1、 直背式小轿车外流场数值模拟 摘 要随着人们生活水平的提高、建造高速公路水平的提高，人们驾驶汽车的车速就有了明显增加，这使得对汽车空气动力学的研究变得极为重要。气动阻力和气动升力的研究不仅可以提高汽车的性能，同时可以减少能源的消耗和提高提车的安全性，具有重大的经济意义。传统的空气动力学研究是采用风洞试验，但是这种研究成本高、周期长。随着计算机技术和计算流体力学（CFD）的发展，汽车空气动力学研究中运用CFD技术极大的减少了成本和周期。本文采用CFD方法对长安某型汽车进行了汽车外流场研究。对其汽车进行适当建模，研究它的外流场特性，得到在不同速度下的气动阻力和气动升力。本课题采用Workbench
2、软件对长安某型汽车以1:1比例建立简单三维模型，并画出流场域，采用ICEM对其进行分块网格划分。运用Fluent软件对其进行汽车外流场数值模拟，分析它的气动阻力特性、气动升力特性和流动情况。关键词：空气动力学特性 计算流体力学 网格划分 流场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 录摘 要IABSTRACTII目录11 绪 论31.1研究目的及意义31.2国内外研究现状31.3论文主要工作52 汽车空气动力学基础62.1气动阻力62.1.1形状阻力62.1.2摩擦阻力72.1.3诱导阻力72.1.4干扰阻力72.1.5内循环阻力72.2气动升力82.3本章小结83 计算流体动力学理论93.1计算流体动力学介绍93
8、.2控制方程93.2.1质量守恒方程93.2.2动量守恒方程103.2.3能量守恒方程103.3湍流模型113.3.1标准的k-模型113.3.2 RNGk-模型113.4 插值格式123.4.1 一阶迎风格式123.4.2中心差分格式123.4.3QUICK格式133.4.4二阶迎风格式133.5本章小结134 CAD建模及网格划分144.1汽车CAD建模144.2ANSYS ICEM CFD 简介144.3对汽车进行网格划分154.4网格质量调整及导出网格文件164.5本章小结165 汽车外流场数值模拟175.1边界条件175.2 求解参数设置175.3汽车各速度下的模拟计算结果及分析22
9、5.3.1气动力学分析235.3.2 车身表面压力分析255.3.3速度流线图分析265.4本章小结26总结与展望27参考文献28致谢301 绪 论1.1研究目的及意义近年来，时代飞速的发展，使得汽车普及量大大增加。高速公路的发展，又使得汽车车速提高，这样就对汽车的舒适性、安全性、操作稳定性有了更高的要求。车辆的发展重点是以地球上有限的矿质燃料能源为基础，在当前与日后比较长的一段时间内，绝大多数车辆均是依靠燃烧各类化石燃料来驱动的，所以降低油耗变成了车辆技术的主要研究课题。近年来的发展过程中，人们认为有很多方法可以达到节约燃料，提高燃料的质量，例如用油机代替汽油发动机，使用复合动力装置，参照替
10、代燃料的新方法，制定先进的标准。但最明显的节能效果是借鉴新的清洁能源，降低汽车的空气阻力和滚动阻力，由于汽车结构的限制，降低空气阻力越来越受到工程师的重视。风洞试验是研究汽车空气动力学的传统方法，得到的物理流场比较符合实际情况。但是风洞试验造价较高、耗资较大，在经济条件一般的情况下根本无法实行。风洞试验的各种误差因素较多，既要考虑到风洞边界条件的影响，还要考虑湍流、风速、风向、雷诺数等的影响，而且数据采集的测量存在一定的误差和实验结果需要换算等问题，虽然试验技术还在完善，但是仍存在一些问题，所以要想得到准确结果还需要对风洞试验进行完善。随着计算机技术的发展，计算流体力学CFD技术也有了巨大的发
11、展，对于以前只能在风洞里面才能进行的试验，现在已经能够在计算机上模拟了，并且得到的数据和风洞试验得到的数据基本吻合，可信度高。因此，计算流体力学在汽车空气动力学研究中被广泛应用。汽车外流场的数值模拟结合传统的研究方法，不仅在汽车性能方面得到了有效的改善，并且节省了研究的经费，提高了探究的效率。1.2国内外研究现状风洞是固有的车辆空气动力性质的探究方式，其投资成本高、实验周期久，存有堵塞效应，地平面效应等问题，而且无法具体掌握汽车外界流动速率、压力等参量的布局状况，因此只采取风洞实验与道路表面检测技术探究车辆空气动力学，已无法达到更快设计出更加经济、舒适的车辆需求，伴随电子技术的进一步发展而快速
12、成长起来的数字模拟方式为车辆空力学的探究开创了新的渠道，近些年，车辆空气动力学数值仿真发展快速，其重要程度也在不停增大，运用领域也在快速扩增，在早阶段汽车类型的研发中，运用数值仿真能够为车辆气动外型的初步选取供应参考，可以便利、直观的认识车辆每个模块的空力学情况与尾端涡区架构与布局状况，初步运算出整辆车的气阻参数，为深入设计供应参考，极大简短了整辆车的研发周期，同时节约了成本。潘小卫运用CFD软件对F1赛车模型（包括后视镜、轮胎花纹）执行外流场模拟，具体解析了车辆前后负升力翼、轮胎、车身导流器所受作用力状况，及车辆气阻与气动升力形成的原理，接着运用风洞试验室，对此F1赛车执行风洞试验，实验结果
13、证实，其气阻与气动升力参数与模拟结果相近，表明了CFD模拟的准确性1。傅立敏等对红旗CA774轿车展开了数值仿真，获得了整辆车的流场架构与尾部流体场的涡系架构，成功仿真出气流分隔与拖拽现象，通过与试验结果对比，证实了数值模拟结果是正确的2。Jindal S和 Khalighi B 利用CFD对SUV和皮卡车进行数值模拟，采用局部网格优化的笛卡尔网络增加，得到了表面压力，速度剖面和气动阻力系数，和现有的测量结果相接近，说明了CFD仿真的可靠性3。近些年，车辆空力学数值模拟发展快速，其重要程度不停提升，运用领域也不断扩增，模型在设计的早先时期，运用数值仿真能够供应车体的空力学外型的基础，能够便利、
14、直观的掌握车辆零件的形态与空力学特征，轿车初步运算气阻参数与升力参数,提供进一步详细设计的基础,缩短车辆的开发周期,节省金钱4。江贤军对工程车辆车体应用CFD工具Fluent做出了数值仿真，同时对结果做出了解析与改进，在车辆空力学数值仿真的实际应用层面进行了许多有效的尝试4。陈倩云等运用Ansys ICEM对车辆外流场2D模型构建同时对其予以网格分划，鉴于Ansys Fluent对外流场做出数值仿真，获得其负荷与速率云图与速率矢量图，从直观上对车辆外流场的气流状况予以掌握，经过数值仿真的数据对车辆外流场的真实状况展开探析，为改进车辆的气动特性供应了理论参考5。胡韩飞运用车辆空力学数值运算的函数
15、力学原理，采取Star-cd和UG18.0工具相互联合，对长安羚羊1300CDB型轿车做出数值运算仿真，同时对结果做出了具体的解析，计算出汽车受到气动阻力系数和升力系数，然后对汽车的气动造型提出了一些改进意见6。安徽江淮车辆企业技术部门的徐志宝运用CFD方式对某一款车辆的外流场做出仿真，模型模拟风洞实验，运算出此车辆的风阻参数与升力参数，同时对尾端扰流板做出了优化改善，最终得到了满足设计要求的流场性能7。董贵杨等人描述了运算流体力学在车辆工程范畴中的运用情况，重点描述了车辆CFD技术在流体场、发动机、空调体系与噪音等范畴中的分析发展，给出了在CFD技术分析中需进一步处理的问题，并展望了其发展趋势和应用前景8。宋振寰讲述了中外运用CFD对车辆车体外流场仿真的探究情况，当前外国CFD工具正往全自控分划网格，快速高精确度的运算层面发展，而我国对CFD的探究发展还处于一个初级水平9。常思勤解析了流体动力学的运用前景与运用过程中产生的主要问题，同时联合详细案例探讨了近些年来CFD的发展情况与CFD在车辆与其零件设计当中的运用10。郭建成讲述了CFD数值仿真技术在气动力运算方面的形成机理，讲述了车辆气阻
