毕业设计（论文）-后扰流板对汽车气动特性影响的仿真分析.doc

安徽农业大学工学院毕 业 论 文（设计） 论文题目 后扰流板对汽车气动特性影响的仿真分析姓 名 学 号 11101739院 系 工学院 专 业 车辆工程指导教师 职 称 副教授 中国合肥二o一五年五月本科毕业设计说明书 第II 页 共页 目录第一章 绪论21.1 研究背景以及实际意义21.2 国内外研究的历史和现状21.3 本文研究的主要内容3第二章 汽车外流场数值模拟的理论基础 4 2.1 CFD在汽车行业中的应用4 2.2 汽车空气动力学的发展4 2.3 汽车的空气动力学特性的改善52.3.1 汽车空气动力学特性对汽车的影响 52.3.2 后扰流板在改善空气动力学特性方面的作用 5 2.4 基本数学模型5 2.4.1 控制方程 6第三章 后扰流板对汽车空气动力性能影响的模拟与仿真的数值模拟 7 3.1 数值模拟前期准备 7 3.2 流场模型与计算方法 9第四章 汽车加装后扰流板前后空气动力学特性分析11 4.1汽车原始模型的空气动力学特性分析 11 4.1.1汽车外部流场 114.1.2湍流特性分析 12 4.2 不同车速下的外部部流场以及湍流特性比较分析 13 4.3 加装后扰流板模型与原始模型的空气动力学特性比较 14第五章 总结16致谢 16参考文献 16图表清单图2.1 负升力翼的工作原理5图3.1 加装后扰流板的汽车三维几何模型7图3.2 不加装后扰流板的汽车三维几何模型8图3.3 数值模拟的计算域 8图3.4 计算域网格模块划分 9图3.5 计算域整体网格示意9图4.1 汽车纵向剖面的压强分布图 11图4.2 汽车纵向剖面的速度分布图 12图4.3 汽车纵向剖面的速度矢量图 12图4.4 汽车纵向剖面的湍流动能分布图 13图4.5 两种车速下整车纵剖面的速度比较图 13图4.6 两种车速下整车纵向剖面的湍流度比较图 14图4.7 有无扰流板的整车纵向剖面的速度矢量比较图 14图4.8 有无扰流板的整车纵向剖面的湍流度比较图 15图4.9 有无扰流板的整车纵向剖面的压强比较图 15 注释表 CFD 计算流体力学N-S方程 Navier-stokes方程 密度 流体粘性系数f 滚动阻力系数D 阻力K 湍流动能I 湍流度L 湍流尺度 湍流动能耗散率后扰流板对汽车气动特性影响的仿真分析 第18页 共17页 后扰流板对汽车气动特性影响的仿真分析安徽农业大学工学院 11级车辆工程 合肥230036摘要：本文论述了其研究背景和对汽车气动特性研究的意义，并涉及到气动特性对动力性的影响。尤其近年来人们越来越对汽车的动力性以及经济性性提高了要求，而对汽车气动特性的研究正是来解决此问题。以简单线条组合，并且通过FLUENT来实现仿真，通过不同边界条件进行二维仿真模拟，研究了后扰流板对气动特性的影响，分析了加装前后的流场以及前气动特性的变化。仿真分析显示，改善汽车气动特性、减少车尾动能损失的方法便是合理安装扰流板。 关键词：气动特性，流场，后扰流板仿真第一章 绪论1.1 研究的背景与实际意义汽车空气动力学是针对高速车辆和气体流动相互作用的研究。它是汽车技术发展的关键和基础，在能源和交通等领域也发挥着十分重要的作用。由于我国快速发展高速公路，继而汽车车速的提高更加要求汽车的安全性和操纵稳定性。又因为各种不可再生能源的匮乏，燃油经济性便成为汽车技术的难题。气动特性直接影响汽车的操纵稳定性、经济性、安全性。而气动特性良好的汽车可以提高操纵稳定性和经济性。试验设备和手段的发展在很大程度上推动了汽车发展。近年来，风洞实验和计算机理论计算的共同进步使得汽车空气动力学的发展迅猛。同时其研究成果激发了汽车行业的发展，出现了大量低阻车型。由于空气动力学在汽车工程技术领域中发挥着极其重要的作用，因而越来越受到重视。我们通常把扰流板叫做尾翼，赛车和超跑上更为常见。安装扰流板的功用主要是为了削弱车辆后升力，避免后升力比前升力大，不然容易导致汽车转向过度、减小后轮抓地力以及降低高速稳定性。同样也是在不增加车体重量的前提下降低车辆行驶中所受的上升力。市场上涌现了各种各样的车用扰流板，并且在赛车使用率较高且扰流板较高，这样就可是气流直接与扰流板作用，让其产生的下压力不与车身效应相抵消，扰流板务必安装在远离车身表面。一些家庭两厢后侧安装车顶扰流器，使空气流过后窗口表面，所以，可以使该车辆后升力下降，气流也可用于清除后窗表面的灰尘，避免灰尘粘附影响车辆后视力。在装有扰流板普通轿车上扰流板很难发挥实际作用，而装扰流板的最大目的则是美化车身外观。因此，研究汽车空气动力学特性具有划时代的意义。1.2 国内外研究的历史和现状因为民族工业发展较落后，开始研究空气动力学则是汲取了航空实验中的一些风洞经验，一些实用专利已使用，总的来说还处于初级阶段，尤其是关于汽车外形的应用更是刚刚起步，更不用说关于汽车的流场模拟了。八十年代初，傅立敏向国内介绍国际的相关研究方法。八十年代中后期，湖大与吉大的教授们分别对大客车和红旗轿车进行了风洞试验。立敏教授对红旗轿车，货车等车型做了详尽的汽车气动特性研究并进行了模拟仿真。欧美国家的汽车工业自古就强大，技术革新与运用更是处于领先，高度发达的汽车技术也渗透在各个车系中。车企利用仿真软件进行汽车车身设计开发并得到应用。其模拟仿真不仅涉及到各种附加装置，还涉及到汽车外形的设计，运用相当广泛。其中日本一团队利用计算流体力学对车型设计进行了优化。因而可知，国外的同行们也一直致力于汽车气动特性的研究。1.3 本文研究的主要内容CFD是伴随着计算机技术的成长而应运而生的技术，其目标就是在计算机构建模拟状态下的风洞，使得实验得到大量的简化。并在汽车设计中占着举足轻重的分量。本文研究的主要是汽车尾部的扰流板部分，对装有参数不同和造型不同的扰流板模型下的整车进行流场的数值分析。分析汽车空气动力学，对比分析出造成差异的原因，为汽车的造型以及经济性提供有效的理论依据。工作基本上要经历基础理论准备、模型的建立、网格的划分和边界条件的设置、空气动力学特性模拟分析。第二章 汽车外流场数值模拟的理论基础2.1 CFD在汽车行业中的应用CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学的产物，是一门交叉了多学科的边缘科学。以计算机为工具，并用数学中的离散方法来解决汽车行业中问题。在车身设计上面CFD具有很强大的能力，而且可以通过CFD来优化车身几何外形。同时通过模拟仿真可以改变汽车局部几何体，从而改变气动力。CFD必然会在未来的汽车行业中发挥更大的作用。2.2汽车空气动力学的发展从轿车的演变可以看出汽车空气动力学的发展过程。从第一辆出现，已有一百多年的历史。通过人们的不断创新和改进，由车架和车轮，传动系统简单，逐步走向更完美的传动机构和制动机构，并安装了发动机，最后发展成复杂的汽车。近代关于气动特性的研究又涉及到NVH的研发、车身内流、发动机冷却和降低后窗的泥土附着相关问题。而且早期的汽车空气动力学的研究经历了四个阶段。【3】。1. 基本形状化造型阶段基本形是人们直接采用鱼雷形，船尾形等水滴外形。而这种合理外形虽然极大改善了气动阻力系数。但那时的通病是没有认识到气流流并不是对称地流过旋转体，因此使得这种水滴外形不适合汽车的外形设计。2. 流线形化造型阶段在这时期，杰里得出了以流线型的一半所构成的车身具有最小阻力值。认识到一个在自由流场中气动阻力系数很小的旋转体。同时认识到3D性能的流场。杰里觉得尾流的减弱分离会降低阻力值，将0.3的空气阻值变成现实，也认识到车身前部流场与尾部流场之间的相互影响。形成快背式的车型后，既然保持前段外形较低的气动阻力系数。同时人们对操作稳定性和气动阻力的认识有着飞速的进步。由此得出阻力较小的车辆的侧风稳定性差，装有后扰流板能够降低汽车横摆的程度，操作会更加稳定。而且冷却系统的气流增加了车阻。3车身细部优化阶段White选择了重要的几个车身参数且对其气动特性进行分析。七十年代，德国科学家提出汽车设计应首先服从汽车工程的需要，然后对车身进行细节优化。4. 汽车造型的整体优化阶段随着钝体空气动力学流动分离的继续进步和风洞试验技术的发展，人们充分理解车身周围的流动特性且车辆空气动力学优化阶段进入汽车的整体2。2.3汽车的空气动力学特性的改善气动特性特性直接影响经济性、安全性和稳定操作性。并且提高汽车动力的经济性的重要的方法就是得到一个好的汽车动态特性的设计。改善内流特点，提高该发动机、刹车零件的效能可以提高车辆NVH特性，同时也能保证舒适性。2.3.1汽车空气动力学特性对汽车的影响首先气动力会影响最高车速，其次气动阻力系数与加速性能成反比，因此减少气动阻里，加速度便得到提高，而且在车辆在其最大坡度时，气动阻力和升力会降低最大坡度【1】。2.3.2后扰流板在改善空气动力学特性方面的作用高速行驶的汽车会产生更大的升力，汽车就会出现漂浮的感觉，保持预定路线的能力和可操纵性明显下降。车辆稳定性和高速安全性也会受到影响。谈到安全性，更重要的是削弱气动升力而不是减少阻力。安装负升力翼可以减少气动升力，负升力翼可以产生大量的气动压力。而负升力翼的概念最早出现在美国。负升力翼的工作原理就是（图2-1）在后备箱盖上后部安装尾翼，从而阻滞从车顶冲下来的气流，从而形成下压力，以抵消些许气动升力，从而增加车轮的地面附着力，为了提高高速车辆的动力学性能和运行的稳定性，这种尾翼称为后扰流板。可以实现更好的驾驶性能。图2.1 负升力翼的工作原理2.4 基本数学模型所有的流体流动都是以三个基本的流体力学的控制方程质量方程（续性方程）、动量方程和能量方程为基础的。这三个方程分别是流体世界中质量守恒、动量守恒和能量守恒这三个物理规律的数学表达。联立可得N-S 方程组，而N-S方程组是流体流动所需服从的普遍规律8。2.4.1 控制方程根据国内外车身外部流场的计算经验，可以假定流量是稳定的，而且空气截止的物理参数恒为常数。一般情况下，汽车车速低于 200km/h时，定义空气流动为不可压流动，空气对汽车的绕流处于湍流状态。本文则是采用不可压缩 N-S 方程5：连续性方程： (2.1)动量方程： (2.2)第三章 后扰流板对汽车空气动力性能影响与仿真本文进行外流场数值模拟所用的 FLUENT 是用于计算流体流动软件。它可以有效生成复杂非结构网格。FLUENT 软件通过采用各种网格计算来解决二维和三维的流动问题；计算网格可以分为结构网格，非结构网格和混合网格。FLUENT还可以按照计算结果优化网格，这类网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场很适用【6】。汽车外部流场数值模拟的主要工作包含以下下几个部分：根据汽车的详细流动问题选定求解区域和流动控制方程，确定相应的定解条件，然后将微分方程离散到网格上进行求解，获得相应的仿真结果。仿真计算首先需要在求解域内构造网格，然后才能进行仿真求解。但是汽车几何形状比较复杂，划分网格是一个耗时而且容易出错的步骤。3.1数值模拟前期准备由于计算设备的限制，此次所建立的模型是原始模型，未进行棱角的优化，建立了不同参数后的模型。对车身进行大部分的简化。利用GAMBIT绘制了三维模型如下:图3.1 加装后扰流板的汽车三维几何模型图3.2 不加装后扰流板的汽车三维几何模型在确定的计算域中捕捉汽车扰流场的特点，同时尽力将计算域的范围缩小，以减少计算周期，提高计算周期。图3.3 数值模拟的计算域计算流体力学网格划分及其应用研究的重要内容，不仅对离散区域本身而且还对于流场数值模拟计算产生很大的影响。图3.4 计算域网格模块划分图3.5 计算域整体网格示意3.2流场模型与计算方法 1流体材料及物理性质 流体是空气，在一个标准大气压，海平面高度，摄氏 15时=1.225kg/m3，动力粘性数u=1.7894Ns/m2，运动粘度。【3】2流场性质 由于汽车速度远小于声速的三分之一，所以汽车空气动力学研究能够把四周的气体考虑成不可压缩的。绕流场为定常、等温、不可压缩三维流场状态。 3湍流模型 本文采用的是标准 k 湍流模型。这种湍流模型对网格的质量要求不高，所需的计算时间较少，应用非常广泛。此模型需要计算湍流动能 k和湍流动能耗散率 。而湍流度 I 和湍流尺度 L 又会影响上述两个数值。所以可以通过Prandtl理论来计算。FLUENT 是基于有限体积法对空间进行离散的，在本文模拟中采用基于压力的隐式（Implicit）分离式（Segregated Solver）解法。对压力和速度的耦合选择简单的压力校正算法，有关方程采用二阶迎风格式离散。第四章 汽车加装后扰流板前后空气动力学特性分析 车辆周围的流场分为两大类：一是汽车外流场，包括汽车表面的空气流动另一类是内部流场，如通过发动机、排气系统、冷却系统，驾驶室的气流。而本文研究车身周围的外部流场，其特点是安装后扰流板，在车尾形成涡流，进而产生阻力。4.1 汽车原始模型的空气动力学特性分析在这一部分中，我们研究的模型在不安装扰流板是的气动特性。在20m/s的车速下，不安装后扰流板的汽车模型进行外流场数值模拟，得到汽车外部流场的某些特性。现选取汽车纵向剖面为代表性截面，进行数值分析。4.1.1汽车外部流场流经汽车上部的空气气流在遇到车头部前缘时，模型的曲率半径很小，气流无法及时缓冲，从而会出现局部分离的情况，出现了某些区域流速较大，因此在近边角会产生负压，而汽车发动机冷却风口设置有利于发动机的冷却和散热。随后发动机盖上方的区域依然是负压力区域。由于前挡风玻璃的作用，气流速度降低，并且由于凹角，形成了一个风速停滞区域，形成正压区域，当气流流经挡风玻璃的上缘部分，又会因为上述曲率问题出现一个负压力区域。由于车顶的外形是平滑的，气流速度在此区域不至于有太大变化，气流流过车顶部后沿着后窗向下流动时，速度减小，压强变大，在汽车的后窗和行李厢盖的分界处发生局部分离，从而形成了正压气流并附着在行李厢盖上，并在车身尾部形成了负压尾流区。图4.1汽车纵向剖面的压强分布图图4.2 汽车纵向剖面的速度分布图图4.3 汽车纵向剖面的速度矢量图4.1.2 湍流特性分析 汽车的湍流动能基本上都集中于汽车的头部的分离区域和尾流的涡流中心区域。下面的图表显示了尾部涡流核心区域尽管流速不快，但由于气流离散扰动的影响下，气流湍流动能变大，在此区域内，湍流耗散率也相对较大。图4.4 汽车纵向剖面的湍流动能分布图4.2 不同车速下的外部部流场以及湍流特性比较分析 本文对车速为20m/s和40m/s两种车速条件进行模拟，来观察汽车的外部流场以及湍流情况。 （a） V=20m/s （b） V=40m/s图4.5 两种车速情况下整车纵向剖面的速度矢量对比图高速情况下，尾部回流更加严重，尾部气流的情况也是很复杂的。（a）V=20m/s （b）V=40m/s图4.6 两种车速下整车纵向剖面的湍流度对比图高速状态下，尾流中存在的湍流更加严重，湍流度明显增大。并在尾部涡流核心区域内的流动更紊乱的同时，气流的湍流动能加大，在湍流动能比较大的区域，湍流耗散率也相对比较大，导致湍流能都转化为热能耗散掉了，在此损失较大的能量。同时在高速情况下，车身底部的压强会呈现负压，这样对于汽车的安全性有很大帮助，尤其在高速公路上，汽车车速均属于一个高速状态，所以安全更加会被人们看重。4.3 加装后扰流板模型与原始模型的空气动力学特性比较(a)无扰流板 (b)有扰流板图4.7 有无后扰流板的整车纵向剖面的速度矢量比较图在车速20m/s的模拟状态下，后扰流板对汽车外部流场的影响还是很明显的，加装扰流板之后，汽车底部速度加快，压力减小，这样会提升汽车的抓地性能以及汽车在行驶时的安全性能。在汽车上部，尤其是在后尾部，我们会发现安装扰流板的尾部涡流极其明显，气流的倒流现象也明显。加装扰流板之后，尾流涡流减弱，速度减慢，气流倒流现象减弱。（a）无扰流板 （b）有扰流板图4.8 有无后扰流板的整车纵向剖面的的湍流度比较图加装后扰流板后，尾部湍流程度减少，这对减少能量在尾部区域的耗散有重要意义。（a）无扰流板 （b）有扰流板图4.9 有无后扰流板的整车纵向剖面的的压强分布图加装后扰流板后，有两处出现明显的变化，扰流板后以及车尾部压强变低，以及汽车底部压强变低，增加了汽车的抓地力，尤其在高速的时候，一定程度下保持了车辆行驶的安全性。第五章 总结在本文中，首先介绍了研究历史和意义，将重点着眼于对气动特性有影响的扰流板上，并且进行了数值仿真，由于专业知识的局限，本文作者只通过二维模型的建立，网格的生存，边界条件的设置。对于两种不同车速下的外部流场以及湍流特性分析来浅述扰流板的作用。同时增加了有无扰流板对汽车空气动力学的比较分析。本次模型是在原始车型进行了大量的简化，只是单纯的用线条来表示车体，所以对部分汽车流场要有待于优化。实践表明，CFD可以提高气动特性，缩短汽车研发时间。充分利用汽车外流场数值模拟知道汽车设计，优化汽车性能，降低阻力，减少油耗，增加安全系数。由于硬件以及软件的条件限制，对计算精度，网格精度都欠缺提高，所以在以后的学习中会尽量提高弥补。致 谢在论文完成之际，首先要感谢我的导师宋宇副教授的悉心辅导。四年来，宋老师在课堂上面给予我们丰富的专业课知识。本文从最初的定题、中间的研究方向，直到论文的撰写都凝聚了宋老师大量的血汗。宋老师在指导过程中一丝不苟的精神都使我一辈子受益。感谢我的师兄李玉龙硕士，是他帮我在论文的修改以及课题方向上给予我重要建议，才由此完成了这篇论文。参考文献1 傅立敏.汽车设计与空气动力学M.北京：机械工业出版社，20102 傅立敏.汽车空气动力学M.北京：机械工业出版社，1998,9：1-773 任斌.后扰流板对汽车空气动力学特性影响的模拟研究D.南京：南京航空航天大学硕士论文，2008.4 徐佳奕.某载货汽车空气动力学减阻研究D.吉林：吉林大学，20065 吕立坤.扰流板对轿车气动特性改善的数值仿真D.吉林：吉林大学，20066 李进良，李承曦，胡仁喜.精通FLUNENT 6.3流场分析M.北京：化学工业出版社，2009.97 白云飞. 汽车为什么装“尾翼”J. 汽车运用，2003，(10)：101-102. 8 苏文慧. 汽车车身设计及其外围流场的数值模拟D. 大连：大连理工 大学硕士论文，2005.9 付强. 轿车尾翼间隙和攻角的数值风洞研究D. 吉林：吉林大学硕士论文，2007.10 谷正气. 汽车空气动力学设计M. 人民交通出版社，2005：56115. 11 Zhu Guolin，M. Kronast. The Calculation of Ground Effect on a Car Flow Field Using Two Dimensional Navier-Stokes Equation J. ACTA AERODYNAMICS SINICA，1993，10（1）：22-32.Title The influence of turbulence threatening the automobile aerodynamic characteristics after the simulation analysis Abstractthis paper discusses the research background and significance of research on the aerodynamic characteristics of t