车辆工程三厢轿车外流场模拟毕业论文

某型三厢轿车空气外流场模拟与分析 第 1 页 共 19 页经 济 技 术 学 院毕 业 论 文（设 计）论文题目 某型三厢轿车空气外流场模拟与分析 姓 名 王 肖 学 号 12558025 院 系 经济技术学院 年级专业 12 级车辆工程 指导教师 杨迎春 职 称 导 师 中国合肥二零 一六 年 五 月 十 日某型三厢轿车空气外流场模拟与分析 第 2 页 共 19 页目 录第一章 绪论 .21.1 本文的意义与目的 .21.2 本文主要的研究内容 .31.3 本文的研究方法 .3第二章 轿车的模型建立 .52.1 三厢轿车几何模型的建立以及网格的划分 .52.1.1 绘制三厢轿车几何模型 .52.1.2 对轿车模型进行网格划分 .52.2 轿车外流场的边界条件、物理模型以及数值迭代 .82.2.1 边界条件 .82.2.2 物理模型 .82.2.3 数值分析的迭代 .9第三章 轿车外流场的数值模拟结果分析 .103.1 轿车流场的组成 .103.1.1 轿车的内流场 .103.1.2 轿车的外流场 .103.2 轿车外流场的数值计算结果分析 .123.2.1 轿车外流场的压力分析 .123.2.2 轿车外流场的速度分析 .14第四章 全文总结 .16致 谢 .17参考文献 .18某型三厢轿车空气外流场模拟与分析 第 3 页 共 19 页某型三厢轿车空气外流场模拟与分析作者：王肖 指导老师：杨迎春（安徽农业大学经济技术学院 2012 级车辆工程 合肥 230036）摘要：随着当代轿车的汽车速度不断提高，所以对轿车气动性能要求也不断提高。在研究过程中，我们主要从汽车外流场进行模拟与分析。本文利用所学的CAD 软件和 CATIA 软件，构建所需要三厢轿车的模型，来作为用于本文的轿车模拟模型。之后，导出轿车模型利用 STAR-CCM+软件进而生成适合空气动力学所需仿真用的轿车表面网格。然后再进行求解域和控制参数的设定，求解单元，求解方法和数学模型的选择，以及边界条件的确定等等。在完成以上的工作之后，通过 STAR-CCM+软件进行数值模拟，对汽车模型外部流场进行外流场的仿真计算。进而得出所需要的图形以及数据，最后对整个汽车外流场进行速度、压力分析和计算。关键词： 气动性能 CAD CATIA STAR-CCM+ 数值模拟 汽车外流场某型三厢轿车空气外流场模拟与分析 第 4 页 共 19 页第一章 绪论1.1 本文的意义与目的本文主要研究轿车在行驶过程中，外部流场对轿车性能的影响，涉及汽车空气动力学。空气动力学主要研究的是汽车与空气相互运动之间所产生的相互作用规律，以及研究与分析空气动力对运动的汽车各性能的影响。所谓空气动力即空气对运动轿车所产生的阻力。随着当今时代汽车工业的不断发展，汽车的外部的造型受到了越来越多的关注，汽车的动力性能和汽车的外部造型有着紧密的关系。比如我们熟知的跑车，它的外部造型使跑车在行驶过程中，很大程度上减少空气动力对汽车动力性能的影响，所以汽车的空气动力受到汽车的外部造型的影响，尤其是对于高速行驶的车辆，空气动力对其的影响非常重大。因此，空气动力这一特性是所有汽车所具有的重要特征之一，也是无法避免的。由公式P=FV F=(1/2)CSV2 (P 为空气阻力所消耗的功率；F 为空气阻力；C 为空气阻力系数；为空气密度；S 物体迎风面积；V 为物体相 对于空气运动的速度。)由上述公式得知,空气密度不变的情况下，空气阻力的大小 F 与空气阻力系数 C 以及迎风面积 S 成正比，与速度平方成正比，且空气阻力所消耗的功率又与速度的立方成正比。所以，通过汽车空气动力学的研究与分析，来降低汽车行驶过程中的空气动力阻力，进而提高汽车发动机的工作效率，从而，不仅可以提高汽车动力性，还可以减少汽车油耗，提高燃油经济性。尤其是高速行驶的汽车，因为空气动力对于其各项性能的影响占据主导地位。所以，空气阻力无法避免，我们只有改善空气动力性。良好的空气动力性是汽车安全行驶的前提，是汽车高速行驶的重要保障。我们生活中的经验告诉我们，当风吹向一个物体时，就会对这个物体产生作用力，力的大小和风的方向以及风的强弱有关。 “清风徐来，水波不兴”但是当“飓风袭来”时，则是“势不可挡” ，这说明，当风达到一定程度时，就不可以忽视它的影响。一般汽车车速超过 100km/h 时，汽车外部气流对汽车产生的空气阻力就会超过轮胎的滚动阻力。这时，我们就不得不充分的考虑空气动力对汽车性能的影响。如下图 1.1 所示。某型三厢轿车空气外流场模拟与分析 第 5 页 共 19 页通过本文的学习，我想多学习汽车空气动力性能的方面的知识，提高数值仿真分析的能力，为今后从事汽车行业的研究打下基础。1.2 本文主要的研究内容汽车的空气动力性能对汽车的各项性能有着极其重要的影响，本文主要研究流场与接触表面的压强关系。流场是流体运动所占据的空间，是压强场，密度场，速度场和温度场的总称。通过研究汽车局部到整车的流场，直接了解汽车表面气流的运动规律和运动情况，从而进一步去研究汽车局部优化气动造型和车身整体的气动造型，再进行分析汽车尾部气流分离的现象与机理。汽车尾部空气流场如下图 1.21.3 本文的研究方法汽车空气动力学实质上是属于流体力学，它是流体力学之中的一个小支流。研究的主要方法和流体力学相同：有数值计算法，实验研究法和理论分析等方图 1.1 汽车空气阻力与车速的变化情况图 1.2 汽车尾部空气流场某型三厢轿车空气外流场模拟与分析 第 6 页 共 19 页法。在本文中主要是利用的数值计算的方法来对汽车的空气动力性能进行分析和研究。利用数值计算法，不仅可以解决模拟实验，从而得到研究结果，来代替一些困难的或者无法实现的实验环节，而且还能通过实验分析一些实验中无法去处理的外部气场外部气场复杂的流动问题，从而让研究人员省时又省工。数值计算法进行模拟实验主要的问题是在试验中对数据的精度的计算，这就需要把实验模拟对象划分成许许多多的不同形状与结构的小网格。在对汽车模拟流场计算过程中，需要把整车模型划分为几千甚至几十万个网格，然后再进行一个个的去计算，计算难度不说，光是计算量就是一个非常困难的问题。随着时代的发展，计算机的到来成为了当今许多实验研究中的最重要的研究工具之一，许多复杂和困难的方程式或者方程组因此也得到了快速以及有效的求解方法和准确的求解结果。针对上述计算量超大的问题，交给计算机来计算，那就迎刃可解了！也使得研究人员利用更少的时间来完成更高精度的计算。本片文章采用的基本研究思路如下：1. 利用所学的 CAD 和 CATIA 软件来建立一个汽车的三维模型。2. 将建立好的模型导入到 STAR-CCM+软件之中进行网格划分进行研究计算等工作。3. 针对实验研究结果进行处理与分析。4. 得出相应的结论。某型三厢轿车空气外流场模拟与分析 第 7 页 共 19 页第二章 轿车的模型建立2.1 三厢轿车几何模型的建立以及网格的划分2.1.1 绘制三厢轿车几何模型本文所采用的三厢轿车模型采用比例为 1：1 的实车模型，并且为了方便计算对轿车模型做了简化：比如外部的突起物，如观后镜，把手等，另外忽略车轮的影响；车底部想象成平整的底盘。从而提高计算的准确性。为节省工作和计算时间，截取轿车模型对称面的一半。 如下图 2-1 所示。图 2-1 某型轿车几何模型2.1.2 对轿车模型进行网格划分本文研究的汽车外流场是对在轿车外部周围进行的，我们假设把模型放在取一个长方体之中，为了模拟汽车在行驶，我们从汽车头部进行空气迎面吹来，假设风以 100km/h 的速度吹来，我们设长方体长度为 40 米，宽度为 5 米，高度为 6.5 米，如图 2-2，然后进行区域网格划分。图 2-2 轿车模型计算的区域下面，我们对要进行计算的区域进行网格划分，网格划分需要遵循以下原则：第一：在划分网格时候应尽可能的使所要计算的区域和实际的流动区域保持一致性，尤其是在封闭空间的边界部分，最大的保证模拟计算的精度。先对所要研究的车体的表面进行网格划分 ，之后，再对所建立的空间体的内部进行一步步划分，由于主要计算的区域是汽车车身的外表面，所以，划分网格时，某型三厢轿车空气外流场模拟与分析 第 8 页 共 19 页我们要充分 保证网格和车身外表面有一个完美的吻合，以最大限度的保证模拟计算的准确性。第二：在划分所要研究的车身表面的圆弧过渡处时，网格的划分密度要增大，或者是网格要划分更加细。比如说车体前大灯与翼子板交界处、观后镜、以及两盖四门边界处的圆弧等等。因为这些圆弧部位具有不规则的几何体，另一方面，因为有些部位是正面碰撞流体，所以，在这些部位处的流体参数变化量是非常大的，因此 ，在圆弧处对网格的划分要求比较高。第三：在有产生流场涡流的地方网格的划分要有一定的密度，比如汽车的扰流板等部位。因为这 些部位的参数量变化很大，所以我们也要将这些部位的网格划分要相对密集一些，以保证数据分析和计算时的准确性。第四：在划分网格时，因为选择的空间过大，我们不可能计算到每一个空间中的点，我们可以对空间进行层次划分（俄罗斯套娃法）：在距离汽车模型表面较远处，我们可以划分一个层次，这个层次中的网格密度相对疏一点，再距离模型近一点的空间再进行层次划分，此空间相对外层的网格密度又紧密一点，空间区域内的网格密度也要越来越密集。这样的一种划分方法，可以降低对计算机的内存要求，另一方面可以提高工作速度和计算精度。网格区间的划分如下图 2-3 所示：图 2-3 网格局部加密区域 Brick1各个区间内部网格的划分情况如下图 2-4 所示，因为正三角形或正六边形有着特殊的计算角度和计算方法，为了方便数据的计算，我们选用正六边形作为所生成的网格的形状，同时也使网格具有更多的相邻单元，使得在各网格单元四周自动结合，尤其是在稀疏和紧密网格之间的区完美的结合某型三厢轿车空气外流场模拟与分析 第 9 页 共 19 页在划分区域的网格时，整个划分过程大概需要 40 分钟，在汽车模型表面部分生成的网格如图 2-5 所示。图 2-5 汽车表面网格（由于受到计算机性能的影响，在网格划分时所选取的尺寸较大）图 2-4（a） 各个区域生成的正六边体网格 图 2-4（b） 横截面生成的网格图 2-4(c) 纵截面图生成的网图 2-4(c) 纵截面图生成的网格图 2-4（b） 横截面生成的网格某型三厢轿车空气外流场模拟与分析 第 10 页 共 19 页2.2 轿车外流场的边界条件、物理模型以及数值迭代2.2.1 边界条件所谓边界，即指在进行轿车外部流场模拟与分析时，是将所要进行模拟的汽车模型放置在一个封闭的区域内，在这个区域内有入口、出口以及上下左右四面，相当于将汽车模型放置在一个封闭的盒子里面，防止外部条件的干扰。因为在本文的模拟过程中，将汽车想象成左右对称，所以会增加一个对称平面。所谓边界条件，就是对上述边界加以一定的条件，将汽车放置在封闭区间，这个区间不可能是无限大，也不可能太小，所以我们给与一定的大小以方便计算。我们假想汽车在区间内不动，从入口通入 40m/s 的流体风，相对于风静止时，汽车的速度即为 40m/s。风从入口进来，则需要从出口出去，所以对于边界有以下条件：（1）速度入口边界条件：速度大小 40m/s。湍流的特征长度 L5.662m，湍流强 度 I = 0.39564。（I=0.07L=0