（机械工程专业论文）基于cfd的汽车外流场数值模拟及车身造型优化.pdf

基于c f d 的汽车外流场数值模拟及造型优化摘要空气动力学特性参数是汽车( 特别是轿车) 最重要的性能参数之一，它对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性等有着极其重要的影响。影响汽车这些性能的主要因素就是车辆周围的流场特性。本文通过将商用计算流体力学软件( c f d ) c f x 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，开展某商用车外流场的计算机数值模拟。主要工作包括：1 、应用c f d 软件进行仿真计算，获取了该车的气动压力场、速度场及车身的压力、速度分布情况，为车身优化提供了依据。2 、以风阻系数为优化目标，通过多次模拟计算，对车身的气动外形进行了多处局部造型优化，降低了汽车阻力系数，优化了该车气动性能，并得到实际应用。汽车空气动力学外形设计研究，利于提高汽车的动力性、燃油经济性和环保；利于提高汽车的安全性能；利于提高发动机散热效率及改善室内乘座舒适性，同时也进一步降低行驶气动阻力，降低气动噪声等，对汽车新产品的开发、优化有重大意义。关键词：空气动力学；计算流体力学；外流场；数值模拟；造型优化a b s t r a c ta e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tv e h i c l e s ( e s p e c i a l l yc a r s )p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s i th a sa ni m p o r t a n ti m p a c tf o rc a r sp o w e r ，e c o n o m y ，a n dh a n d l i n gs t a b i l i t y am a j o rf a c t o ra f f e c tt h e s ep e r f o r m a n c e so fv e h i c l e sa r ef l o wf i e l da r o u n dt h ev e h i c l e t h i sa r t i c l et h r o u g ht oc o m b i n et h ec o m m e r c i a lc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s( c f d ) c f xs o f t w a r ea n dc o m p u t e ra i d e dd e s i g ns o f t w a r eu g ，u s eo fc a ds o f t w a r e sp o w e r f u lm o d e l i n gc a p a b i l i t i e sf o rp r e d e s i g n ，t h e nt h ec f ds o f l w a r ef o rc o m p u t e rs l m u l a t i o na n dp o s t 。p r o c e s s i n g t oc a r r yo u tac o m m e r c i a lv e h i c l ec o m p u t e rs i m u l a t i o no ff l i g h tf i e l d t h em a i nw o r ki n c l u d e s ：i c o m p u t e rn u m e r i c a ls o l u t i o np r o v i d e ss u c ha st h ep n e u m a t i cp r e s s u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l do ft h ec a ra n ds oo n ，a n dt h ep r e s s u r e ，t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h eb o d y 2 a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gp r o b l e m so fa n a l y s i sr e s u l t s ，t h i sp a p e rw i l lb eb a s e do nt h eb a s i ct h e o r yo fa e r o d y n a m i cs h a p ed e s i g n ，m a k ec e r t a i nm o d i f i c a t i o n st ot h eb o d y ，a n df o rd i f f e r e n tr e t r o f i tp r o g r a m st om a k ec o m p u t e rs i m u l a t i o n b yc o m p a r i n gd i f f e r e n tr e s u l t so fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt oo b t a i nt h ep r o g r a mo ft h em i n i m u ma e r o d y n a m i cd r a g ，s oa st op r o d u c ear e a s o n a b l ei m p l e m e n t a t i o nf o rc o m m e r c i a lc a rd e s i g n t h es t u d yo fc a r t sa e r o d y n a m i cs h a p ed e s i g n ，w h i c hw i l lh e l pi m p r o v et h ec a r sp o w e r ，f u e le c o n o m ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ；h e l pi m p r o v et h ec a r t ss a f e t vp e r f o r m a n c e ；h e l pi m p r o v ee n g i n ec o o l i n ge f f i c i e n c ya n di m p r o v ei n d o o rr i d i n gc o m f o r t ，b u ta l s of u r t h e rr e d u c ea e r o d y n a m i cd r a gd r i v i n g ，r e d u c ea e r o d y n a m i cn o i s ea n ds oo n i th a sag r e a ts i g n i f i c a n c et on e wp r o d u c td e v e l o p m e n t ，o p t i m i z a t i o no ft h ec a rk e yw o r d s ：a e r o d y n a m i c s ；c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ；f i o wf i e l d ；n u m e r i c a is i m u l a t i o n ；m o d e li n go p t i m i z a t i o ni i i工程硕士学位论文1 1 课题的研究背景第1 章绪论汽车的空气动力学性能不仅直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、安全性、舒适性等性能，还影响着汽车的外观款式及审美的流行趋势。在汽车尤其是商务车车身造型设计过程中力求取得最佳的空气动力学性能是非常有意义的。随着人们对汽车性能要求的不断提高，车辆的气动特性日益受到汽车制造业的重视，气动性能的优劣已成为汽车市场竞争的重要方面。在传统的汽车空气动力学研究中，大多采用风洞实测的方法，该方法造价高、耗资大，在般的经济条件下根本无法进行。近年来，随着计算机技术和湍流理论的发展，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 ) 的方法被运用到汽车空气动力学研究中。许多国外汽车厂商，特别是f o r d ( 福特汽车公司) ，早在1 9 9 3年就将计算流体力学( c f d ) 融入其f o r d2 0 0 0 规划中的c 3 p 计划中。通过多年的尝试，f o r d 已将新车型的开发周期由原来的3 6 个月降低到1 2 一1 8 个月 2 1 。汽车外流场数值模拟就是利用数值模拟的方法对汽车行驶中的外流场进行分析，与传统的研究方法结合，有效地改善汽车性能、节约研究资金、提高研究效率。1 1 1 汽车空气动力学的发展概况空气动力学是研究物体在与周围空气作相对运动时两者之间相互作用力的关系及运动规律的科学，它属于流体力学的一个重要部分。长期以来，空气动力学成果的应用多侧重于航空及气象领域，特别是在航空领域内这门学科取得了巨大进展，给汽车或路面车辆的空气动力学( a u t o m o b i l ea e r o d y n a m i c s r o a dv e h i c l ea e r o d y n a m i c s ) 研究提供了借鉴。但汽车空气动力学从理论到实际两个方面部与航空动力学等问题有本质区别，汽车空气动力学己逐步发展成为了空气动力学的一个独立分支1 3 1 。汽车空气动力学的研究方法和物理学中的其它领域一样，可分为理论、计算和实验三种。理论研究方法通过抓住所分析问题的主要影响因素，抽象出合理的简化理论模型，并根据总结出来的相关物理定律和有关介质性质的实验公式来建立描述介质运动规律的积分或微分方程。然后利用各种数学工具及相应的初始、边界条件解出方程组，通过对求解分析来揭示各种物理量的变化规律，包括将它与实验或观察资料对照，确定解的准确度和适用范围。由于数学发展水平的局限，理论研究只能建立较为简单的近似模型，无法完全满足研究更复杂更符合实际的气流的要求。于是近年来出现了依托快速电子计算机进行有效数值计算的方法摹于c f d 的汽车外流场数值模拟及车身造犁优化( 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 ，其中包括有限元法、有限差分法等等) ，它属于汽车计算机辅助空气动力学( c a a c o m p u t e ra i d e da e r o d y n a m i c s ) 的设计范畴，并已成为与理论分析和实验并列或具有同等重要性的研究方法。其优点是能够用来预测或解决一些理论及实验无法处理的复杂流动问题，取代部分实验环节，省时省工。但它要求事前对问题的物理特性有足够的理解，提炼出较精确的数学方程及相应的初始、边界条件等。但这些都离不开实验和理论方法的支持，并且数值方法通常无法直接反映同类问题中有普遍指导意义的结论或规律。实验研究方法在空气动力学研究中占有重要地位，如风洞试验。它使人们能在与所研究问题相同或相近条件下进行观测，提供建立运动规律及理论模型的依据，检验理论或计算结果的准确性、可靠性和适用范围，其作用是不可替代的。但实验方法受限于实验手段、设备和经费等物质条件，甚至有些问题尚无法在实验室中进行研究。总之，理论、数值计算和实验三种方法相互促进，彼此影响，取长补短从而推动汽车空气动力学的不断发展。考虑到汽车的实际运行速度，汽车空气动力学属于低速空气动力学( 相对流速远低于音速) 范畴，但汽车与低速飞机等自由飞行体不同，是在地面上运动的，因此航空低速空气动力学的许多研究思路、方法和结论都不可直接套用1 4 。汽车空气动力学是为汽车产品设计服务的，其主要任务可以归纳成下列几个方面1 1 】：( 1 ) 研究阻碍汽车前进的气动力分量，即空气阻力或风阻，寻求气动阻力尽量小并同时满足各种其它性能要求的合理汽车外形，以利于提高汽车的动力性、燃油经济性和环保。( 2 ) 研究气动力的垂直分量升力以及侧向分量和各种气动力矩，寻求改善汽车操纵性和行驶稳定性的有效措施，以利于提高汽车的安全性能。( 3 ) 研究汽车发动机舱和驾驶室内的气流组织，提高散热效率及改善室内乘座舒适性，同时也进一步降低行驶气动阻力。( 4 ) 研究车外气流对车内噪声的影响，寻求降低气动噪声的措施，以利于提高汽车的乘坐舒适性。1 1 2 研究空气动力学的意义在汽车车身的外形设计中机械工程学和人机工程学决定了汽车的基本骨架，从内部制约了汽车车身的外形，而空气动力学则是来自汽车外形的制约条件。空气动力特性对汽车的驱动特性、稳定性、操作性、燃油经济性、噪声特性等有着直接的影响i 引。空气阻力的研究不仪仪是出于对提高车辆性能要求的考虑，更重要的是其具有重大经济意义。根据最新出炉的统计数据，目前全球各种在用汽车的总保有量已突破1 0 亿辆，汽车运输量占总运输量的7 5 左右。如果这些车辆在运输中均采2工程硕士学位论文用石油燃料，那么需消耗世界石油产品的1 4 。随着研发过程的进行，人们已经运用多种途径来达到节油的经济目的，如改进燃油品质，用柴油机代替汽油机，采用复合动力装置，采用新型替代燃料及制定先进的标准等办法。但是节能效果最为明显的就是减小汽车的空气阻力、滚动阻力和改善发动机微机控制等方法。毕竟受汽车结构所限，再多的变化与新技术的运用，最终仍然要考虑到减小空气阻力和动力输出。在汽车性能日趋提高的同时，高等级高品质公路也越来越普遍了，汽车平均车速得以大幅度提高，而当车速较高时，汽车空气阻力迅速增加，当车速大于7 0 k m h 时，载货汽车所受空气阻力占行驶阻力的一半以上。减小空气阻力节能，对轿车和商用车辆都有很大的意义。1 2 本课题研究的现实意义随着生产力不断发展，汽车产业成了国民经济的重要支柱，国内外在汽车空动力学的研究上投入了大量资金和人力，但是如果仅从空气动力学的角度设计身外形就会使得其趋于一致化，如奔驰( b e n z ) 2 4 0 与奥迪( a u d i ) 1 0 0 是由不同的优秀设计师独立完成的，他们在侧视外形上非常相似【6 】。本课题的意义在于从工业设计的实际工作需求，将汽车空气动力学和汽车车身造型设计两方面更好的整合在一起，从而提出基于空气动力学的车身造型改型方案。本研究的现实意义有如下：1 通过计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 优化其气动阻力，提高汽车经济性能。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 7 , 8 t ，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：t i n e = t vx1 0 3( 1 1 )式中：n 。发动机的输出功率，k w ；t 1 传动系统的效率系数。t 和v 的单位分别是n 和m s 。克服滚动摩擦阻力所需的功率n d 为：n d = c x p v 3 ax1 0 3( 1 2 )克服滚动摩擦阻力所需要的功率n r 为：n r = ( g 一量c y p v 2 a ) v f rx1 0 q( ”)基于c f d 的汽车外流场数值模拟及车身造型优化通常作用在汽车上的升力项并不大，如忽略该项，n r 可以表示为：n r = g v f r 1 0 _ 3( 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：q n e = n d + n r = ( 三c x p v 3 a - i - g v f r ) x1 0 3( 1 5 )g 为汽车重量，f r 为滚动阻力系数，v 为车速，c x 、c v 分别为空气阻力系数和升力系数。由( 1 2 ) 式和( 1 4 ) 式可知，气动阻力n d 与车速的三次方成正比，而气动升力n r 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吒缸v ，m s图卜1 发动机功率与车速的关系1 1 2 】2 通过计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件分析，针对已上市的商用车型进行研究，寻求在汽车外形结构中可实现优化的部位，并对其进行一定的结构优化，既对其外形进行了适当的优化，又体现了时代感并符合人机关系操作习惯，同时还满足最小气动阻力要求。1 3 本课题的主要内容本文通过将商用计算流体力学软件( c f d ) c f x 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，开展某商用车外流场的计算机数值模拟。主要包括：工程硕士学位论文1 通过计算机数值技术，实现诸如汽车的气动压力场、速度场等和车身的压力、速度分布的求解。2 基于空气动力学外形设计基础理论，对车身进行一定的改型，并针对不同的改型方案进行计算机数值模拟，通过对比不同车型( 局部改动) 的计算机数值模拟结果，以获得较小气动阻力的改动方案，从而为某商用车的设计生产提出合理的修改实施方案。基于c f d 的汽车外流场数值模拟及车身造型优化第2 章基于c f d 的汽车流场数值模拟2 1 汽车流场数值模拟的发展及特点为了克服传统汽车空气动力学研究中的弊端，计算流体力学( c f d ) 在汽车空气动力学中得到了广泛的应用。因为同试验相比，它具有可预先研究、不受条件( 支架的干扰、模型弹性变形) 限制、信息丰富、成本低和周期短等特点。在某种意义上，应用c f d 研究汽车外流场比理论和试验对流体的运动过程认识得更为深刻、更为细致，不仅可以了解气流运动的结果，而且可以了解整体与局部的细致过程，能得到一些实验手段所得不到( 如细微湍流结构) 的理解和认识。c f d 可以方便灵活地改变初始条件和边界条件，并且可以获得整个流场中任意一点处的详细状况，使得研究流动机理变得方便可能。汽车流场数值模拟方法也存在一些缺陷，数值模拟需要有合适的数值计算方法。而现有的数值方法都存在收敛性和精度上的不足，有待改进。数值模拟受到计算机速度和容量的限制，对于一些复杂问题，其计算费用比较高。数学模型的简化、计算机的精度以及数值处理的误差都会导致计算结果的不可靠。数值模拟计算过程中很可能出现不稳定性而导致不收敛。因此，还不能用数值模拟完全代替模型试验。计算流体力学在汽车工程方面的应用最早是从2 0 世纪6 0 年代开始的，主要用于发动机进气及气缸流动的数值模拟、汽车制动等液力系统数值计算及汽车空气动力数值模拟等。8 0 年代初期，计算的对象还限于车身的基本形状，如今已经发展到包括后视镜、扰流板、复杂底板、移动地面、发动机舱、车轮等复杂的车体模拟，横向风稳定性、两车相遇的瞬态空气动力特性等方面的模拟。汽车空气动力外形设计内容主要是光顺汽车表面形状，消除或控制流动分离和涡流的产生；调整车身迎风面上车头、前窗和背风面上后窗、车尾的倾斜角度等来降低阻力和升力；减少附件产生的阻力；设计气动附加装置改善流场。具体设计途径有两个：一是对车辆外形局部作改进的局部优化设计方法；二是从空气动力特性的目标要求出发，修正出最佳外形的整体优化设计方法。国外对汽车外流场的湍流解析模型主要是k 模型、应力方程模型为代表的时间平均模型和空间平均的大涡模拟法( l e s ) ，计算所使用的网格数已经达到了( 2 - 3 ) x1 0 6 ，计算结果接近真实结果，误差控制在5 以内。国外对计算流体力学结果的分析大量采用了可视化技术，将庞大而复杂的计算结果转化为易于研究人员分析和理解的图形动画，提高了工作效率。目前数值模拟最主要的问题是计算精度的问题。网格的形状与结构、采用的6工程硕士学位论文湍流模型和计算方法都对精度有影响。在整车流场计算中通常需要划分几十甚至几百万个网格，需要耗费大量的时间，甚至需要进行人工干预。因此网格生成技术成为研究的焦点。正在发展的多种网格法可以用更少的网格数、更少的计算时间来达到相同的或者更高的计算精度。国外的空气动力学软件正向着全自动划分网格、高速高精度计算的方面发展。2 2 汽车流场数值模拟面临的问题及发展趋向汽车绕流流场具有典型三维、粘性、湍流、分离和非定常的流动特征。作为一个具有复杂的几何外形特征的实体，汽车外流场始终都会呈现出非周期变化。不同于高空飞行物，贴近地面运动的汽车，在其底部还要产生地面效应，运动的车轮会产生附加气流，气流的流动参数相应地剧烈变化，从而使汽车外流场具有了复杂的边界条件。运动的汽车由于其外流场所处的环境的变化，尤其是侧风的作用使得本身已经相当复杂的绕流流场更加趋于复杂化。这些变化直接导致了三维分析中的计算量大大地增加。汽车车身底部的不平整，加上保险杠、后视镜、车门把手等附件的存在使空气流场中的粘性层不仅仅局限于车身边面的小范围内，这样使得在外流场计算中，从网格划分难度到数值计算复杂程度都大大提高，而计算结果的稳定性与收敛性也受到了影响。流体力学中，目前对于高雷诺数湍流的运动机理仍然没有完全清楚，还没有建立完整的湍流体系。而绕汽车运动的外流场空气恰恰属于这种湍流，这就成为了汽车外流场计算中的又一个难题。汽车在高速运动中，除了受到正面阻力外，车身壁面相应的还会有附加阻力和升力，其产生的原因是绕流空气不断从车身表面分离形成涡流，而涡流产生与迁变带走了大量的能量。对于这种复杂的外部流动至今人们也没有能全面深入地掌握它的规律。道路环境下，汽车所面临的情况将更为复杂，行驶状况的变化，如超车、汇车、瞬态侧风的影响，都使得汽车始终在一种非定常流场中运动。汽车流场结构的复杂性与特殊性，特别是非定常、湍流、旋涡分离等典型流动特征，使得数值仿真面临了重重的挑战。经过以上的分析综述，可以得到汽车流场数值模拟的主要发展方向：( 1 ) 前处理阶段( 几何模型建立和网格的划分) 中为了能得到对整个模拟过程最有益的模拟模型，应当寻求更加先进的几何建模的手段和网格生成的技术。网格生成根据汽车外流场的不动部分的流场的不同情况，进行合理分区，使用具有相适应特征的网格就有助于显著提高解题的精度、计算的收敛性和稳定性。( 2 ) 发展更好的计算方法与仿真程序，促进使用大尺度涡流模拟d , 尺度湍流模型方法求解n s 方程组，伴随着计算机技术的快速发展，使得模拟计算的结果日趋精确。( 3 ) 对汽车表面产生的分离涡流和湍流进行更为深入地研究，从而发展相应7基于c f d 的汽车外流场数值模拟及车身造型优化的更具先进的流体流动计算模型。风洞试验表明，汽车周围的流动大多为较强的大小涡混杂的湍流，而且汽车底部与地面的边界层产生干涉也出现湍流。因此进行汽车周围流场的数值模拟必须通过求解粘性流体湍流方程才能使模拟精度提高。2 3 流体动力学基本控制方程流体流动要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流体的流动包括不同成分( 组元) 的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流体流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流运输方程，而控制方程就是这些守恒定律的数学描述【9 1 。2 3 1 连续方程( 质量守恒方程)该定律可描述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间内流入该微元体的净质量：塑a t + 掣+ 等+ 掣= o( 2 - 1 )a z。a y。a z一。，其中p 为流体的密度，u 、v 、w 分别是流体速度矢量在z 、y 、z 方向上的分量。对于不可压可压缩流体，p 为常数不随时间变化，故式( 2 1 ) 变为：d i w = 0( 2 2 )2 3 2 运动方程( 动量守恒方程)动量万栏是任1 司流体流动系统郡必须涌足的基本规律。该定律口】表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。等+ 掣+ 掣+ 掣= 最( p 勃+ 昌( “秽+ 兰( p 窆) 一瓦a p + s u ( 2 3 )署+ 掣+ 警+ 掣= 袅( p 勃+ 茜( p 劫+ 叠( p 笏一考+ s v( 2 4 )警+ 掣+ 警+ 掣= 最( “篝) + 昙( “书+ 豪( p 篆) 一塞+ s w ( 2 5 )式( 2 3 卜- ( 2 5 ) 分别是x 、y 、z 方向上三个分量的动量方程，简称动量方程，又称n a v i e r - s t o k e s 方程；s u 、s 、r 、s w 是动量守恒方程的广义源项；p 是流体微元体上的压力；弘为流体的动力粘度。当流体是不可压时，s ”s 。、s w 均为0 。工稃硕士学位论文2 3 3 能量方程能量守恒方程是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可表述为：微元体中的能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力于面力对微元体所做的功。根据内能i 与温度t 之间存在的关系i = c p t ，其中c p 是比热容。这样就可以得到以温度t 为变量的能量守恒方程：警+ d i v ( p u t ) = d i v ( 麦g r a d t ) + s t( 2 6 )该式的展开形式为：等+ 警+ 警+ 掣= 最怎薏) + 茜皓$ + 兰( 毒翁+ s t ( 2 7 )式中c 。是比热容；t 为温度；k 为流体的传热系数；s t 为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，也称为粘性耗散项。而且p = p ( p ，t ) ，该状态方程对理想气体有：p = p r t ，其中r 是摩尔气体系数。对于不可压流动流体，若热交换量很小一致可以忽略时，可不考虑能量守恒方程。这样只需要联立求解连续方程和动量方程。2 4 计算流体力学常用的数值计算方法汽车c f d 按其采用的数值解题方式可以归纳为有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n tm e t h o d ，f d m ) 、有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 和有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，b e m ) - - 大类【9 1 。( 1 ) 有限差分法有限差分法是数值解法中最经典的方法。它是将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程( 控制方程) 倒数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求差分方程组( 代数方程) 的解，就是微分方程定解问题的数值近似解，这是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法。差分法用于汽车空气动力学数值计算中是从2 0 世纪7 0 年代后半期开始的，于2 0 世纪4 0 年代末期通过对非定常不可压缩流体的n s 方程，用差分法直接计算了m a z a d ar x 7 轿车周同的三维流场。2 0 世纪9 0 年代初，对三种典型汽车周围不可压粘性非定常空气流场进行了数值模拟。这种方法发展较早，比较成熟，较多的用于求解双曲性和抛物型问题，用它9基于c f d 的汽车外流场数值模拟及车身造型优化求解边界条件复杂、尤其是椭圆形问题不如有限元法或有限体积法方便。( 2 ) 有限元法有限元法是随着计算机的问世而发展起来的一种新的数值方法。它是将一个连续的求解域任意分解成适当形状的许多微笑单元，并于各单元分片构造插值函数，然后根据极值原理( 变分或加权余量法) ，将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值之后，即将局部单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。有限元法首先应用于6 0 年代飞机结构设计中。此后，有限元法逐渐在水利、船舶、土木建筑和机械工程等工程计算中得到了应用。有限元法用于汽车周围流场的数值模拟从2 0 世纪8 0 年代初才开始，此后取得了很大成就。近年来的实践表明有限元法可以适应复杂的几何形状，能统一处理各种边界条件，便于编制通用的计算机程序。因此，有限元法作为最通用的有效方法，应用日益广泛并得到普及。( 3 ) 有限体积法有限体积法( ( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) 又称为控制体积法( c o n t r o lv o l u m em e t h o d ，c v m ) 。其基本思路是将计算区域划分网格，并使每个网格点周围又一个互不重复的控制体积：将待解微分方程( 控制方程) 对每一个控制体积积分，从而得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量i 。为了求出控制体积积分，必须假定i 值在网格点之间的变化规律。从积分区域的选取方法看来，有限体积法属于加权余量法的子域法，从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方法，简而言之，子域法加离散，就是有限体积法的基本思想。有限体积法是近年发展非常迅速的一种离散化方法，其特点是计算效率高，目前在c f d 领域得到了广泛的应用，大多数商用c f d 软件都采用这种方法。2 5 汽车外流场计算的内容及步骤c f d 方法是对汽车周围三维湍流流场的控制方程用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。求解偏微分方程的数值方法主要分为有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o df d m ) 、有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o df e m ) 及有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o df v m ) 。目前计算所采用的国外大型c f d 软件如a n s y s f l o t r a n 、s t a r c d 、c f x 、f l u e n t 等均利用有限体积法，并且还提供多种湍流的计算模型可供选择。在考虑湍流中涡流因素的影响和雷诺数效应时r n gk 吨模型比标准k - 计算精度更高，需要的内存少，较适用于汽车外部复杂流场的计算。在车型开发中，可i o工程硕士学位论文以用于概念设计阶段的气动优化，也可以作为风洞试验的形态补充。因此，本课题开展汽车外流场数值模拟的步骤如下【1 0 , i l l ：( 1 ) 建立所研究问题的物理模型，再将其抽象成数学力学模型；( 2 ) 用c a d 软件建立汽车形体及三维流场区域，形成计算区域的c a d 模型；( 3 ) 将计算域进行空间网格剖分；( 4 ) c f d 软件调用前面形成的模型及数据文件；( 5 ) 确定边界条件，包括入口与出口处的边界条件、壁面边界条件。边界条件在数学上要满足适定性，在物理上要具有实际意义。要注意在考虑了相对运动和地面效应等之后的边界条件的确定，不要矛盾和重复；( 6 ) 设定具体的求解过程和精度的一些控制参数和条件，对需要分析的问题进行求解，结果以数据文件保存；( 7 ) 进入后处理，读取计算结果文件，可以用图形表达出来。观察其结果，若与真实情况不符则重复上述步骤直到得到满意的数值解。2 6 本章小结目前c f d 这一方法正日益受到重视，在汽车工业中逐步发挥它的优势，成为汽车设计中有效的、先进的现代设计方法。c f d 的应用最主要的问题在于计算精度不如风洞试验的计算精度高，但是应用c f d 开发的时间短( 加快设计开发速度，缩短开发周期，这在目前竞争激烈的汽车行业中具有重要意义) ，所用经费也少，而且模拟流场不受支架的干扰等限制，对物理现象比较清晰的问题，用c f d 的方法解决更快。在某种意义上比理论和试验对流体的运动过程认识的更深刻，更为细致，不仅可以了解气流运动的结果，而且还可以了解整体与局部的细致过程，能得到一些试验手段所得不到的理解和认识。虽然目前的数值模拟精度还有待更进一步提高，但是已经取得了很多重要的成果，并且应用到了批量生产的汽车设计中。目前由于所分析的汽车外形的细节部位越来越复杂，以及所需要求解的问题本身的复杂程度，c f d 对网格划分、算法精度等都提出了较高的要求与挑战。但是随着计算机技术和湍流理论的发展，c f d 终将能完美地满足汽车车身外流场数值模拟计算的需要。基于c f d 的汽车外流场数值模拟及车身造型优化第3 章车身外流场空气特性分析及数值模拟3 1 车身外流场空气特性分析3 1 1 空气流体力学模型客观上存在的实际流体，物质结构和物理性质非常复杂，如果全面考虑它的所有因素，很难提出力学关系，需要对其简化。首先可将研究气体视为“连续介质”，这样在分析气体时就只考虑外力作用下的宏观运动，并且能够运用数学分析的连续函数工具【1 2 , 1 3 】。由于分子间的吸引和不规则运动，气体在流动状态下呈现出粘性，所有的气体都具有粘性。因此流层之间由于速度差产生了切应力，其大d , 如- f 式( 3 1 ) 【9 】：百= i x l i m a n 一，o 五a n = 斗詈( 3 1 )其中a n 为沿法线方向的距离增量；u 为对应于n 的流体速度的增量。式中笔为法线距离上的速度变化率。p 称为动力黏度( v = ：为运动黏度) 。但是在很多情况下粘性对流体的影响不大，可以忽略。为了简化问题，将这种不考虑粘性作用的气体称之为理想气体。对于某些必须考虑粘性的问题，也可以先当作理想气体分析，得出主要结论后再加以补充和修正。气体在流速、温度变化不大的情况下，可以看作是不可以压缩的，即空气密度p 在此环境中保持不变。3 1 2 空气动力学原理及其特点空气动力学是物理学的一个分支，它研究的是空气的运动，尤其着重于研究物体和空气之间作相对运动时，空气对物体所施加的作用力的规律。汽车空气动力学是空气动力学的一个分支，是研究汽车周围的流场，分析作用在汽车上的气动力和力矩来改善汽车运行时气动性能的科学【1 4 】。汽车是形状复杂的近地面行驶的钝头体。汽车表面是复杂的三维曲面，特别是底部的凹凸不平使流动参数沿汽车运动方向呈非周期性交化；底部地面效应形成了汽车特有的复杂边界条件，流动参数沿垂直方向变化剧烈。汽车的工作环境也比较复杂。侧向风使得汽车尾部周围的流场不对称，更增加了流场复杂性。这就使汽车绕流流场十分复杂，典型流动特征为三维、粘性、分离和非定常。空气粘性会在车身表面产生边界层。由于车身底部外形的凹凸及车身附件如1 2工程硕士学位论文保险杠、门把手、后视镜、天线等干扰作用，粘性并不局限于车身表面较小的“边界层”范围，需对汽车周围的流场作整体考虑，由于流体的边界层在计算流体力学中对网格的要求比较苛刻，这不仅仅使计算量大大增加，且使网格生成困难。而网格系统的复杂性将直接影响数值计算的稳定性与收敛性。分离流动是汽车外部典型的、不可避免的一类复杂流动现象，大量方法并不能直接应用于具有大尺度分离旋涡流的数值仿真。流体分离将车身壁面附近的涡量不断输送到流场中其它部位，形成大尺度旋涡。这些旋涡不断从车身壁面脱落流向下游，与此同时新的旋涡又不断形成。从能量观点看，这些流向下游的旋涡带走了大量能量，其具体表现形式为作用于车身壁面上的相应附加阻力和升力。滴流湍流无赫住影响的外部气流图3 1 典型车辆绕流流场副汽车流场结构的复杂性与特殊性，也是造成流体流动的非定常、湍流、旋涡分离等典型流动特征的重要原因。总之，由于车身形状和车辆的行驶条件决定了汽车的外流场复杂性。3 1 3 汽车受力模型的简要分析汽车行驶时除了受到来自地面的力以外，还受到它周围气流的气动力作用，气流的作用主要是产生的升力和阻力，当有侧风存在时，来流速度1 ，和汽车对称平面之间有横摆角( y a wa n g l e ) 譬，由于横摆角的存在，在汽车上还作用一个侧向力。三个气动力的合力在汽车的作用点称为风压中一t 二, ( c e n t e ro f a r ip r e s s u r e ) ，记作c p 。将汽车空气动力坐标系的原点取为车辆纵向对称面与地面的交线上，前后轴中线的交点处，将气动力的合力在坐标系上分解为三个力和三个力矩，方向如图3 2 两图所示。三个力和三个力矩的统称为六分力【】。基于c f d 的汽车外流场数值模拟及车身造型优化侧倾刖正x 图3 - 2 1 汽车空气动力坐标系1 1 7 】与垂直运动z 仰i b -侧偏y 图3 - 2 - 2 汽车空气动力坐标系而其中空气作用于车身的沿z 轴向煎车行驶方向，的分力称为空气阻力，空气阻力的大小为：f x = 妄c o a p v 2( 3 2 )式中：c d 为空气阻力系数；a 为汽车的迎风面积( m 3 ) ；p 为空气的密度( k m m 3 ) ；v 为汽车的速度( k i n h ) 。由公式( 2 2 ) 可知，要降低f x 可以考虑c d 、a 、p 、哒4 个参数，而其中p 为空气密度，在不可压空气模拟分析中为不变；为车速，是可以改变的对象；所以在不降低车速的基础上，要降低空气阻力f x 只能考虑如何进一步降低汽车的迎风面积a 和空气阻力系数c d 。原则上迎风面积越小空气阻力就越小，但是考虑到乘员身体高度等因素的制约，迎风面积a 也不是可以无限制的加以降低，所以迎风面积的改进空间比较小。另重要因素就是考虑降低空气阻力系数c d ，而大量的试验表明，1 4工程硕+ j 学位论文降低空气阻力系数c d 主要应从汽车车身结构着手。在本论文中，我们将通过修改车身的外形结构利用c f x 软件模拟分析得到不同车身结构下的空气阻力系数，然后进行不同车身结构下空气阻力系数的对比。3 1 4 在外流场数值模拟中几个假设【7 】在本课题对汽车外围流场的模拟计算中，根据汽车流场的特点和计算方法的需要，对外流场特性作必要的假定条件，其主要假设如下：1 介质的连续性在汽车绕流的模拟计算中，认为气流是连续的。由分子运动论可知，气体分子的自由行程为1 0 l m m 。这个数值与汽车的特征长度相比是高阶小量，即：i l i 。而通常讨论汽车空气动力学现象的变化范围一般和汽车的特征长度属于同一数量级，故认为空气是连续介质。2 流场的定常流场情况随时间变化的流动称为非定常流动；流场情况不随时间变化流动的称为定常流动。在本课题的研究中采取的数值方法为“s s t ，- 应力传输模型，着眼于对汽车附近外流场的研究，流场中任一质点的物理量不随时间的推移的而变化，表现出定常的特性。3 空气不可压流体的可压性是当压力和温度改变时流体体积或密度变化的一种度量。压缩性模量定义为流体相应的体积变化量与压力变化量之比p = 三= 一三业= 兰生(33)kvd p= 一= 一一一= 一 p d p、一。一7式中k 一流体的弹性模量，即体积弹性模量：v 一来流速度；p 一压力；卜流体密度；对于气体而言，其体积弹性模量与压力相等或与压力为同一数量级。例如空气的k = 1 4x1 0 2 k p a ，而水的k = 2 2 1 0 3 k p a ，这意味着空气的压缩性是水的2 0 0 0 0 倍。于是得出相应的密度变化为：业=了dppo c 嘤k = 罢a( 3 4 )p由此得出结论：如果流速与声速相比足够小，及马赫数u a _ 0 2 5 时，气体的压缩性可以忽略不计。基于c f d 的汽车外流场数值模拟及车身造型优化汽车的行驶速度一般低于5 0 m s ，常温下，声速为3 4 0 m s ，故汽车流场可以采用不可压缩流来处理，不会引起较大的误差。4 流场等温认为汽车流场中的空气的温度不变。5 气流介质各向同性汽车行驶时，基于长度的雷诺数高达1 0 6 量级，所以将空气视为各向同性。3 2 技术研究路线本文重在对汽车外流场数值模拟结果的分析从而进行局部造型优化。此外，本文基于u g 几何模型的造型改动，而是对有限元结构模型进行调整，然后进行后续计算，最后根据分析结果对车身几何造型提出改型建议。其总体研究路线图如3 3 ，各环节的详细路线叙述如下：、 f 1 s图3 3 技术流程图u g 模型：在本文中，直接使用现有的某商用车u g 数模。原始几何模型参数为：4 0 1 5 m m x1 6 3 5 m m 1 8 6 5 m m 。模型对汽车实体表面作了简化处理，省略了门把手、油孔盖等部件，同时对底部等作了平整处理。这些改变对流场总体特性并没有大的影响，却降低了计算的强度和对计算机的要求，提高了计算经济性。h y p e r m e s h 面网格生成：运用c f d 对汽车外流场就进行数值模拟的过程中，网格的质量关系着计算的精度。在本文研究工程中，所取的网格大小：车体基本网格大小选取2 0 m m ，a 柱处取网格大小1 0 m m ；发罩与翼子板连接处大多处于气流分离位置，进行适当加密，取1 0 m m 左右；格栅网格按格栅几何尺寸适当选取；气流分离位置进行1 0 m m 左右的加密；窗框位置按具体几何尺寸进行加密，一般为1 0 m m ；后视镜网格取1 0 m m 。风洞壁面网格取6 0 0 m m ；整车在地板上的投影部1 6工程硕士学位论文分进行5 0 r a m 的加密；地板上整车尾部向后半车长的位置进行5 0 m m 加密。此外，在本文的研究中，对汽车车身造型的局部改进主要是基于网格的调整，通过改变有限元网格结构模型，进而为车身及几何造型的优化提出工程建议。i c e m 生成体网格：c f x 的前处理模块i c e mc f d 向用户提供业界领先的高质量网格技术，其强大的网格划分功能可满足c f d 对网格划分的严格要求：边界层网格自动加密、流场变化剧烈区域的网格局部加密、网格自适应功能用于激波捕捉、分离流模拟、高质量的全六面体网格可以提高计算速度和精度等。本次仿真采用较为复杂的空间四面体网格，在计算敏感区( 壁面附近、尾流区、外形曲率大的表面处) 的网格进行加密，以满足计算的需要，在非计算敏感区的网格相对稀一些。此外，在贴近轮胎、车身、后视镜的流场区域生成适当的棱柱层以更好的模拟环境。c f d 计算( c f x ) ：在c f x 运算中，本文选取s s t ( s h e a rs t r e s st t r a n s p o r t )模型对汽车外流场进行数值模拟仿真。在现阶段国内外汽车外流场的数值仿真研究中，通常应用n s 方程耦合双方程湍流模型对湍流现象进行模拟，而在双方程湍流模型中普遍使用的是k - e 模型。但是因为( 1 ) 在k - 模型中湍流尺度是未知的；( 2 ) k - e 模型仅局限于湍流边界层压力相对稳定的情形：( 3 ) 其壁函数在边界层的修正中难以弥补计算模型与实际物理现象之