（流体力学专业论文）小轿车绕流场的CFD模拟.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着汽车行驶速度的提高，作用在汽车上的气动力也越来越大。实验表明， 当车速达到6 5 公里小时的时候，气动阻力已经占汽车总阻力的1 2 左右。随着 车速的进一步提高，汽车受到的气动力以及气动力矩也越来越显著，它们很大程 度上影响着汽车的经济性，动力性以及稳定性。 目前，国内外汽车空气动力学的研究一般是用试验和理论相结合、以试验为 主计算为辅的方法。试验主要是进行风洞试验，它是汽车空气动力学研究的主要 手段，是发现和验证理论和计算方法的重要手段和基础。近年来，伴随着计算机 的发展及计算技术的进步，数值研究取得了迅猛的发展，数值研究被称为计算流 体力学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 ) ，它利用计算数学的算法将流场的 复杂的控制微分方程组离散到一系列网格节点上以求解线性方程组，最终得到离 散的数值解。与试验研究相比，c f d 开发的时间短，所需经费少。但是，数值模拟 也存在着一些缺点，如因没有完全搞清楚湍流等流态特性，还没有普遍适用的湍 流数学模型。数值计算不能完全替代试验，试验对于校正c f d 方法和检验c f d 结 果是非常必要的。 本文首先介绍了汽车空气动力学特性对汽车的各方面性能的影响以及汽车流 场的特征。在第三章中，介绍了汽车空气动力学数值计算的数学力学理论基础第 四章，概要地介绍了s t a r c d 软件及其特点。第五章，采用s t a r - c d 与u g l 8 0 软 件相结合，对长安羚羊1 3 0 0 c d b 型轿车进行数值计算模拟，并对结果进行了详细 的分析，计算出汽车受到的气动阻力与升力系数分别为0 3 0 6 与o 1 7 6 ：然后对汽 车的气动造型提出了一些改进意见。通过此计算模拟，对长安羚羊轿车的外流场 有了详细的了解。汽车上表面气流在后窗上分离过早导致的压差阻力过大，因此， 对汽车顶盖与后窗间过渡的平顺改进将有助于减小汽车总阻力；而底部气流一开 始就由于受到强烈扰动，加上地面效应的影响，变得十分紊乱，湍流边界层也发 展很快，使底部气流对汽车的升力产生很大的影响，因此，合理安排汽车离地间 隙，合理设计汽车头部形状以分配汽车底部通流流量是解决汽车升力过大的主要 方向之一。 本文对长安羚羊轿车模拟得到的大部分流场特性可以应用到与此型车类似的 许多国产阶背式轿车上。 关键词：气动阻力，气动升力，汽车空气动力学，计算流体力学，s t a r c d 湍流边界层 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fv e l o c i t yo fc a r s ，a e r o d y n a m i cd r a go nt h ec a r si n c r e a s e r a p i d l y e x p e r i m e n t ss h o wt h a ta tt h es p e e do f6 5k i l o m e t e r sp e rh o u r , a e r o d y n a m i c d r a gc o n t r i b u t e st o1 2o f t h et o t a ld r a go nt h ec a r - b o d y i ft h ev e l o c i t yi n c r e a s e sm o r e ， a e r o d y n a m i cd r a ga n da e r o d y n a m i cm o m e n td u et o t h ee x t e r i o ra i r f l o wi n c r e a s e s d r a m a t i c a l l y , w h i c hi n f l u e n c eg r e a t l yt h ed y n a m i cp r o p e r t i e s ，t h ef u e le c o n o m ya n dt h e o p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo f c a r s a t p r e s e n t ，t h e r ea r et w o m e t h o d si nt h er e s e a r c ho fc a ra e r o d y n a m i c s ：e x p e r i m e n t a n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t r a d i t i o n a la e r o d y n a m i cd e v e l o p m e n te m p l o y st h eu s eo f p a r t i a l s c a l eo rf u l l s c a l em o d e l so f t h ep r o p o s e dc a r - b o d yc o n f i g u r a t i o ni nw i n dt u n n e l t e s t ，w h i c hi sam a i nt e c h n o l o g yo fa e r o d y n a m i ct e s t i nt h ep a s tf e wd e c a d e s ，w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h ec a l c u l a t i o n t e c h n i q u e a n dt h ea d v a n c eo ft h e c o m p u t e r , c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s ( c f d ) h a sb e c o m e m o r ea n dm o r ea sam o d e m a l t e r n a t i v ef o rr e d u c i n gt h eu s eo fw i n dt u a n e l si na u t o m o t i v ee n g i n e e r i n g n o wc f di s w i d e l ya p p l i e dt ov a r i o u ss t a g e so fa e r o d y n a m i cd e s i g no fa u t o m o b i l e s b yc o n t r a s tt o t h et u n n e lt e s t ，c f di sc h e a p e ra n dt a k e sl e s st i m et oc o m p l e t e h o w e v e r , t h ep r e s e n t c f d t e c h n o l o g yh a ss t i l lm a n yp r o b l e m s t ob es o l v e df o rt u r b u l e n c e ，a n di ts e e m st ob e d i f f i c u l tt of i n da i l a p p r o p r i a t et u r b u l e n c em o d e lt o u n i v e r s a ls i t u a t i o n s n u m e r i c a l a n a l y s i sc a l ln o tt a k et h ep l a c eo f t u n n e lt e s t ，a n dt u n n e lt e s ti sv e r yi m p o r t a n tt or e v i s e t h ec f dm e t h o da n dc h e c kt h er e s u l to f c f d i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h ea e r o d y n a m i c si n f l u e n c eo nt h e p e r f o r m a n c e so f t h e c a ra n d t h ec h a r a c t e r so ft h ea i r f l o wa r o u n dc a r - b o d i e sa r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e r3 ，t h e m a t h e m a t i ca n dm e c h a n i ct h e o r i e so ft h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nf o rt h ea e r o d y n a m i c s a r e p r e s e n t e d i nc h a p t e r4 ，t h es o f t w a r eo f s t a r - c da n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa r eo u t l i n e d i n c h a p t e r5 ，u s i n gt h es t a r - e ds o f t w a r e 谢t l lu g l 8 0 ，t h e3 - d i m e n s i o n a la i r f l o wa r o u n da c a r - b o d y i s n u m e r i c a l l ys i m u l a t e d ，a n dt h e r e s u l t sa r e a n a l y z e d i nd e t a i la n dt h e p r e d i c t e da e r o d y n a m i cd r a gc o e f f i c i e n ta n da e r o d y n a m i cl i f tc o e f f i c i e n to ft h ec a ra r e o 3 0 6a n d0 1 7 6r e s p e c t i v e l y t h e ns o m ea d v i c e so nt h es h a p eo f c a r - b o d ya r eg i v e n t h r o u g ht h i ss i m u l a t i o n ，t h ee x t e r i o ra i rf l o w sa r o u n dt h ec a r - b o d ya r eu n d e r s t o o di n d e t a i l t h ea i rf l o wa b o v et h eu p p e rs u r f a c eo ft h ec a r - b o d ys e p a r a t e se a r l i e ra tt h ev e r y f r o n to ft h er e a rw i n d o w , w h i c hi n c r e a s e st h e p r e s s u r ed i f f e r e n c ed r a g ，s os m o o t h n e s so f t h et r a n s i t i o na r e ab e t w e e nt h er o o fa n dt h er e a rw i n d o wi sc r i t i c a lt or e d u c et h et o t a l 重庆大学硕士学位论文英文摘要 d r a go n t 1 1 ec a r t h ea i rf l o wb e l o wt h ec h a s s i sr u m st ob et u r b u l e n ta n dt h et h i c k n e s so f t h et u r b u l e n tb o u n d a r y l a y e ra d j a c e n t t ot h ec h a s s i si n c r e a s e s r a p i d l y d u et ot h e d i s t u r b a n c ea tt h ev e r ys t a r ta n dt h ei n f l u e n c eo ft h eg r o u n d t h e r e f o r e ，a r r a n g i n gt h e c l e a r a n c es u i t a b l ya n d d e s i g n i n gt h es h a p eo f t h eh e a do ft h ec a rt od i s t r i b u t et h ef l o w b e l o wt h ec h a s s i s p r o p e r l ya r et h em a i n m e t h o d st os o l v et h ep r o b l e mo f t o o l a r g el i f to n t h ec a r t h ef l o wc h a r a c t e r so ft h ec a ri nt h i ss i m u l a t i o nc a na p p l yt om o s th o m e m a d e a n a l o g o u s e a r s k e y w o r d s ：a e r o d y n a m i cd r a g ，a e r o d y n a m i cl i f t ，a e r o d y n a m i c s ，c f d ，s t a r - c d ，t u r b u l e n t b o u n d a r yl a y e r i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的及意义 汽车空气动力学特性是汽车的重要性能，它是指汽车在流场中受到的以阻力 为主的包括升力、侧向力的三个气动力及其相应的力矩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、驾驶室内通风、空气调节 等特性。 随着汽车技术的提高和高等级公路的发展，汽车速度不断提高，汽车在行驶 时与空气相作用的各种气动力也越来越显著，它在很大程度上影响着汽车的经济 性、动力性和稳定性。 1 1 1 汽车空气动力特性对经济性的影响 世界性的石油危机使石油价格一度暴涨和严重短缺，促使各汽车厂家和汽车 拥有者更加注意汽车的燃油经济性。研究指出：如能使气动阻力系数下降2 0 2 5 ，汽车的燃油消耗可减少8 2 0 ，采用其它任何措施都难达到如此好的效 果。 根据汽车理论1 ，汽车发动机的输出功率和汽车的牵引力之间存在着正比 关系： 町m = t v x l 0 。( 1 1 ) 式中：m 发动机的输出功率，k w ； 7 7 传动系统的效率系数。 t 和v 的单位分别是n 和n g s 。 克服气动阻力所需的功率为l ，d 为： 1 心= 云c x p v 3 a x l 0 。( 1 2 ) 克服滚动摩擦阻力所需的功率为n ；为： = lg 一寺q p 俨a l 曝1 0 4 ( 1 3 ) “ 通常作用在汽车上的升力项并不大，如忽略该项，。可以表示为： = g 嗨1 0 4f 1 4 ) 若汽车在无风的水平路面上等速直线行驶，则有如下关系： 1、 7 7 m = n d + k = li 1l 。p y 3 a + o r g y ) 1 0 _ 3 ( 1 5 ) g 为汽车重量，为滚动阻力系数，v 为车速，e 、c y 分别为空气阻力系数和升 重庆大学硕士学位论文1 绪论 力系数。 由( 1 2 ) 式和( 1 4 ) 式可知，气动阻力n j 与车速的三次方成正比，而气动 升力n 。与车速的一次方成正比，某小轿车克服滚动摩擦阻力和气动阻力所需的功 率与车速的关系曲线如图所示。当汽车速度高于6 5 k m h 时，克服气动阻力所需的 功率就开始大于克服滚动阻力所需的功率，因此对于在高速行驶的汽车来说，减 小气动阻力有重要的意义。 克服机械阻力和气动 阻力所需的总功率 y ，m s 图1 1 发动机功率与车速的关系 f i g 1 1 r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p o w e r a n d v e l o c i t y 1 1 2 汽车空气动力特性对动力性的影响1 ，2 ，4 】 汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度是评价汽车动力性的主要指标。 在水平路面上等速行使的汽车，驱动力全部用来克服滚动阻力和气动阻力。 假设汽车前后的滚动阻力相同、汽车的重力和气动升力均匀地分布在四个车轮上 汽车的最大车速可表示为 。：l 垦二堕 i 寺以岛一q ，) 式中v 。最高车速： f 。最大驱动力； g 车重； f 滚动阻力系数； 2 ( 1 6 ) 重庆大学硕士学位论文1 绪论 p 空气密度； 月汽车正面投影面积； c 。汽车气动阻力系数； c ，汽车气动升力系数。 可见在最大驱动力f m 。、车重g 及其他因素不变的情况下，最高车速v r 础取 决于气动阻力系数c 0 和气动升力系数q 。减小气动阻力系数，可使最高车速提高。 汽车的加速度可表示为 d y d p ,3 6 0 0 7 7 t ，1 、 一dtd t g f + 3 p c d a 乞 【1 7 式中兰发动机功率随时间的增长率； d z k 车速； 叩，汽车传动系效率。 由上式可见汽车的加速能力首先取决于发动机的加速特性，同时还随汽车的 气动阻力系数c 0 的减小而增大，所以减小汽车的气动阻力，可以增加汽车的加速 度。 随着气动阻力增加，会导致加速能力的下降，当汽车达到最大速度，跏时， 加速度减小为零。 1 1 3 汽车空气动力特性对操作稳定性的影响1 , 2 , 6 】 ( 一) 升力与纵倾力矩对操作稳定性的影响 升力与纵倾力矩都将影响汽车的附着力，如果其值过大或者分布不当有可能 使转向轮失去转向力，使驱动轮失去牵引力，影响汽车的操作稳定性。 质量轻的汽车，特别是重心靠后的汽车，对前轮的升力特别敏感。这个情况 对行使中的汽车非常危险，即当前轮有升力使汽车上浮时，升力又随着车速的增 加而继续增加，由于前轮失去附着力而使汽车失去控制。升力与俯仰力矩对于高 度行使汽车的操作稳定性影响很大，对于轿车来说，如果在设计阶段没有充分考 虑升力的问题，升力在强风时可达几百甚至几千牛顿。这一附加的力使前轮减轻 了负荷，从而破坏了汽车的操作性；减少了后轮负荷，使驱动力减小。产生的升 力与侧向力的合力具有二次曲线式的增加趋势，对侧风稳定性的影响很大。 为提高车辆高速行使的直进性和侧风稳定性，应减小升力。升力减小可防止 汽车的摆头，并由于增大了附着力而使稳定性提高。 ( 二) 向力及横摆力矩对操作稳定性的影响 当汽车受到非正迎面风时，气流的合成相对速度与x 轴成b 角，在y 轴方向 重庆大学硕士学位论文1 绪论 受到了例向力s 。如果侧向力的作用点与坐标原点有一个距离( 其值随车身形状和 横摆角而变化) ，即产生了绕z 轴回转的横摆力矩n 。如果侧向力的合力通过侧向 反作用力中心，车辆将保持直线行使，但相对原行使方向会有偏移。如果侧向力 的合力作用在侧向反作用力中心以前时，车辆将顺着风的方向转向，并且产生横 摆力矩，使车辆向着风的方向摆动，造成稳定性恶化。 为提高汽车的方向稳定性，不仅要减小侧向力，而且应使侧向力的作用点移 向车身后方。 ( 三) 倾力矩对操作稳定性的影响 由于来自车身侧面及其周围气流的影响，产生了绕x 轴的侧倾力矩。这个力 矩通过悬挂系统至车架及左右车轮，引起了车轮负荷的变化。对应于力矩回转的方向， 使一个车轮负荷增加，另一个车轮负荷减少，从而就改变了汽车的转向特性。 综上所述，在激烈的市场竞争中，汽车研究所面临的首要问题是汽车空气动 力学问题，因为只有空气动力特性好的汽车，才能保障其良好的经济性、动力性 和操作稳定性，只有最佳气动外形的造型才有生命力；可以说，汽车空气动力学 特性的好坏是决定汽车在市场竞争中能否取胜的重要性能之一。 1 2 汽车空气动力学的发展 空气动力学研究物体在空气中运动时物体与空气之间的相互作用的关系。在 汽车诞生不久，人们就开始了汽车空气动力学问题的研究。赛车从1 9 0 0 年，实车 从1 9 1 0 年就已开始考虑空气阻力问题。为了减小空气阻力，首先采用的方法就是 降低汽车的高度，减小迎风面积。1 9 0 0 年的车体高度与马车相当，为2 7 m ；1 9 1 0 年降低到2 4 m ；1 9 2 0 年达到1 9 m 。1 9 2 2 年德国策佩林工厂在其大风洞中就做了 关于车身外形对气动阻力影响的研究。后来卡姆领导的科学工作者还进行了气动 力对汽车稳定性和直线行驶能力的研究。1 9 3 0 年美国的克莱斯勒公司对汽车空气 动力学的问题也曾做过一些研究；1 9 3 4 年美国的雷依教授在风洞中用模型测量了 各种车的阻力，对汽车外形的设计产生了重大的影响，这方面的进一步研究工作 时1 9 5 0 年美国福特公司开始进行的。1 9 5 6 年美国对汽车外形从其功能发展的观点 出发进行了系统的研究斗p o j 。 7 0 年代以来，汽车空气动力学有了较大的发展，各大汽车公司不惜巨资，都 相继建立了自己的汽车专业风洞，进行了较全面的汽车空气动力性能的试验，取 得了许多高水平的研究成果，开发了许多空气动力性能优越的小轿车，并且在商 用汽车外形的研究方面也取得了许多卓有成效的成果，使汽车空气动力学的研究 进入了一个新的发展阶段。 在近十几年，汽车速度有了显著的提高，特别是高速公路的发展给使用车速 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的提高刨造了条件，已有每小时的几十公里提高到目前的一百几十公里，在此速 度下气动阻力己超过汽车总阻力的5 0 ，随着车速的提高，气动阻力所占的百分 比还会进一步增大，其他气动分量也有增加的趋势，这些因素在很大程度上影响 着汽车的性能，如经济性、动力性和稳定性。另外，世界性的石油危机使石油价 格暴涨和严重短缺，促使各汽车厂家和使用者更加注重汽车的燃料经济性，因而 减小气动阻力提高汽车的燃料经济性成了汽车空气动力学研究的重要课题。随着 市场竞争的日趋激烈，各汽车厂家都更加注重汽车的预演性研究，以期能设计更 加优秀的汽车来扩大汽车的销售量。由于上述三个因素的推动，在这个时期，关 于汽车空气动力性能的研究进入了一个较为成熟的阶段。 由于人们长期不断的努力，汽车空气动力学的研究工作有了巨大的进展，气 动阻力系数不断下降，汽车的各项空气动力学指标都有了较大的改善。图( 1 2 ) 为小轿车气动阻力系数随年代的变化情况。1 9 1 0 年前后开始，由于汽车的挡泥板 和大灯融为一体，使大灯隐入车体，汽车外形逐渐采用流线型设计，使气动阻力 系数逐步由0 9 0 下降到0 4 7 。1 9 5 0 年前后由于汽车外形由三角形变为四边形，使 阻力系数略有回升，经过不断改进，1 9 7 4 年前后气动阻力系数又降为0 4 6 。1 9 7 2 年提出了汽车外形的优化设计思想，在不改变汽车总布局的情况下，对汽车外形 作局部优化设计，减小气流分离的可能性，改善气动性能，使小轿车的平均气动 阻力系数到1 9 8 1 年达到o 4 2 的水平。近1 0 年来，汽车空气动力学研究受到极大 的重视，在降低气动阻力方面取得了很大的进展，商品车的平均气动阻力系数已 降至o 3 5 以下，一些先进的气动设计的样车，气动阻力已降到o 1 5 o 2 0 。随着 降阻轿车的开发，车身设计趋于挺拔、大方的棱角造型，但对空气动力学有影响 的关键部位，都采用圆角过渡【1 ，4 ，“。 l 0 8 0 _ 6 e o 4 0 t2 0 、 、 、 - _ _ 一 - 、 1 9 1 01 9 2 0 1 9 3 01 9 4 0t 9 5 01 9 6 0i 9 7 01 9 8 0 图1 2 轿车气动阻力系数随年代的变化 f i g 1 2 d r a g c o e f f i c i e n t c h a n g eo v e l t h e y e a r 在我国汽车空气动力学的研究工作起步较晚。由于一个时期以来我国汽车工 业水平较低，交通设备落后，使用车速较低，汽车的空气动力性能还没有得到人 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 们的足够重视。但是进入8 0 年代以来，随着我国改革开放的步伐加快，汽车行业 不断引进具有国际先进水平的新技术，使汽车工业水平有了很大的提高，高速公 路和高等级公路不断建成投入使用，公路状况有了显著的改善，使用车速大大提 高。加之我国运输结构的不完善，客运和货运在很大程度上依赖于汽车的公路运 输，致使汽车的耗油量占全国耗油总量的8 0 以上。因此汽车的减阻节能问题日 益突出。国内尽管起步较晚，但也有不少人在这方面进行了探索，现在已形成一 支数量可观的汽车空气动力学工作者队伍。北京空气动力学研究所和长春汽车研 究所合作在北京空气动力学研究所改建了汽车试验风洞，并开展了研究工作，中 国空气动力研究与发展中心在航空风洞中对实车风洞试验技术进行了系统的研 究，山东工业大学和江苏理工大学、同济大学都曾在小型风洞中用模型对某些车 型的空气动力特性进行了研究，取得了较好的效果，为汽车空气动力学的发展做 出了贡献。 汽车空气动力学经过7 0 多年的完善和发展，逐步为人们所认识，形成了一门 独立的学科。这一学科的建立有赖于流体力学和空气动力学的基本原理和定律， 同时也在很大程度上受益于航空空气动力学。风洞试验是进行汽车空气动力学研 究的主要手段，但是飞行器的试验与汽车的试验存在很大的差别，因此汽车空气 动力学又具有它自身的特殊性。飞行器多为流线型物体，在大气中自由飞行；而 汽车外形接近于钝形物体，在地面上运动。汽车周围的流场受到地面的影响，同 时车轮的转动还会对汽车的空气动力产生干扰。另外车速的改变和行驶状态的变 化还要影响汽车的直线行驶能力和汽车的稳定性。汽车的风洞试验技术和飞行器 的试验存在较大的差别，这些问题都需要进行深入的研究。 1 3 汽车空气动力学的研究方法和存在的问题 迄今为止，国内外汽车空气动力学的研究一般是采用试验为主计算为辅、试 验和理论相结合的方法。汽车空气动力学试验是汽车空气动力学研究的主要手段， 它有两个方面的重要作用： ( 1 ) 由于绕汽车周围流场的复杂性，空气动力学的研究要通过试验揭示出流 动的本质。在汽车设计的初始阶段，为选择最佳气动外形，必须进行缩尺寸模型 和全尺寸模型的风洞试验。在样车定型前还要进行实车空气动力试验，以提供空 气动力特性数据。 ( 2 ) 验证汽车空气动力学理论分析和计算结果。在汽车空气动力学理论分析 和计算中，一般会对所研究的现象和模型进行必要的简化，进而建立求解方程， 最后得出公式和数据形式的结论。理论分析和结论都需借助于试验来验证【l 2 0 ，t 引。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 试验主要是进行风洞试验，限于费用问题，目前大多用模型风洞试验。汽车 风洞试验的目的是为了得到准确反映汽车行驶状态时的空气动力特性数据。研究 对象主要有：汽车空气动力特性，包括汽车的气动阻力特性和操作稳定性等，即 通过风洞试验研究汽车的流场作用在汽车上的力和力矩；通过对汽车表面的压力 分布和流场性能的分析，研究汽车各部位的流场。如，雨水流动的路径、污垢附 着的作用原理、风噪声等；发动机冷却气流的进气和排气特性；驾驶室内的通风、 取暖及噪声特性等。 风洞试验结果精度高、可靠性好，对研究外部气流干扰件( 后照镜、绕流板 等) 的气动作用大小比较有效，而这些干扰件则是数值计算模型简化的难题。尽 管一般认为试验的可信度高，但由于它有许多的局限性，如风洞试验成本高、周 期长、需要制作一系列油泥模型等，阻碍了它在汽车设计中的应用。另外，在风 洞试验中，只能在有限各截面和其上有限个点处测得速度、压力和温度值，而不 能获得整个流场中任意点的详细信息。为了观测整车的流场结构，只能依靠一些 定性手段，如烟流法、油膜法和丝带法。要精确研究某些复杂的流动现象，如层 流向湍流的转变、拖曳涡的形成和发展、尾部涡系结构等，测出这些流动的流场 参数，测量截面选取很大程度上依靠经验，这样使得精确研究这些复杂流动及其 机理变得非常困难。在模型风洞试验中，还存在着动力相似及几何相似的影响， 试验结果与实车的换算问题，要得出准确的结果，需要非常谨慎【1 5 】。 近年来，伴随着计算机的发展及计算技术的进步，数值研究取得了迅猛的发 展并逐渐取代了以解析解为中心的理论研究。数值研究被称为计算流体力学c f d ( c o m p u m f i o n m f l u i dd y n a m i c s ) 【4 5 j ，它利用计算数学的算法将流场的控制方程离 散到一系列网格节点上求其离散的数值解。与试验研究相比，c f d 开发的时间短， 所耗费的经费少【4 , 6 , 7 , 8 , 1 0 。 汽车空气动力学计算机仿真是借助于计算机将c f d 应用于汽车空气动力学研 究的一种方法，亦即模仿风洞实验的工况，在计算机上模拟吹风，运用数值分析 的方法计算模拟汽车的空气动力学问题，为指导设计以获得良好的汽车外形造型 提供科学依据。与风洞实验相比，汽车空气动力学计算机仿真除了节省开发时间 和费用外，还有以下特点： ( 1 ) 利于与c a d c a m 系统相衔接。由于c f d 与c a d 良好的衔接性，在样车设 计和造型阶段，省去了制作汽车模型的复杂工序，设计人员只需在c a d 中改变模 型参数，就可以较快的在c f d 中获取该车外形的气动特性和流场细节。 ( 2 ) 计算机模拟不致受风洞那样的限制( j o 洞壁干扰和风洞实验段的阻塞效 应等) ，计算机则可将计算空间做得很大，以清除这些影响。此外，计算机还不受 实验雷诺数、气流角度及流体性质等的限制；且易于作实验段地面边界层的调整： 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 还可进行纯二维的分析，而这在风洞中是无法实现的。另外，汽车和地面的相对 运动，车轮旋转等的模拟在计算机上也比在风洞中容易实现。 ( 3 ) 通过求解流体力学方程就可获得比通常风洞实验多得多的信息，有些甚 至是目前实验难以测量和解释的信息。譬如，研究侧风条件下的瞬态气动特性对 汽车操纵稳定性的影响，计算机仿真比风洞实验更具优势【”】。 实践表明，c f d 可以分析从定常到不定常，从层流到湍流，从不可压到可压 缩，从无粘性到有粘性的几乎所有的流动现象【3 4 “】。 但是，数值模拟也存在着一些缺点， 对有些问题还没有普遍适用的数学模型。 如因没有完全搞清楚湍流等流态特性， 在数值计算上收敛性和精度有待改进。 另外，r a n s 代码中包含了经验的输入参数、截断误差、网格相关近似和湍流模型 等因素，数值模拟结果与试验结果存在着差异【3 9 1 。数值计算不能完全替代试验。 试验对于校正c f d 方法和检验c f d 结果是非常必要的。 国外汽车制造商为了缩短车辆的开发周期，投入了大量的人力和物力进行计 算空气动力学的软件开发工作。如：福特公司开发的s t a r - c d 、a e a t e c h n o l o g y 的 c f x 一4 和通用公司的g m t e c 等软件。此外，还有大量的商用c f d 软件，如m s c 公司的n a s t r a n 和c h a m 公司的p h o e n i c s ，还有a n s y s 的外挂模块 f l o t r a n 等【”，l ”。国内尽管起步较晚，但也有不少人在这方面进行了探索，据有 关文献介绍，一汽集团公司和气动中心计算所合作，共同开发轿车气动力计算软 件，已在实际中应用j 。 1 4 本文研究的内容 本文通过将商用计算流体力学软件( c f d ) s t a r - c d 与计算机辅助设计软件 u g 相结合，利用c a d 软件强大的建模能力进行前期设计，进而在c f d 软件中进 行计算模拟和后期处理，开展了小轿车外流场的计算机数值模拟。计算机数值解 提供了诸如小轿车的气动压力场、速度场等和车身的压力、速度分布，以便于获 得气动阻力、气动升力和气动侧向力及由此可得的相关力矩等信息，可进一步用 于指导汽车的设计开发【3 1 】。 1 5 小结 本章综合论述了进行汽车流态模拟的意义、汽车空气动力学发展的历史进程 并比较了现阶段研究汽车流场的两种基本方法试验法与数值模拟法的优劣。 大量的研究证明，两者是相辅相成、不可分割的。试验法精度高、可靠性好，但 是成本高、周期长，而且在研究尾涡等复杂流动及其机理存在着困难，而且还存 在着测量及模型换算方面的误差。数值模拟法弥补了试验法的一些缺陷，但是还 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 没有完全搞清楚湍流等流态特性，对有些问题还没有普遍适用的数学模型，在数 值计算上收敛性和精度还有待改进。数值计算不能完全替代试验，试验对于校正 c f d 方法和检验c f d 结果是非常必要的。 重庆大学硕士学位论文2 汽车的流场 2 汽车的流场 2 1 汽车的流场1 , 2 , 4 , 6 】 汽车的流场分为两类：一类是汽车的外部气流，这是本文主要研究的内容， 它包括汽车表面所有的气流；另一类是内流，即通过诸如发动机、排气系统、冷 却系统以及驾驶室的气流。 2 1 1 外部流 汽车外部的流场使汽车受到力和力矩的作用，对汽车的动力性、经济性和操 作稳定性产生极大的影响。通过流态分析，可以理解重要的流动过程，如气流在 汽车车顶后缘发生分离，形成一个很大的滞区，以及车身尾部的气流分离过程。 汽车周围的外部流如下图所示，地面附近的一部分空气必须从车身底部和路 面之间强制通过，气流的流线在汽车的后面并不终止，而是形成涡流，从而产生 阻力。 图2 1 汽车的外部流场 f i g 2 1e x t e r n a lf l o wa r o u n dac a r 1 一流线之间间距小 1 一t h es p a c eb e t w e e nt h es t e a m l i n e si ss m a l l 2 一流线之间间距大 2 一t h e s p a c eb e t w e e n t h es t e a m l i n e si sl a r g e 从图中可以看出各流线之间不是等间距的，各流线之间的间距存在着差异， 这表明了升力的来源。间距小，表明流速高，因此静压低，产生与汽车行驶方向 垂直的纵向力( 升力) ，它是向上的，趋于提起汽车，从而减小有效载荷，随之 产生的俯仰力矩，则造成前后轴荷的转移。 l o 重庆大学硕士学位论文2 汽车的流场 在静止空气中，假设没有气流分离现象，粘性只是在汽车表面几毫米的薄层 中起作用，这个薄层就称为附面层。 在汽车表面，气流与汽车表面没有相对滑动，当气流在车身尾部发生分离 时，附面层便扩展了，这时，气流的粘性起作用。在离开车的某一距离，自由面 和地面之间不存在速度差异，所以，对于地面坐标系来说，地面就是有恒定速度 的气流边界，在这个边界上，没有附面层，这是风洞中模拟道路汽车周围气流的 重要条件。 汽车的形状和雷诺数影响着汽车的粘性流特性。粘性流体有层流和湍流两种 绝然不同的运动形态。两种运动形态在一定条件下可以相互转化。雷诺数到达临 界值时就发生层流转化为湍流这一量变过渡到质变的飞跃过程。对于汽车，雷诺 数是表征汽车周围粘性流特性的无量纲参数。 r e j ：型 - 1 0 4( 2 1 ) u r e 是车速比、流体的动粘性系数。和汽车的特征长度的函数。 如果不同的物体有不同的特征长度j 、气流速度k 和流体特性u ，根据方程 ( 2 1 ) ，物体呈几何相似；具有相同的r e 数，这时物体周围的流场称“动力学相 似”。动力学相似是模型风洞试验的基础。如果雷诺数系统，比例模型的试验结 果和原车将具有相同的无量纲气动力系数。在有些情况下，要满足这个相似条件 是困难的，由于模型比实车小，所以要增大自由流的速度比，但速度值必须低于 亚音速，即对于小模型，不可能在超音速中进行试验，因为在超音速情况下，破 坏了可压缩流的相似定律。 2 1 2 、内部流 内部流就是被各个面所包围的气流，流线与管壁平行。一般内流不能按距离 管壁的远近分为非粘性流和粘性附面层。在整个流场内，粘性流都起作用。内部 粘性流的改善，也取决于雷诺数。 r e 。：! 望( 2 2 ) 一 u 为平均速度，管的直径为特征长度。对于不同的r e 。值，可产生不同形式 的气流。 2 2 汽车周围流场的特点1 , 2 , 6 】 汽车是在道路的支撑下在路面上行驶的钝头体，周围的流场十分复杂。其主 要特点是： 重庆大学硕士学位论文2 汽车的流场 ( 1 ) 由于汽车基本上为钝头体且外形是由复杂的三维曲面所组成，并且车身 底部凸凹不平，以及车身附件诸如保险杠、门把手、后照镜等的干扰影响，使汽 车周围存在着大小不同的分离区域。这些分离区域表现出明显的湍流特征。同 时，汽车不能分为几个相互独立的流场，对其周围的流场只能做整体考虑。 ( 2 ) 因汽车三个方向空间尺度相差不大，特别是与行驶方向垂直的尺寸较 小，从而使各个方向的流动相互干扰表现出湍流特征。 ( 3 ) 由于汽车冷却通风、大气环境和行驶道路周围环境的影响，再加上通过 车身下部的气流由于地面的干扰而受阻，车身底面的粗糙不平、车轮以及地面对 周围流场的作用，使得汽车周围得流场变得更为复杂。 ( 4 ) 汽车空气动力学属于低速空气动力学。假设汽车得最高车速为2 5 0 k m h 计算，马赫数也只有o 2 0 ，这时的空气密度变化大约仅为2 。可忽略空气压缩 性的影响。这样就把汽车周围流场看作是不可压缩场。 ( 5 ) 由于空气相对汽车作低速流动，空气的热传导系数很小，汽车对周围流 场的热影响可忽略，因此汽车周围流场可看作是恒温场。 ( 6 ) 空气底密度很小，在模拟汽车周围流场时，流场中空气的单位质量力可 以忽略。 2 3 小结 通过对汽车周围流场的特点分析可知，要想较好地对小轿车周围流场进行数 值模拟，需要较精确地模拟汽车外形并把流场作为三维不可压缩粘性等温流场来 处理。本章介绍了汽车周围流场的特性，为下一章提出汽车周围流场数值模拟理 论模型做准备。 1 2 重庆大学硕士学位论文3 汽车周围流场的三维湍流数值模拟 3 汽车周围流场的三维湍流数值模拟 3 1 流场的基本方程及简化 汽车流场数值模拟是计算流体力学基本原理在汽车上的具体应用。流体运动 千变万化，但也要遵循物理学普遍规律，即质量守恒定律，动量守恒定律，能量 守恒定律，热力学定律和流体的物性。流体力学方程就是根据流体的连续介质假 设，由以上定律出发推导出的描述流体运动基本规律的数学表达式。 3 1 1 基本方程5 , 8 a 0 在笛卡儿坐标系中，流体力学方程组的最一般的形式如下所示： 由质量守恒导出的连续性方程 粤+ d i 4 p v ) = 0 ( 3 1 ) d e 由动量守恒导出的运动方程 p _ d v ：p f + d i v p ( 3 2 ) f 由能量守恒导出的能量方程 p i d u = p ：s + d i k k g r a d t ) + p q ( 3 3 ) 0 i 状态方程 p = “p ，丁)( 3 4 ) 以及本构方程 1 p = 一p i + 2 卢( s 一i d i v v ) + p i d i v v ( 3 5 ) j 其中p ( x j ，0 、f ( 墨，0 、v ( 墨，0 、_ p ( 墨，0 、和u ( 耳，0 分别代表流体在点x 处 的密度、单位质量力、速度、应力和单位质量的总能量。p 、为粘性系数，k 为热传导系数，t 代表温度，s 为变形速度张量。 理论上由以上方程，再加上根据所求解的具体问题指定的边界条件和初始条 件，就可以完全确定流体力学问题的速度场、压力场和温度场。 但是，利用数值计算直接求解这组方程极为困难，必须进行简化处理。 3 1 2 方程简化 根据上面的讨论，小轿车周围流场可作为三维不可压缩粘性等温流场来处理。 因此，流场基本方程组中的能量方程和状态方程就不必列入。方程就只简化为： 连续方程：d i v v = 0 r 3 6 1 重庆大学硕士学位论文3 汽车周围流场的三维湍流数值模拟 运动方程 p d v = 一g 矗却+ “y p 面一邸印+ “。 其中，随体导数可以分解为局部导数和位变导数之和，即 旦：旦+ 。l i v 一十v d 扒 ( 3 7 ) 运动方程( 3 7 ) 就是不可压缩粘性流动的n a v i e r s t o k e s 方程，简称n s 方 程。由于控制不同类型三维流分离的引发因素、分离流结构的运动学钝头体尾流 的不稳定性以及湍流等至今尚未解决的问题，直接求解不可压缩粘性流动的方程 存在着诸多的困难。正因为如此，人们目前正在广泛地研究并不断尝试各种湍流 模式来求解雷诺时间平均方程。 3 - 2 汽车周围流场的三维湍流数值模拟控制方程及j 一s 湍流模型 3 2 1 汽车周围流场的三维湍流数值模拟控制方程 3 , 5 , 6 , 4 8 , 4 5 , 5 0 o r e y n o l d s 于1 8 8 3 年通过管流试验发现了层流和湍流两种流态及临界雷诺 数，这引起了物理学家、数学家和科技工作者的密切关注，他们通过对湍流运动 的广泛观察、试验和理论研究，已经在湍流特征、湍流运动基本方程和湍流模式 等方面取得了很大的进展。特别是近年来随着电子计算机科学的迅猛发展，在试 验理论及工程应用等方面取得了可喜的成果。但是，由于湍流运动极其复杂，至 今对湍流运动的认识尚不全面，还没有得到较为普遍适用的湍流模式。 我们知道，层