楔形新車型車體的氣動(dòng)特性仿真

楔形新車型車體的氣動(dòng)特性仿真

0幾種弧形車為了提高車輛行駛的安全性、舒適度、油耗經(jīng)濟(jì)性、操縱方便、外觀美觀，湖南大學(xué)的鐘志華等人介紹了2004年使用的第一種變形車輛。該車輪系按照菱形布置,前后各一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪,車中部為兩個(gè)從動(dòng)輪,這種結(jié)構(gòu)為車體流線型的設(shè)計(jì)、整車氣動(dòng)特性的提高提供了良好的基礎(chǔ)。1模型網(wǎng)格質(zhì)量圖1為新概念車的外形效果圖,其外形尺寸(長×寬×高)為4655mm×1876mm×1260mm,正投影面面積為1.705m2。本文計(jì)算區(qū)域是一個(gè)長方體。長方體長為車長的8倍,高為車高的6倍,寬為車寬的6倍,計(jì)算模型在長度方向處于第三個(gè)車長位置。計(jì)算域中生成的網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響模擬結(jié)果的精度和所耗用的CPU時(shí)間,在計(jì)算敏感區(qū)(壁面附近、尾流區(qū)、外型曲率大的表面處)參數(shù)變化梯度大,如果網(wǎng)格太稀,則不能捕捉到流場(chǎng)的重要信息,結(jié)果誤差大,甚至解不收斂,故需取較密網(wǎng)格;在非計(jì)算敏感處參數(shù)變化梯度較小,若網(wǎng)格太密,則所耗用的CPU時(shí)間增加,故應(yīng)取較稀網(wǎng)格。綜上所述,本文采用Delaunay三角形方法在整個(gè)計(jì)算流域面生成半結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格單元總數(shù)為256萬個(gè)體積單元。2新車流場(chǎng)價(jià)值的模擬2.1流場(chǎng)模擬方程汽車外流場(chǎng)為等溫、不可壓縮的湍流流動(dòng),本文選用Yakhot等的新版RNGk-ε湍流方程,其特點(diǎn)是采用一種雙向展開(doubleexpansion)的技術(shù)對(duì)ε方程進(jìn)行展開,在ε的?；斶\(yùn)方程中,它與Yakhot等修正版的RNGk-ε湍流方程的區(qū)別是,在ε方程源項(xiàng)中的系數(shù)Cε1中加入了一個(gè)附加產(chǎn)生項(xiàng)。該產(chǎn)生項(xiàng)主要是考慮流動(dòng)中的不平衡應(yīng)變率而加入的,它對(duì)于具有大應(yīng)變率的流動(dòng)以及具有強(qiáng)曲率影響和壁面約束的湍流分離流動(dòng)都具有重要作用。流場(chǎng)的連續(xù)方程為流量動(dòng)量控制方程為?uˉi?t+uˉj?uˉi?xj=??pˉ?xi+??xj[(υ+υT)(?uˉi?xj+?uˉj?xi)]?uˉi?t+uˉj?uˉi?xj=-?pˉ?xi+??xj[(υ+υΤ)(?uˉi?xj+?uˉj?xi)]式中,υT為渦粘性系數(shù),υT=Cμk2/ε;uˉuˉi為平均速度;pˉpˉ為平均壓力;υ為運(yùn)動(dòng)粘度;k為湍動(dòng)能,k=uˉiuˉi/2k=uˉiuˉi/2;ε為耗散率,ε=υ?uˉi?xj?uˉi?xjε=υ?uˉi?xj?uˉi?xj。k、ε的模化方程如下:式中,Gk為湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng),Gk=2υTSˉˉijSˉˉijGk=2υΤSˉijSˉij;Sij為平均應(yīng)變率張量,Sij=(?uˉi/?xj+?uˉj/?xi)/2Sij=(?uˉi/?xj+?uˉj/?xi)/2。上述方程中的常數(shù)如下:Cμ=0.085,Cε2=1.68,σk=0.7179,σε=0.7179,Cε1=1.42?η(1?η/η0)(1+βη3),η=Sk/ε,S=(2SˉˉijSˉˉij)1/2,η0=4.38,}0.015Cμ=0.085,Cε2=1.68,σk=0.7179,σε=0.7179,Cε1=1.42-η(1-η/η0)(1+βη3),η=Sk/ε,S=(2SˉijSˉij)1/2,η0=4.38,}0.015。2.2新用車?yán)@流的仿真計(jì)算本文采用RNGk-ε模型結(jié)合壁函數(shù)近壁處理方法對(duì)新概念車的繞流進(jìn)行仿真計(jì)算。壁函數(shù)法(wallfunction)就是用一組半經(jīng)驗(yàn)的公式將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)內(nèi)待求的未知量直接聯(lián)系起來的方法。2.2.1壁面參數(shù)計(jì)算按照文獻(xiàn)的推薦:用y+=11.63作為粘性底層與對(duì)數(shù)律層的分界點(diǎn),即y+<11.63時(shí)流動(dòng)處于粘性底層,u+按下式計(jì)算:式中,u為流體的時(shí)均速度;uτ為壁面摩擦速度,uτ=(τw/ρ)1/2;ρ為空氣密度,ρ=1.225kg/m3;Δy為邊界層內(nèi)任意一點(diǎn)到壁面的距離;τw為壁面切應(yīng)力。y+>11.63時(shí)對(duì)應(yīng)對(duì)數(shù)律層,u+按下式計(jì)算:u+=1κln(Ey+)y+=ΔyP(C1/4μk1/2P)/μτw=ρC1/4μk1/2PuP/u+u+=1κln(Ey+)y+=ΔyΡ(Cμ1/4kΡ1/2)/μτw=ρCμ1/4kΡ1/2uΡ/u+式中,uP為壁面上網(wǎng)格第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的速度;yP為節(jié)點(diǎn)距壁面的距離;kP為節(jié)點(diǎn)P上的湍動(dòng)能;μ為流體的動(dòng)力粘度,常溫下μ=18.318×10-6Pa·s;κ為卡門常數(shù),κ=0.4;E為常數(shù),E=9.8。2.2.2局部平衡假設(shè)在壁面上,湍動(dòng)能κ的邊界條件為?k/?n=0(n為垂直于壁面的局部坐標(biāo)),在與壁面相鄰的控制體積內(nèi),構(gòu)成k方程源項(xiàng)的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)Gk及耗散率ε按局部平衡假定來計(jì)算,即在與壁面相鄰的控制體積內(nèi)Gk和ε都相等。與壁面相鄰的控制體積上的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)Gk為Gk=τwτwκρC1/4μk1/2PΔyPGk=τwτwκρCμ1/4kΡ1/2ΔyΡ與壁面相鄰的控制體積上的耗散率ε為2.3試驗(yàn)結(jié)果與模型仿真計(jì)算為了保證計(jì)算和試驗(yàn)的一致性,本文以車身為參考系,除了在計(jì)算域的進(jìn)口設(shè)置來流速度外,將地面設(shè)置為與汽車速度大小相等、方向相反的邊界速度。由于輪胎與前后車軸之間有相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度,所以在輪胎表面邊界條件的設(shè)置中賦予和實(shí)際情況相同的輪胎表面速度。為了驗(yàn)證本文的數(shù)值計(jì)算精度,我們將相同條件下的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。汽車試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比例為1∶5,為了保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性,汽車的計(jì)算模型和模型風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋壤秊?∶1。對(duì)基本控制方程采用有限體積法來進(jìn)行離散求解,采用Delaunay三角形方法在整個(gè)計(jì)算流域面生成半結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,用以提高邊界層的計(jì)算精度,用二階中心差分離散格式來提高仿真數(shù)值精度;采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的Simple算法來求解不可壓流場(chǎng)的壓力(即速度耦合方程)而獲得流場(chǎng)的迭代解。圖2～圖5為新概念車計(jì)算模型的數(shù)值網(wǎng)格圖。模型風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值仿真時(shí),對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?忽略了后視鏡、雨刮器、門把手等表面附件的影響。2.4計(jì)算域和出口邊界汽車的外流場(chǎng)是定常和不可壓縮的,因此方程中的時(shí)間變化項(xiàng)為零。邊界條件作如下設(shè)定:計(jì)算域入口處水平來流速度設(shè)定為30m/s,其余兩個(gè)方向的速度(即橫向速度和豎直方向的速度)設(shè)定為0;計(jì)算域上壁面和側(cè)壁面邊界設(shè)為自由滑動(dòng)壁面;計(jì)算域下壁面(即地面)設(shè)定為移動(dòng)壁面邊界,移動(dòng)速度與來流速度相同;汽車模型壁面邊界滿足固壁無滑移條件;出口邊界為給定壓力邊界條件,相對(duì)于遠(yuǎn)方來流處的壓力為零;賦予與實(shí)際物理環(huán)境等同的車輪轉(zhuǎn)速邊界條件(在風(fēng)洞試驗(yàn)中,如果要做到使車輪旋轉(zhuǎn),將會(huì)使試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)異常復(fù)雜,而車輪旋轉(zhuǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響很小,可以忽略不計(jì),因此模型風(fēng)洞試驗(yàn)并未考慮車輪旋轉(zhuǎn)這一因素)。2.5計(jì)算表1所示為新概念車的阻力系數(shù)、升力系數(shù)的數(shù)值模擬值和風(fēng)洞試驗(yàn)值的對(duì)比。3新相車氣動(dòng)性能未受限制計(jì)算結(jié)果如圖6～圖10所示。(1)通過對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知,阻力系數(shù)和升力系數(shù)的計(jì)算值與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差小于5%,因此本文應(yīng)用Yakhot等的新版RNGk-ε湍流方程來對(duì)新概念車進(jìn)行外流場(chǎng)的數(shù)值仿真計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果的精度較高。(2)從表面壓力分布圖(圖6)可以看出,由于新概念車良好的流線型設(shè)計(jì),其對(duì)稱面上的壓力系數(shù)曲線比較平穩(wěn),因此車身表面氣流分離少,相應(yīng)的氣動(dòng)噪聲小;同時(shí),車頭和車尾的壓差較小,其氣動(dòng)阻力也就小(阻力系數(shù)為0.278)。(3)縱對(duì)稱面的等壓線(圖7)說明,在前部正壓區(qū)和尾部負(fù)壓區(qū),等壓線稀疏則壓強(qiáng)梯度降低,壓強(qiáng)梯度降低意味著渦旋區(qū)域湍流強(qiáng)度減小,從而能量損失降低,氣動(dòng)阻力系數(shù)減小。(4)新概念車尾部對(duì)稱面流線圖(圖8)中,由于新概念車模型尾部氣流流線平順地沿車后箱流向地面,沒有形成較明顯的渦流,能夠避免尾部的泥土上揚(yáng)現(xiàn)象,同時(shí)新概念車在尾部的湍流損失比較小,相應(yīng)風(fēng)阻系數(shù)也會(huì)減小。(5)圖9、圖10說明,新概念車尾部只有一對(duì)渦旋,其原因是因?yàn)樾赂拍钴噧?yōu)良的氣動(dòng)造型弱化了汽車側(cè)面與車頂部來流匯聚成旋渦的能力,同時(shí)尾部中間的車輪對(duì)車底部氣流上行也起到了阻礙作用,直到側(cè)面來流與車身底部來流交匯之后才形成