應(yīng)車體的空力學(xué)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(xué)特征，轎車初步運(yùn)算氣阻參數(shù)與升力參數(shù),提供進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)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(yīng)用CFD工具Fluent做出了數(shù)值仿真，同時(shí)對結(jié)果做出了

21、解析與改進(jìn)，在車輛空力學(xué)數(shù)值仿真的實(shí)際應(yīng)用層面進(jìn)行了許多有效的嘗試4。陳倩云等運(yùn)用Ansys ICEM對車輛外流場2D模型構(gòu)建同時(shí)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(fù)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(shí)狀況展開探析，為改進(jìn)車輛的氣動特性供應(yīng)了理論參考5。胡韓飛運(yùn)用車輛空力學(xué)數(shù)值運(yùn)算的函數(shù)力學(xué)原理，采取Star-cd和UG18.0工具相互聯(lián)合，對長安羚羊1300CDB型轎車做出數(shù)值運(yùn)算仿真，同時(shí)對結(jié)果做出了具體的解析，計(jì)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(jìn)意

22、見6。安徽江淮車輛企業(yè)技術(shù)部門的徐志寶運(yùn)用CFD方式對某一款車輛的外流場做出仿真，模型模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，運(yùn)算出此車輛的風(fēng)阻參數(shù)與升力參數(shù)，同時(shí)對尾端擾流板做出了優(yōu)化改善，最終得到了滿足設(shè)計(jì)要求的流場性能7。董貴楊等人描述了運(yùn)算流體力學(xué)在車輛工程范疇中的運(yùn)用情況，重點(diǎn)描述了車輛CFD技術(shù)在流體場、發(fā)動機(jī)、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(jìn)一步處理的問題，并展望了其發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景8。宋振寰講述了中外運(yùn)用CFD對車輛車體外流場仿真的探究情況，當(dāng)前外國CFD工具正往全自控分劃網(wǎng)格，快速高精確度的運(yùn)算層面發(fā)展，而我國對CFD的探究發(fā)展還處于一個(gè)初級水平9。常思勤解析了流體動力

23、學(xué)的運(yùn)用前景與運(yùn)用過程中產(chǎn)生的主要問題，同時(shí)聯(lián)合詳細(xì)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(jì)當(dāng)中的運(yùn)用10。郭建成講述了CFD數(shù)值仿真技術(shù)在氣動力運(yùn)算方面的形成機(jī)理，講述了車輛氣阻的組成與氣動升力的形成機(jī)理，其顧及到車輛氣動力的模擬運(yùn)算在運(yùn)算結(jié)果層面與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)間具有一定偏差，從CAD模型、格網(wǎng)與求解設(shè)定3個(gè)層面探究了車輛氣動力的高精確度運(yùn)算方式，為處理車輛氣阻改進(jìn)方式存有的矛盾問題，其以某個(gè)轎車為例，把迭代的思想引進(jìn)了局部改進(jìn)中，探究， 局部迭代改進(jìn)方式在氣阻CFD中的運(yùn)用，改進(jìn)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(yùn)用

24、數(shù)值仿真的方式對車輛運(yùn)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(jìn)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(jì)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(xué)基礎(chǔ)汽車空氣動力學(xué)是流體力學(xué)的重要組成部分，它研究相對運(yùn)動中汽車與周圍空氣之間的力與運(yùn)動規(guī)律之間的關(guān)系。車輛向前移動時(shí)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(yùn)行過程中，會形成比較強(qiáng)的氣動效應(yīng)。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

25、外形設(shè)計(jì)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(jì)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(fēng)環(huán)境使，氣動阻力的表達(dá)式為 （2-1）C空氣阻力系數(shù)空氣密度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(diǎn)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(dǎo)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

26、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(fù)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(dāng)空氣經(jīng)過水平面的時(shí)候，因?yàn)轲ば缘淖饔?，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(dá)式為 QUOTE （2-2）空氣動力粘度，1.789410-5Ns/m22.1.3誘導(dǎo)阻力誘導(dǎo)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?yàn)橥ㄟ^車體的頂部和底

27、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(dǎo)阻力。誘導(dǎo)阻力系數(shù)CDi和升力系數(shù)CL的關(guān)系為： QUOTE （2-3） QUOTE （2-4） QUOTE （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)，用來發(fā)動機(jī)冷卻和艙內(nèi)通風(fēng)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

28、壓力差升力的因素重點(diǎn)包含2個(gè)，一個(gè)是因?yàn)檐囕v上下表層曲率不一樣，前面車輛經(jīng)過車體時(shí)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(jìn)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?yàn)榈仄矫嫘?yīng)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(fù)向升力。黏性升力重點(diǎn)是因?yàn)檐囕v表層脫落的渦流，對車輛形成的上下作用力。氣動升力身為評估車輛空力學(xué)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(xué)特性具有直接的影響，另外也對油耗的經(jīng)濟(jì)性造成了一定的影響，當(dāng)車輛速率超出70km/h時(shí)，一些車輛會產(chǎn)生 “發(fā)飄”這

29、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?yàn)樯κ前殡S車輛速度的平方而提高，升力有的時(shí)候能夠達(dá)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(shí)候時(shí)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(xué)問題中的氣動相關(guān)概念，并闡述了汽車在行駛時(shí)受到的氣動阻力、氣動升力對汽車性能的影響。3 計(jì)算流體動力學(xué)理論3.1計(jì)算流體動力學(xué)介紹計(jì)算

30、流體動力學(xué)（簡寫成CFD，計(jì)算科學(xué)和工程的快速發(fā)展，推動了計(jì)算流體的發(fā)展，讓這只是一門分支的學(xué)科逐漸的成熟，近幾十年來，各種CFD軟件被發(fā)明出來，運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域，如航空、水利、汽車中，儼然成為實(shí)用化的商品軟件。計(jì)算流體動力學(xué)在數(shù)字分析上沿著2個(gè)方向邁進(jìn)，一個(gè)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(jì)出更高效的運(yùn)算方式，另外一個(gè)則是處理項(xiàng)目實(shí)際需求，果然不是源自一個(gè)實(shí)際的物理模型的結(jié)果。CFD是多個(gè)領(lǐng)域交叉的一個(gè)學(xué)科，直接經(jīng)過數(shù)值仿真來做出預(yù)估，為項(xiàng)目設(shè)計(jì)供應(yīng)參考，理論的預(yù)估源自于函數(shù)模型牽涉流體動力學(xué)、微分公式理函數(shù)理論、運(yùn)算幾何、數(shù)值分析等，這類學(xué)科的相交結(jié)合，互相推

31、動與支持，推進(jìn)了學(xué)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(yùn)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(jì)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(jì)算，運(yùn)用迭代方法進(jìn)行推進(jìn)，一直到最后達(dá)到收斂的標(biāo)準(zhǔn)。3.2控制方程3.2.1質(zhì)量守恒方程不管是什么運(yùn)動，它都要遵循質(zhì)量守恒定律。該定律可以簡述為：一定時(shí)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(yùn)用質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)表達(dá)式可將（3-2）改寫為 （3-4）（3-2）和（3-4）被稱

32、為連續(xù)性方程，它們是以微分形式來表達(dá)的。只要是同一種流體，這兩個(gè)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(yīng)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(biāo)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(xiàng)用矢量質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)式，粘性項(xiàng)用應(yīng)力張量的散度表示 （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(dá)的，任何流體都適用。把應(yīng)力分量表示為速度和壓強(qiáng)的函數(shù)，就可以解出這個(gè)方程，即補(bǔ)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(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，流體時(shí)刻都在運(yùn)

33、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(yīng)該一致。 （3-9）3.3湍流模型3.3.1標(biāo)準(zhǔn)的k-模型k方程為 （3-10）方程為 （3-11）湍流模型中如果只有兩個(gè)方程，那么這就是最簡單的湍流模型。它是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式，是人們從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中自己總結(jié)出來的，它的經(jīng)濟(jì)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-模型k方程為 （3-12）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 （3-15）通過嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，人們得到了RNGk-模型。其與標(biāo)準(zhǔn)k-模型具有許多近似的地

34、方，但也有很多改進(jìn)：RNGk-模型是在公式中增添了1個(gè)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(gè)方面的精度也有所提高。RNG理論供應(yīng)了一個(gè)能夠探究低雷諾數(shù)的流動黏性方程式。所以，RNGk-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(shí)候，一般運(yùn)用有限體積方法來構(gòu)建，經(jīng)過結(jié)點(diǎn)物理量插值求算出氣體的體積頁面上的物理量與其導(dǎo)數(shù)是比較關(guān)鍵的一步，為構(gòu)建離散表達(dá)式，就引進(jìn)了插值方法，插值方法的差異，對應(yīng)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(fēng)方式、2階迎風(fēng)方式、QUICK方式與中點(diǎn)差分方式是使用比較普遍的插值方式。3.4.1 一

35、階迎風(fēng)格式一階迎風(fēng)格式表達(dá)式 （3-16）定義 ， （3-17）和 ， （3-18）表面上的未知函數(shù)選取迎風(fēng)側(cè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)值，其會令這一迎風(fēng)形式擁有1階截差，因此稱這一迎風(fēng)形式是1階迎風(fēng)形式。這一迎風(fēng)方式不會因運(yùn)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(fēng)格式存在假擴(kuò)散的問題，通常需要加密網(wǎng)格來避免假擴(kuò)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(yùn)用線性插值的方式來運(yùn)用表面上的物理量，即選取上部結(jié)點(diǎn)與下部結(jié)點(diǎn)的數(shù)學(xué)平均值，稱作為中點(diǎn)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(jì)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

36、的結(jié)果就比較準(zhǔn)確。3.4.3QUICK格式QUICK格式為（3-20）針對流體采取2次迎風(fēng)插值，能夠改善離散表達(dá)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(kuò)展項(xiàng)卻仍僅有2階截差，當(dāng)架構(gòu)網(wǎng)格和流向平齊的時(shí)候，QUICK格式所獲得的計(jì)算結(jié)果就比二階迎風(fēng)格式所得的結(jié)果較為準(zhǔn)確17。3.4.4二階迎風(fēng)格式二階迎風(fēng)格式表達(dá)式 （3-21）定義 ， （3-22）和 ， （3-23） 2階迎風(fēng)方式和1階迎風(fēng)方式的相同之處主要為，兩者都經(jīng)過上游模塊結(jié)點(diǎn)的物理量來確認(rèn)調(diào)控體積截面的物理量，但是2階迎風(fēng)方式不但要運(yùn)用于上游相近1個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)值，還需要運(yùn)用另外1個(gè)上游結(jié)

37、點(diǎn)的數(shù)值，其能夠當(dāng)作是在1階迎風(fēng)方式的基準(zhǔn)上，思考了物理量在結(jié)點(diǎn)之間布局曲線的曲率影響，在2階迎風(fēng)方式中，僅有對流體項(xiàng)采取了2階迎風(fēng)方式，而擴(kuò)展項(xiàng)仍舊采取中點(diǎn)差分方式，二階迎風(fēng)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(fēng)格式具有二階精度的截差，但仍有假擴(kuò)散問題18。3.5本章小結(jié)本章主要闡述了計(jì)算流體力學(xué)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(jì)算精度的影響。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(jìn)行研究，查得汽車的真實(shí)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(jì)模型為簡化模型，主要研

38、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(fù)CAD模型，既可以自動生成粗略網(wǎng)格，也可以進(jìn)行塊劃分生成精細(xì)的網(wǎng)格，并且可以自動中面抽取，還有獨(dú)特的網(wǎng)格檢查和編輯技術(shù)。作為前處理軟件，ICEM是極為專業(yè)的。4.3對汽車進(jìn)行網(wǎng)格劃分采用ANSYS DM建模模塊，利用包絡(luò)（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

39、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?zhèn)让嫫嚦隹谌肟陧敳?.2 流場域在ICEM中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對車身周圍進(jìn)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(dǎo)出網(wǎng)格文件最后對網(wǎng)格進(jìn)行局部調(diào)整，使其在后處理部分的計(jì)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(yùn)用Fluent 16.0對車輛外流場予以

40、數(shù)值模擬，把上文ICEM繪制好的網(wǎng)格導(dǎo)進(jìn)Fluent軟件中，進(jìn)行數(shù)值模擬。5.1邊界條件5.1邊界條件計(jì)算域邊界設(shè)定值計(jì)算域入口U=行駛速度，v=0計(jì)算域出口壓力出口地面及側(cè)面移動壁面U=行駛速度，v=0計(jì)算域上邊界滑移壁面汽車表面無滑移壁面流體空氣：=1.225kg/m35.2 求解參數(shù)設(shè)置設(shè)置計(jì)算模型圖5.1模型控制圖設(shè)置進(jìn)口條件圖5.2進(jìn)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(jì)算域壁面條件圖5.4計(jì)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(jì)算參考數(shù)值圖5.7汽車參考數(shù)值圖修改收斂標(biāo)準(zhǔn)圖5.8收斂控制圖設(shè)置

41、氣動阻力監(jiān)測曲線圖5.9氣動阻力監(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(jì)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(jìn)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(jìn)行分析。通過Fluent的模擬計(jì)算得到的氣動阻力和氣動升力，計(jì)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氣動升力空氣密度，為1.225kg/m3A正投影面積5.3.1氣動力學(xué)分析通過模擬得到汽車在30km/h、60km/h、90km/h、120km/h速度下的氣動阻力D、氣動升力L，計(jì)算得

42、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)30100.647593.0688267103.716420.966760382.6445910.507572393.152160.915090843.5067122.014107865.520820.89561201483.107137.3817211520.48880.8846表5.3 65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)30-39.1711160.27366364-38.8974520.1487

43、60-145.858890.84784615-145.011040.138490-327.298681.6253808-325.673290.1382120-575.375732.6908495-573.684880.1370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）氣阻系數(shù)3089.722342.72166232.9660.836260320.929999.767384330.6973740.769690723.788820.667265744.45640.77031201235.365433.1956521268.56100.7380表5.5 7

44、0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)30-34.004120.2652074-33.73890.129060-128.574510.83091932-127.74360.121990-285.935761.6111822-284.334930.1207120-506.553652.6603465-503.8933030.1202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)3075.5432052.427589977.9707950.721660292.998448.490959230

45、1.48940.701690650.3579717.519754667.87730.69111201148.863229.5299171178.39310.6856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)30-29.2127460.26129371-28.9514520.110760-114.447350.81674951-113.63060.108590-254.662981.6047962-253.058180.1074120-440.745332.6380186-438.107310.1046圖5.12氣動阻力系數(shù)曲線圖5.1

46、3 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(dāng)直背式汽車速度變快時(shí)，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(shí)，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壓力云圖汽車車身表面的壓強(qiáng)分布與車體形狀息息相關(guān)，汽車的空氣動力學(xué)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(qiáng)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(fù)雜的變化，在車頭空氣流速前部分減小，并在貼近車頭時(shí)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(shí)空間變窄，流速增加，但在車尾空間又變寬，速度又變?。粴饬髁硪徊糠至飨蜍図?，與上部分氣流結(jié)合，速度在車頂急劇增加，流向車尾時(shí)速度又急劇減小，車尾上部分速度大，車尾下