（载运工具运用工程专业论文）风载下高速汽车气动力cfd研究.pdf

硕上论文风载下高速汽车气动力c f d 研究 摘要 随着汽车技术的进步和高速公路的不断发展，汽车车速有了显著提高。汽车在给人 们带来方便与舒适的同时，也带来了安全隐患。高速行驶的汽车在各种复杂的气象条件 下极易发生侧翻、碰撞等交通事故，造成重大的人员伤亡和财产损失。因此，本文以高 速汽车为研究对象，对其展开风载下的气动力特性c f d 研究。 在分析汽车空气动力特性的基础上，对某型汽车做出了一定的简化和假设，建立了 相应的物理数学模型，给出了描述汽车外流场的三维湍流流动的不可压n s 方程，并选 取了合适的湍流模型；采用有限体积法对控制方程进行离散化处理。 在假设和简化的基础上，利用c a t i a 软件建立了用于数值模拟的三维汽车模型。 研究了网格生成技术，针对汽车外形的复杂性，采用混合网格生成技术，即在外形复杂 的区域使用非结构化网格，在外形规则的区域则采用结构化网格。考虑到汽车的运动， 探讨了动网格和滑移网格技术，并通过对比选择采用动网格技术来模拟汽车的运动规 律。利用f l u e n t 软件的接口，使用c 语言编写u d f 程序，实现汽车的运动规律。 采用f l u e n t 软件分别对汽车单车行驶和会车过程进行了数值模拟，获得了无风、 纵向风、侧向风等五种工况下汽车外流场压力和速度分布规律，并分析了不同风载对汽 车单车和会车行驶时行车安全的影响。研究结果表明，在侧向风作用下，高速汽车单车 行驶时将受到侧向力和侧倾力矩的作用；会车行驶时，由于风载和干扰车辆的存在，汽 车将受到方向和大小都随时间变化的横摆力矩和侧倾力矩作用，易发生侧翻，对行车安 全造成极大的影响。 本文为风载下高速汽车的会车研究提供了一条有效途径，其研究成果对深入研究高 速汽车的行车安全，具有重要的理论意义和参考价值。 关键字：汽车，风载，网格生成，气动力特性，数值模拟，c f d ，行车安全 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r ya n df r e e w a y , t h es p e e do fa u t o m o b i l e w a ss i g n i f i c a n ti m p r o v e d a u t o m o b i l eb r i n g sn o to n l yc o n v e n i e n c ea n dc o m f o r tb u ta l s o h i d d e nd a n g e r w h e nt h ea u t o m o b i l ed r i v i n ga th i g hs p e e di nt h ea d v e r s ew e a t h e r , i t s e x t r e m e l yr e l i a b l et ot r a f f i ca c c i d e n ts u c h 猫s i d et u m b l i n ga n dc o l l i s i o nw h i c hb r i n gs e r i o u s c a s u a l t i e sa n dp r o p e r t yl o s s e s t h e r e f o r et h er e s e a r c ha b o u tc f do fh i g h s p e e da u t o m o b i l e u n d e rt h ew i n dl o a dw a sc a r d e do u ti nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h ea n a l y z i n go fa e r o d ) l r n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，p h y s i c a la n d m a t h e m a t i c a l m o d e l so fa u t o m o b i l ew a se s t a b l i s h e do nb a s i so ft h ec e r t a i n l ys i m p l i f i c a t i o na n da s s u m p t i o n at h r e ed i m e n s i o n a ld e s c r i b i n gt h ee x t e r n a lf l o ww a ss t u d i e db yt h ec o m p u t a t i o no f t h e i n c o m p r e s s i b l en sg o v e r n i n ge q u a t i o n s t h ef i n i t e v o l u m e m e t h o dw a su s e dt od i s c r e t et h e e q u a t i o n s b a s e do nt h es i m p l i f i c a t i o na n da s s u m p t i o n ，t h et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lf o rn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a sb u i l tb yt h ec a t i as o f t w a r e g r i dg e n e r a t i o nt e c h n i q u ew a ss t u d i e d g r i d g e n e r a t i o nt e c h n i q u ew a su s e dt of i tt h ec o m p l e xs u r f a c eo f a u t o m o b i l e t h eu n s t r u c t u r e dg r i d w a sg e n e r a t e di nc o m p l e xs u r f a c ea n dt h es t r u c t u r e d 鲥dw a sg e n e r a t e di nr e g u l a rs u r f a c e a c c o r d i n gt ot h em o v e m e n t o fa u t o m o b i l e ，t h ed y n a m i cm e s ha n dt h es l i d em e s ht e c h n i q u e w e r ed i s c u s s e d a n dt h em o v e m e n to fa u t o m o b i l ew a sr e a l i z e db ym o v i n gm e s h a u t o m o b i l e m o v e m e n tw a sr e a l i z e db yt h ep r o c e d u r eo fu d f i nc l a n g u a g e t h ed r i v i n go fs i n g l ea u t o m o b i l ea n dc r o s s i n gw a ss i m u l a t e db yu s i n go ff l u e n t , a n d t h el a wo fp r e s s u r ea n dv e l o c i t yo ne x t e r n a lf l o wf i e l da r o u n da u t o m o b i l eu n d e rn ow i n d ， w i n d c r o s sw i n dw a so b t a i n e d t h ee f f e c to ft r a f f i cs a f e t yo fs i n g l ea u t o m o b i l ea n dc r o s s i n g u n d e rv a r i o u sw i n dl o a dw a sa n a l y z e d r e s e a r c hr e s u l t sm a n i f e s tt h a th i g hs p e e da u t o m o b i l e w i l lb eu n d e rt h ee f f e c to fl a t e r a lf o r c ea n dh e e l i n gm o m e n tb yt h ef o r c eo fl a t e r a lw i n dd u r i n g s i n g l ed r i v i n g b e c a u s eo fw i n dl o a da n dd i s t u r b a n c ev e h i c l e s ，a u t o m o b i l e w i l lr o l lo v e r e a s i l yd u r i n gc r o s s i n gp r o c e s sa n dc a u s es e r i o u si n f l u e n c et od r i v i n gs a f e t yu n d e r t h ee f f e c to f y a w i n ga n dh e e l i n gm o m e n tw h i c hd i r e c t i o na n dq u a n t i t y a r ec h a n g e db yt i m e s t h es t u d y i n gr e s u l t so ft h i sp a p e rh a v ei m p o r t a n tt h e o r ym e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u eo n d e e pr e s e a r c h i n gs a f e t yo fh i g hs p e e da u t o m o b i l e k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e ，w i n dl o a d ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c f d ，t r a f f i cs a f e t y i i g d dg e n e r a t i o n , a e r o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s ， 硕上论文风载下高速汽车气动力c f d 研究 图表目录 图2 1 汽车的外部流场5 图2 2 汽车气动力受力图6 表2 1 气动力和力矩及其系数关系。7 图3 1 湍流数值模拟方法分类1 2 图3 2l e s 、r a n s 计算湍流的方式1 4 图5 1 结构化网格2 0 图5 2 非结构化网格2 0 图5 3 动态分层法2 2 图5 4 非周期问题滑移网格2 3 表5 1 模型车主要外形尺寸2 5 图5 5 汽车模型2 5 图5 6 合成风法模拟风载2 6 图5 7 直接法模拟风载2 7 图5 8 单车模型图2 8 图5 9 单车模型纵剖面图2 8 图5 1 0 单车模型局部放大图2 8 图5 11 单车模型轮胎附近网格图2 8 图5 1 2 滑移网格模型2 9 图5 1 3 滑移网格模型纵剖面图3 0 图5 1 4 滑移网格模型纵剖面局部放大图3 0 图5 1 5 动网格模型3 0 图5 1 6 动网格模型局部放大图( 汽车运动前) 3 1 图5 1 7 动网格模型局部放大图( 汽车运动后) 3 1 表6 1 风速与风力对照表3 4 图6 1 侧风下单车模型边界条件示意图3 5 表6 2 单车模拟无风工况气动力系数表3 6 图6 2 单车模拟无风工况汽车表面压力系数3 7 图6 3 单车模拟无风工况汽车表面压力云图3 7 图6 4 单车模拟无风工况汽车纵剖面速度矢量图3 7 图6 5 纵向四级风汽车表面压力系数3 8 图6 6 纵向六级风汽车表面压力系数3 9 v 图表目录 硕士论文 v i 图6 7 侧向四级风汽车表面压力系数3 9 图6 8 侧向六级风汽车表面压力系数3 9 图6 9 纵向六级风水平切面压力分布图4 0 图6 1 0 纵向六级风水平切面速度矢量图4 0 图6 1 1 纵向六级风纵切面压力分布图4 1 图6 1 2 纵向六级风纵切面速度矢量图4 l 图6 1 3 纵向六级风载汽车表面压力分布图4 1 图6 1 4 侧向六级风汽车水平切面压力分布图。4 2 图6 1 5 侧向六级风汽车水平切面速度矢量图4 2 图6 1 6 侧向六级风汽车纵切面压力分布图4 3 图6 1 7 侧向六级风汽车纵切面矢量图4 3 图6 18 侧向六级风汽车前表面压力分布图4 3 图6 1 9 侧向六级风载汽车后表面压力分布图4 4 图6 2 0 会车模拟边界条件示意图4 4 表6 3 会车模型初、边条件4 5 图6 2 l 纵向六级风迭代第3 6 0 时间步水平切面压力分布图4 6 图6 2 2 纵向六级风迭代第3 6 0 时间步水平切面速度矢量图4 6 图6 2 3 纵向六级风迭代第3 6 0 时间步纵切面压力分布图4 7 图6 2 4 纵向六级风迭代第3 6 0 时间步纵对称面速度矢量图4 7 图6 2 5 纵向六级风迭代第5 2 0 时问步水平切面压力分布图4 8 图6 2 6 纵向六级风迭代第5 2 0 时间步水平切面速度矢量图4 8 图6 2 7 纵向六级风迭代第5 2 0 时间步纵切面压力分布图4 8 图6 2 8 纵向六级风迭代第5 2 0 时间步纵切面速度矢量图4 9 图6 2 9 纵向六级风迭代第6 8 0 时问步水平切面压力分布图4 9 图6 3 0 纵向六级风迭代第6 8 0 时问步水平切面速度矢量图5 0 图6 3 1 纵向六级风迭代第6 8 0 时间步纵切面压力分布图5 0 图6 3 2 纵向六级风迭代第6 8 0 时间步纵切面速度矢量图5 0 图6 3 3 侧向六级风迭代第3 6 0 时间步水平切面压力分布图5 1 图6 3 4 侧向六级风迭代第3 6 0 时间步水平切面速度矢量图5 1 图6 3 5 侧向六级风迭代第3 6 0 时间步纵切面压力分布图5 2 图6 3 6 侧向六级风迭代第3 6 0 时间步纵切面速度矢量图5 2 图6 3 7 侧向六级风迭代第5 2 0 时间步水平切面压力分布图5 3 图6 。3 8 侧向六级风迭代第5 2 0 时间步水平切面速度矢量图5 3 图6 3 9 侧向六级风迭代第5 2 0 时间步纵切面压力分布图5 3 硕上论文 风载下高速汽车气动力c f d 研究 图6 4 0 侧向六级风迭代第5 2 0 时间步纵切面速度矢量图5 4 图6 4 1 侧向六级风迭代第6 8 0 时间步水平切面压力分布图5 4 图6 4 2 侧向六级风迭代第6 8 0 时间步水平切面速度矢量图5 4 图6 4 3 侧向六级风迭代第6 8 0 时间步纵切面压力分布图5 5 图6 4 4 侧向六级风迭代第6 8 0 时间步纵切面速度矢量图5 5 图6 4 5 侧向六级风迭代第3 6 0 时问步车a 表面压力系数5 6 图6 4 6 侧向六级风迭代第5 2 0 时间步车a 表面压力系数5 6 图6 4 7 侧向六级风迭代第6 8 0 时间步车a 表面压力系数5 6 图6 4 8 侧向六级风迭代第3 6 0 时间步汽车表面压力图5 8 图6 4 9 侧向六级风迭代第3 6 0 时间步汽车表面压力图5 8 图6 5 0 侧向六级风迭代第5 2 0 时间步汽车表面压力图。5 8 图6 51 侧向六级风迭代第5 2 0 时间步汽车表面压力图5 9 图6 5 2 侧向六级载迭代第6 8 0 时间步汽车表面压力5 9 图6 5 3 侧向六级风迭代第6 8 0 时问步汽车表面压力5 9 图6 5 4 侧向六级风迭代第3 6 0 时间步汽车下表面压力分布6 0 图6 5 5 侧向六级风迭代第6 8 0 时间步汽车表面压力系数6 0 图6 5 6 侧向六级风迭代第6 8 0 时间步汽车下表面压力系数6 0 v i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：孝婢一 冲7 枷 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：名莘埤 呷7 脚 硕士论文 风载下高速汽车气动力c f d 研究 1 绪论 1 1 课题研究背景 汽车技术的进步和高速公路的不断发展，给汽车车速的提高提供了条件。目前，普 通小汽车的速度可达1 5 0 k m h 以上，部分高性能运动轿车的速度甚至超过了2 5 0 k m h 。 正因为如此，汽车的空气动力学特性日益受到人们的关注。汽车空气动力特性不但直接 地影响汽车的动力性、燃油经济性、舒适性等性能，而且和交通安全也息息相关u j 。 侧风稳定性是汽车空气动力特性的一个重要组成部分。在行驶过程中，汽车的操纵 特性总是不可避免的会受到侧风的影响【2 1 。尤其是汽车经过桥梁、隧道及复杂地形等具 有特殊气候条件的道路时，极易受到风向和风力极为复杂的自然风和人工阵风作用。虽 然侧风速度较低时这种影响可以忽略，但是随着侧风的增强，汽车的行驶安全性会受到 极大的威胁。 由于风载的影响，汽车在行驶过程中会受到各种复杂的气动阻力、升力和侧向力及 由此产生的横摆力矩、侧倾力矩和纵倾力矩的作用，其操纵稳定性将受到极大的影响。 据对某一跨海大桥上气候的统计，大桥桥面所处位置年平均出现风力为8 级及以上的天 气3 0 天，风力为9 级及以上的天气3 天。当高速行驶的汽车在经过跨海大桥时，随时 都可能受到强度很大的非稳定阵风作用，从而引起汽车的操纵失控。一旦汽车操纵失控， 将会造成严重的交通事故，导致重大的人员伤亡1 2 。例如，2 0 0 8 年1 2 月4 日下午2 点 多，一辆汽车在郑州市黄河公路大桥桥面上侧翻，就在路政救援人员和救援车辆在救治 受伤人员，维持现场交通的同时，黄河公路大桥自收费站向北约3 公里处，另一辆汽车 向东侧翻在由南向北的车道上。短时间内连续发生的两起侧翻事故引起了郑州市相关部 门的注意。最后的事故调查结果表明，原来当天郑州出现了七级大风，由于高速行驶， 汽车受到的气动力系较正常状态下有了极大的变化，而驾驶员还是按照平时的习惯驾驶 汽车，从而导致了这两起严重的汽车侧翻事故。 由此可见：风载下汽车的操纵稳定性直接关系到乘员和车辆的安全。故研究高速汽 车在风载作用下的操纵稳定性，在汽车设计和行车安全方面均具有极其重要的理论意义 和应用价值。目前，我国在汽车空气动力学中有关这方面的研究还比较缺乏，尤其是会 车过程中风载对汽车操纵稳定性的影响研究尤为不足。 在此背景下，本论文从汽车的行驶安全性角度出发，展开对风载下高速汽车的气动 力c f d 研究，初步分析风载对汽车操纵稳定性的影响，为道路交通安全管理提供科学 的依据。 1 绪论硕上论文 1 2 国内外研究现状 汽车空气动力特性的研究方法有风洞试验法、道路试验法和数值模拟方法。其中随 着计算机技术的发展而产生的c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，计算流体动力学) 是目前应用最广的数值模拟方法。c f d 应用于汽车行业是从2 0 世纪7 0 年代开始的，当 时主要集中在欧美各大汽车生产厂家。自从c f d 应用于汽车行业以来，世界各大汽车 厂家和科研机构的研究人员在利用c f d 进行汽车车身设计开发等方面已经取得了许多 重要的进展，为汽车工业的发展起到了很大的推动作用。 1 9 7 5 年，j a n s s e n 和h u c h o 在进行v o l k s w a g e ng o l f i 型轿车的开发研究时发现，车 身后部的倾斜会影响到汽车空气阻力的大小及分布【3 】。a h m e d 等在1 9 8 4 年利用一基本 车身详细研究了不同倾斜度对阻力大小及分布的影响1 4 j 。 19 8 6 年，y o k h o t 和o r s z a g 应用r n g ( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ，重整化群) 方法建 立了首个湍流模型，简称r n g k 一模型，并将模型应用到汽车外流场的数值模拟中。 目前该模型已经成为湍流计算中最常用的模型之一【5 】。 1 9 9 1 年，日本三菱汽车公司相关研究人员用6 0 多万个网格来模拟计算轿车的外流 场特性，其中网格的生成费时2 0 个小时，在一大型计算机上采用d n s ( 直接数值模拟) 方法计算求解，总共耗费近2 0 0 小时。计算结果显示，阻力和升力的计算值与试验值的 误差分别在5 和2 以内，通过对计算结果的分析得到了各种空气动力学附加装置对阻 力和升力的影响垆j 。 1 9 9 4 年，美国福特汽车公司的研究人员对具有不同尾部造型的1 ：2 比例轿车模型 进行了相关的风洞实验，并分别运用有限元法和有限体积法求解三维不可压r a n s ( r e y n o l d sa v e r a g e dn a v i e r s t o k e s ，雷诺时均纳维斯托克斯方程) 方程组对轿车的外流 场进行仿真。计算结果表明，各种车型的车身底部、前部的压力分布均与实验结果基本 吻合，横截面的纵向涡量、速度矢量分布、总压损失等与风洞实验结果也基本一致【_ 7 1 。 此外，近年来，马自达公司、尼桑汽车公司、福特公司、宝马公司、奥迪公司等应 用商业化软件或者是本公司的内部软件如f l u e n t 、s t a r - c d 等均在这方面做了大量的 工作，为新车型的设计做出了重要的贡献瞪。1 0 j 。 以上是国外关于汽车的c f d 研究。国内在这方面的研究起步较晚，目前，国内的 汽车c f d 研究主要集中在吉林大学、湖南大学、同济大学、武汉理工大学和长春汽研 所等少数几个大学院校和研究所。 二十世纪8 0 年代，当时尚在长春汽研所工作的傅立敏教授首先将国外汽车空气动 力学的研究方法在国内进行介绍，从9 0 年代开始，她对国产小公共汽车、红旗轿车、 货车等车型做了细致的汽车空气动力学研究并进行了相关的数值模拟，同时她在汽车尾 部流场结构方面也进行了深入的理论分析【l 卜1 5 j 。 2 硕上论文风载下高速汽车气动力c f d 研究 8 0 年代末到9 0 年代，湖南大学谷正气教授、姜乐华和张丕付等对汽车c f d 做了进 一步的探索【l6 ，l 。7 1 。1 9 9 6 年，张丕付完成了汽车c a d 数据的反向工程，将三座标测量仪 所测得的数据还原成了汽车c a d 数据，并在此基础上生成较高质量的三维贴体网格。 1 9 9 7 年，姜乐华在非均匀参数空间上生成表面网格方法的基础上开发出来了相应的表面 网格生成软件3 d g r i d ，该软件可以生成正交的和光滑的表面网格，网格的疏密分布可 以根据具体需要来调整。姜乐华还利用3 d g r i d 生成的网格模型进行了汽车外流场的三 维数值计算，系统的完成了从建模、网格生成、数值计算到结果分析研究整个汽车c f d 的全过程。 从2 0 0 2 开始，吉林大学的傅立敏团队开始对汽车的复数车辆会车和超车的气动特 性进行研究，运用f l u e n t 和s t a r c d 等商业软件对汽车进行瞬态空气动力学数值模拟， 分别研究了小轿车会车，小轿车与大客车会车、隧道内小轿车会车的气动特性，获取了 汽车在各种工况下会车和超车时外流场的压力和速度分布，并得到了汽车的气动阻力、 升力、侧向力等气动力系数的变化规律，为汽车操纵稳定性的研究提供了重要的科学依 据【1 8 2 2 1 。 2 0 0 5 年，吉林大学的王夫亮选用某国产轿车1 ：l 模型，给车身不同的横摆角，利 用混合网格方案对不同强度侧风作用下的轿车外流场进行数值模拟，得到不同侧风强度 下的气动力系数和流场速度压力分布。该研究项目分析了不同强度侧风作用下的流场速 度和压力分布，并着重分析了尾部流场的变化，定性地解释了侧风对轿车气动力特性的 影响，对尾流随侧风作用的变化机理进行了初步的解释，为深入研究侧风作用下轿车外 流场的流场特性提供了有利的参考【2 3 1 。 2 0 0 6 年，湖南大学的谷正气教授等人的新概念车外流场数值仿真研究考虑了地面移 动边界条件和轮胎转动对流场的影响，因而具有较高的数值精度。该研究揭示了新概念 车车身的低阻气动特性的原因，为今后进行具有良好气动特性的车身设计提供了重要的 参考思路 2 4 , 2 5 j 。 2 0 0 7 年，北京航空航天大学的康宁等分别对直背式简化轿车模型在无侧风、稳态侧 风、非稳态侧风三种条件下汽车周围流场进行了数值模拟，并对汽车受到的气动力进行 了计算，然后利用动网格技术对超车过程中不同相对速度和相对间距下车辆周围非定常 流场进行了数值模拟，得到了超车车辆和被超车辆受到的气动侧向力、横摆力矩和侧倾 力矩等参数在超车过程中的变化情况【2 6 。2 引。 2 0 0 8 年，投资4 9 亿元、作为上海“科教兴市”首批重大科技攻关项目的国内首个 整车汽车风洞实验室在同济大学嘉定校区建成。汽车风洞实验室的建成，将为国内汽车 空气动力学的研究提供强大的推动力，从此国内的汽车c f d 研究将可以得到专业的汽 车风洞实验室的模拟验证【2 9 】。 综上所述，虽然国内近年来汽车c f d 研究的发展很快，某些成果己经达到相当水 l 绪论 硕士论文 平，但是总的来说，国内在汽车空气动力学的c f d 研究方面还处于一个起步的阶段。 计算所采用的三维车身模型在建模时简化过多，相对来讲还比较粗糙，划分的网格数目 比较少，这些因素对计算结果与计算精度都会有一定的影响，有待进一步研究。 1 3 本文主要工作 本文主要是在理论分析汽车空气动力学特性的基础上，建立风载下高速汽车的三维 物理数学模型，采用计算流体软件f l u e n t 分别对高速汽车的单车、会车行驶工况进 行数值模拟，以获得风载下高速汽车周围流场的压力速度分布规律和不同风力、风向的 风载对行车安全的影响。其主要工作如下： 1 在介绍汽车空气动力特性的基础上，对汽车行驶时受到的气动力和气动力矩进 行分析。讨论汽车空气动力特性的三种研究方法并进行比较。 2 提出汽车物理数学模型的简化与假设，给出描述汽车外流场的三维湍流流动的 不可压n s 方程，并重点介绍标准k - e 模型和大涡模拟，在此基础上选择合适的湍流模 型。 3 在介绍有限体积法的离散方法和离散格式的基础上，探讨各种离散方法和离散 格式的适用情况，采用有限体积法对控制方程进行离散化处理。 4 在假设和简化的基础上，利用c a t i a 软件建立用于数值模拟的三维汽车模型。 研究网格生成技术，针对汽车外形的复杂性，采用混合网格生成技术，即在外形复杂的 区域使用非结构化网格，在外形规则的区域则采用结构化网格。考虑到汽车的运动，研 究移动单元模型解决技术，并通过对比选用合适的网格技术。 5 采用f l u e n t 软件对汽车单车行驶和会车过程进行数值模拟，获得无风、纵向 四级风、纵向六级风、侧向四级风、侧向六级风等五种工况下汽车外流场压力和速度分 布规律，并分析不同风载对汽车单车和会车行驶时行车安全的影响。 4 碳j 论文r 救下高速汽牟4 【动力c f d 日究 2 汽车空气动力特性及研究方法 2 1 概述 汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及其与汽车帽互作用的一门学 科 3 。汽车空气动力特性是汽车的重要性能，它对汽车的动力性、经济性和操纵稳定性 有直接的影响。设计空气动力特性良好的汽车，是提高汽车动力性、经济性的重要途径， 而高速汽车的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的前提。具体说来，汽车空气动力 特性是指汽车在流场中受到的阻力、升力、侧向力等三个气动力及其相应的力矩( 即六 分力) 的作用而产生的车身外部和内部的气流特性、侧风稳定性、气动噪声特性、泥士、 灰尘的附着和上卷、车内通风、空气调节等特性。 汽车空气动力特性的一个主要组成部分就是汽车的流场特性。汽车流场包括车身外 部流场和内部流场，其中车身外部流场如罔21 所示【i 】。汽车的外部流场使汽车受到力 图21 汽车的外部流场 和力矩的作用，对汽车的动力性、经济性和操纵稳定1 耳! 产生极大的影响。但直到2 0 世 纪8 0 年代，汽车空气动力学的研究内容还仅限于气动力和力矩对汽车操纵稳定性的影 i 卿口近二十年来，由于人们对汽车产品要求的提高，汽车生产厂家肝始注重保持风窟和 灯的清洁、防l r 刮水器卜浮、降低风噪声、制动器冷却等的研究。 通过分析汽车的外流场，可以更深入地理解气体的流动过程，如气流在汽车车顶后 部及车身尾部发生的气流分离过程f l 】。罔21 是某型汽车纵对称切面的流线图，气体流 动在a 柱和c 柱附近存在滞区，从图中可以看出各流线之间的唰距是不等的而各流 线之间间距的差异即是升力的来源。p l j 距近的地方气体流速高，静压低，因而会产生一 个与汽车行驶方向垂直的升力，该升力会减小汽车的有效载荷，并产生纵倾力矩，造成 前后轴载的变化，对汽车的操纵稳定性产生一定的影响。 纵向对称切面的气流在纵向风中是对称的，而在侧向风中是非对称的，因此汽车的 外形应尽量保证气动力和力矩对汽车的方向稳定性的影响最小。这是因为，一般情况f ， 2 汽午空气动力特性研究方法 $ l + 论立 当侧向风的大小和方向发生改变时，驾驶员很难立即做出相应的调整：在风力极大的情 况下，汽车有瞬间丧失操纵的危险。因此，良好的空气动力学设计在汽车行车安全方面 就显得尤为重要了。另外，道路用围环境的设计以及驾驶员在侧向阵风下做出迅速、正 确的反应也是非常重要的。 汽车内部流场主要包括车厢内空调、通风系统的气流流动、发动机舱以及各种散热 器的气流流动。在某些高性能运动轿车上还有专门用十制动器冷却和发动机进排气等导 管内的气流流动。 本文主要研究的是汽车的外流场流动情况。 2 2 汽车空气动力分析 汽车在行驶过程中主要受到两个外力的作用：来自地面的力和来自车身周围空气的 气动力及力矩。来自地面的力主要取决于汽车的总重量、滚动阻力以及重，f l , 位置，i 面空 气力和力矩则由行驶速度、风力大小、风向角和车身外形决定。 作用在汽牟上的气动力和力矩如如图22 所示】，三个力及其力矩分别相瓦垂直成 直角。图22 中坐标系的原点位于车辆重心在地面上( 即唧平面) 的投影处，z 轴指向 车辆行驶的正自i 方，y 轴指向前进方向的右侧，= 轴垂卣于地面( x y 平面) 朝上。在纵 向来流中( 此时汽车横摆角b = 0 ) ，阻力d 和升力l 同时存在，另外还会产牛纵倾力矩 p m ( 对y 轴) 这三个分量决定了产生的气动力的矢量。在有侧向风的情况下，汽车外 流场变成了非对称流场。此时，汽车所受气动力和力矩相比纵向风时要复杂的多，在上 述三个分量的基础上增加了侧向力s 、侧倾力矩y m ( 对x 轴) 和横摆力矩r m ( 对z 轴) 。以上的六个气动力和力矩分量决定了侧向风时汽车受到的总的气动力矢量。 幽22 汽车气动力受力图 图22 中各参数的物理意义是： d ：沿f 轴的气动阻儿il ：车身沿z 轴的气动阻力 6 硕士论文 风载下高速汽车气动力c f d 研究 s ：沿y 轴的气动阻力；p m ：纵倾力矩( 对y 轴) ： y m ：横摆力矩( 对z 轴) ；r m ：侧倾力矩( 对x 轴) ； 1 ，f ：纵向气流相对速度；1 ，。：侧向气流相对速度( 侧向风速度) ； ：合成气流的相对速度，k = 蠢+ 嵋； 口：轴距。 汽车的气动力、气动力系数、力矩和正投影面积a 、动压q ( q = o 5 p 记) 、特征长 度a 的关系可表述为：气动力= 气动力系数宰动压宰参考面积，力矩= 力矩系数水动压事参考 面积木特征长度，具体如表2 1 所示： 表2 1 气动力和力矩及其系数关系 气动阻力 d = c o q 幸a 气动升力 l - q q 蚴 侧向气动力 s = c s 奉qq 纵倾力矩 p m = c p 卑q * a * a 侧倾力矩 r m = c 晰q * a * a 横摆力矩 y m = c 0 q * a * a 表2 1 中，g ，c ，c s ，p m 、r m 、y m 分别为气阻系数、升力系数、侧向力系数、 纵倾力矩系数、侧倾力矩系数、横摆力矩系数，特征长度a 为空气力到该力矩中心的距 离。 表2 1 中六项气动力和力矩分量从不同的方面分别描述了汽车的空气动力特性。 气动阻力d 的方向与汽车运动方向相反，它取决与j 下投影面积a 和气动阻力系数 c d ，而汽车外形的气动力特性由气动阻力系数c 仃描述。一般说来，由于外形尺寸所限， 汽车的正投影面积a 减小的余地不大，所以减小气动阻力的研究就更多的集中在减小气 动阻力系数c d 上。目前，市场上销售的小轿车气动阻力系数相比十年前的车型有大幅 度的下降，大部分都达到了o 3 左右。气动阻力系数c n 在汽车受到侧向风作用时，有增 大的趋势，这是在相关的研究中应该注意到的问题【3 。 由于汽车车身上、下部气流流速的差异，车身上部和下部会形成压力差，从而产生 气动升力l 和纵倾力矩p m 。而在侧向风作用下高速运行的汽车，其车身除了会受到较 大的局部升力外，还会受到侧向力s 和横摆力矩y m 的作用。由本章第二节可知，升力 l 的存在将减小轮胎对地面的压力，降低轮胎的侧向附着力和侧偏刚度，横摆力矩y m 有使汽车绕z 轴转动的趋势，从而影响汽车的操纵稳定性【l 】。研究表明，在无侧风时， 7 2 汽车空气动力特性及研究方法硕士论文 轿车的升力系数为0 4 到0 4 之间，当受侧向风影响时，横摆角呈二次方的比例增大， 升力系数会增加正常状态下的2 到3 倍口2 1 。此外，侧倾力矩r m 对汽车左右车轮的载荷 分配有重要的影响，并且直接影响到汽车的侧倾角。由此可见，展开对风载下高速汽车 的操纵稳定性研究是非常重要的。 2 3 汽车空气动力特性研究方法 本文第一章提到，汽车空气动力特性主要的研究方法有风洞实验法、道路实验法， 以及c f d 数值模拟法。 汽车风洞实验是利用相对运动原理，使汽车固定不动，让正前方来流流过汽车，从 而模拟汽车在路上的行驶状况的一种方法。所谓风洞，就是用来产生人造气流( 人造风) 的管道。在这种管道中能造成一段气流均匀流动的区域，汽车风洞实验就在这段风洞中 进行。汽车风洞中用来产生强大气流的风扇是很大的，比如奔驰公司的汽车风洞，其风 扇直径就达8 5 m ，驱动风扇的电动功率高达4 0 0 0 k w ，风洞内用来进行实车实验段的空 气流速达高2 7 0 k m h 。建造一个这样规模的汽车风洞往往需要耗资数亿美元，甚至1 0 多亿，而且每做一次汽车风洞实验的费用也是相当大的。 汽车风洞分为模型风洞、整车风洞和气候风洞等。模型风洞较实车风洞小很多，其 投资及使用成本也相对小一些。在模型风洞中只能对缩小比例的模型进行实验，其实验 精度也相对较低。实车风洞则很大，建设费用及使用费用极高。整车风洞又称实车风洞， 目前世界上的整车风洞还不多，主要集中在日、美、德、法、意等国的大汽车公司，值 得一提的是，我国也有了自己的整车风洞，它于2 0 0 4 年底立项并在上海开工建设，2 0 0 7 年底投入使用，为国内汽车企业产品设计提供完备的空气动力学研究、应用中必要的风 洞实验。整车风洞实验不但可以研究汽车车身承受的气动力和力矩，还可以完成汽车外 部流场和内部流场细节、发动机的冷却和通风、车厢内通风、刮水器性能、车身的封闭 性和风噪声等专项实验研究。气候风洞主要是模拟气候环境，用来测定汽车的一般性能 ( 如空洞性能等) 的风洞1 3 3 j 。 国外汽车公司的新车开发流程一般是，先将车身制成l ：l 比例或者缩小比例的油 泥模型，然后在风洞中做实验，根据实验情况对车身各部分进行修改，使风阻系数等各 项技术指标达到设计要求，再用三维坐标测量仪测量车身外形，绘制车身图纸，最后进 行车身冲压模具的设计、生产等技术工作。 道路实验法是在水平直道上将汽车加速到指定的速度，然后关闭发动机让其自由滑 行，同时记录车速和时间等相关数据，再根据车辆的瞬时加速度大小，得出该时刻的总 阻力。该时刻的总阻力由滚动阻力、传动系阻力及空气阻力组成，总阻力减去轮胎滚动 阻力和传动系阻力，然后根据公式c n = _ 告即可求出空气阻力系数f 3 4 】。 “0 5 p v a 8 硕士论文风载下高速汽车气动力c f d 研究 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，即计算流体力学) 利用计算机对流动控制方 程进行数值求解，然后根据数值模拟结果对汽车流场特性和气动性能进行研究。c f d 通 过交互界面将计算结果可视化，使研究人员能观察到流场的各种细节，从而展开对流动 的分离、表面压力分布、受力大小等的分析【3 5 】。 对比以上三种研究方法，c f d 应用于汽车工业主要有以下优点【3 5 j ： 1 缩短汽车设计周期。研究人员在计算机中完成车身造型以后，利用专有软件生 成网格并设置相关的边界条件，就可进行数值计算了。由于它不需要制作油泥模型，故 车身造型设计前期的很多修改方案，能快捷地被计算和验证，实现设计的互动，从而能 以最快的速度将数据反馈给研究人员，大大缩短了汽车的设计周期。 2 节省汽车设计成本。汽车风洞实验在财力、物力和人力方面的花费都是非常巨 大的。c f d 能在新车车身的造型阶段就对空气动力性能及其它相关的性能进行数值仿 真，为选型和造型的修改提供支持，从而减少了花费巨大的风洞实验的次数，节省了大 量的设计成本。 3 c f d 可以得到风洞实验法和道路实验法难以测得的流场细节。 4 c f d 可以研究目前还不能进行实验的场合比如汽车近距离超车和会车时的 气动干扰。 但是c f d 也存在一些缺点，比如网格质量和数值计算的收敛性及精度都有待提高。 另外，由于计算的边界条件中包含了一些经验参数，故数值模拟的结果会与实际情况存 在一定的误差。 2 4 本章小结 本章首先给出了汽车空气动力特性的定义和汽车流场的分类及特点，然后对汽车行 驶时受到的气动力和气动力矩进行了分析，并初步论述了气动力和气动力矩对汽车操纵 稳定性的影响，最后系统介绍了汽车空气动力特性的三种研究方法，通过比较总结了 c f d 方法的优点。 9 3 物理数学模型硕士论文 3 物理数学模型 3 1 概述 在数值