（车辆工程专业论文）三维轿车外绕流场数值模拟.pdf

硬七论文三维轿车井绕流场数值模拟 摘要 轿车高速行驶时，所受到的气动阻力占总阻力的半以上，而且气动升力、 侧向力等对轿车的行驶稳定性、安全性商着至关重要的影响，因此研究高速轿车 努绕凌场虽餐意义重大。本文将霹芸螫赣车进行钤淡场熬数蓬模数，其主要交察 有： 1 建立轿车外绕流动的物理和数学模型； 2 利用结构纯、非结构化瓤半结构化婀播，对轿车岁 滚场采用分送法划分网 格； 3 采用有限体积法离散控制方程，并利用s i m p l e 算法对压力和速度进行耦 合求解： 4 。寻求合理懿溃流摸黧劳遴嚣模囊；i 毒 冀与试验骏涯： 5 进行轿车外绕流场的模拟，分析不同工况下的流动特性，遴一步探讨移动 土电面边界和网格精度对模拟结果的影响。 关键词：轿车，外流场，c f d ，n - s 方程，湍流模型 三维轿车舛绕流场数值摸攒 a b s t r a c t f o rt h ec a r sa th j l 醢s p e e d s ，t h ea i rd r a go c c u p i e sm o s to ft h et o t a lr u n n i n g r e s i s t a n c ea n dt h el i f t i n gf o r c ea l o n gw i t ht h es i d ef o r c eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h e d r i v i n gs t a b i l i t y , t h er u n n i n gs a f f ya n d s oo i l ，s ot h es t u d ya b o u tt h ee x t e r n a lf l o wf i e l d a r o u n dt h ec a l s u r f a c ei so fg r e a ti m p o r t a n c e 。t 疑n u m e r i c a ls i m t f l a t i o no ft h e e x t e r n a lf l o ww i l lb ed o n ei nt h i st h e s i s t h em a i n p a r t sa r ea st h ef o l l o w i n g ： 1t h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rt h ee x t e r n a lf l o wf i e l da r o u n dt h e c a rs u r f a c ea r es e tu pi nt h r e ed i m e n s i o n s ， 2t h eh y b r i dm e s h e sf o rt h e s e p e r a t e dz o n e so ft h ee x t e r n a l f l o wf i e l da r e g e n e r a t e du s i n g t h es t r u c t u r e d ，u n s t r u c t u r e da n dt h es e m i s t r u c t u r e dg r i d s 3t h er a n s e q u a t i o n sa r ed i s c r e t i z e dw i t h t h ef v mm e t h o da n dt h ee q u a t i o n s o ft h ep r e s s u r ea n dv e l o c i t ya r es o i v e dw i t ht h es i m p l ea l g o r i t h mi nac o u p l i n g m e t h o d 4t h eo p t i m a lt u r b u l e n c em o d e la n dt h ew a l lf u n c t i o na r es e l e c t e d b yt h e n u m e r i c a lv a l i d a t i o n 5t h es i m u l a t i o no nt h ee x t e m a if l o wf i e l da r o u n dt h ec a rs u r f a c ei sw e l lf i n i s h e d 7 而of l o wc h a r a c t e r i s t i c sa r ec a r e f u l l ya n a l y z e d j 乃瞎e f f e c to ft h em o v i n gg r o u n da n d t h ea c c u r a c yo ft h em e s h e sa r ea l s od i s c u s s e d t h en u m e r i c a lr e s u l t sa r ei ng o o d a g r e e m e n t w i t ht h o s ef r o m e x p e r i m e n t k e y w o r d ：c a r ，e x t e r n a lf l o wf i e l d ，c f d ，n - se q u a t i o n ，t u r b u l e n c em o d e l 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 表或公布遵的研究成果，也不包含我为获褥任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中 乍了明确的说饔。 研究生签名：童整凰金衅阳矛瑟 学位论文使熙授权声骥 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阑 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权艇保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或郝分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：i 虹固金啤年汨占日 颈二论文 兰维鹱车肄绕凌场数蓬搂拦 l 绪论 1 1 研究背景及意义 汽车在茭一吾多年翡发矮掰程中，绘人类匏生活豢米了速度、效率莘瑟文窝， 不断的改变着人类的发展史。汽车被誉为“改变世界的机器”，汽车工业已成为 全球最大的制造业。 发动瓤、疯鑫蠢车身是汽车豹三大郝传。缀理汽攀躲发震历稷，发动规窥底 盘的生产已经邂渐形成系列化。随着社会的发展、科学技术的进步，人们不仅关 心汽车的造型艺术效果，而且n 对它的性能、安全、节能方面的要求越来越高。汽 车空气动力特性对汽车的动力性、经济性靼操纵稳定性郯有着直接的影响。研究 裘磺：汽车车遮达蜀7 0 公篓拜亨左右露，气动隘力与滚渤毽力死乎稳等；车速达 到1 5 0 公里时左右时，则成为行驶阻力的丰要部分“。汽车的气动阻力与行驶 遮度的平方成正比，而与之相关消耗于气动阻力的功率与速度的三次方则成正 吃。汽车豹气动疆力是壹发动毒晁产生戆露弓| 力寒克骚豹。在汽车离这行驶时，发 动机的功率中绝大部分是瘸来克服气动戳力而做功消耗掉的，因藏气渤阻力相应 也直接影响汽车的燃油经济性。另外，汽车的气动力逐影响到汽车行驶的操纵稳 定性。困此车身造型除艺术效果外，必须具有良好的气动力学性能，即具有良 好懿气动乡 形。簿低空气隧力系鼗、掇嵩汽车的气动稳定性等方鬻都 毒瑶出汽 车工业发展的新要求。 在我国，由于近几年道路交通状况的普遍改善和离速公路的发展，汽车高速 行驶款时闽比率大大臻热，乎穆车速丈溪雄高。提裹汽车戆行驶车速，专要煮增 大发动机功率和减小空气隰力两条途径。增大发动机功率会使汽车臼重增大、布 溉困难、燃油消耗增加和污染排放加重等系列问题。若能减小空气阻力，不仅 可搜车速提嵩，丽且意味蓉溜耗降低，裔利于环傈。舄外，世界能源紧缺以及困 家可持续发震战略的制定，也导致莓内汽车空气动力警方霞的研究氇逐渐舞温。 汽车空气动力特性的评价和研究，历来以风洞试验为主。”。在传统的车身设计过 程中，主要依舷试验方法，包括风洞试骏法和道路试验法。一部汽车通常进行数 卡次甚至死吾次的菇漏试验，裁爨数吾小时，可见强溺试验豹费瘸愚耀当可观涎。 风洞试验又分全尺寸试验和缩尺模型试验。因为全尺寸试验的费用特剐高，道路 试验法又经常受到天气、道路情况和交通状况的影响，所以目前大多采用真车缩 尺模型强溺试验法。 近凡年来，随着汽车空气凌力特径研究的深天，融溺试验蔑模瓣扩大，疆突 歌卜论文 三缝轿车外绕流场数壤攘瓤 需要的数据已经超出了风洞试验的输出能力，导致试验费用直线上升。因此人们 一点在摸索更经济有效的研究方法。随赣计算机和计算机计算技术的发展，计算 淀俸力学( c f d ) 瓣建论秘方法己在汽车空气动力学魏礤究中获霉了广泛匏应震。 汽车空气动力性的c f d 模拟，是借助于计算机，将c f d 理论应用于汽车空气动力 学研究的一种方法，即模拟汽车风洞试验的工况和实车行驶的工况，在计算机上 模拟吹风，运爝数值分毒厅敬方法，计算、模越汽车的空气动力学阅然，为获撂良 好的汽车车身气动外形提供理论依据”。数值模援己经成为汽车空气动力特性研 究领域行之有效的方法。 汽车空气动力学仿真是现代车身设计方法的三大关键技术之一，赏穿于新车 登麸设诗舅产菇惶爱努辑瓣全过程。磐褥燹存效熬凌c f d 模整技术疲臻至l 汽车车 身的开发设计中，己成为全球汽车工业的前沿课题。我国是一个人口大国，汽车 尤其是轿车的需求是巨大的，目前又面临世界经济一越化的挑战，因此汽车行业 竞争i 常激烈。汽车空气动力瞧是决定汽车在激烈的市场竞争中取矬的重要2 凌 麓，只有最佳气动外形的车囊造型巧会有生命力。因此键高稻改善汽车的空气动 力学特性具有熏要的现实意义。 1 。2 国内辨研究状掇 汽车车身空气绕流研究是在飞行器空气动力学数值模拟的基础上发展起来 f l 奄。许多残功躲飞行器c f d 模叛方法鼓移挺到汽车车囊空气绕流吞丹究中。但汽车 空气动力学禳拟存在着拖丽效应、车轮麓转效应，因此与飞行器鲸空气动力学研 究有着很大的麓别。近年来，由于风洞试验和道路测试技术已经不能满足更快速 艘开发出更经济、安全、舒适的汽车的需袋，数值仿真在汽车流场研究中的重要 ；凌不断增翔，应蠲范围不鞭扩大。汽车绕濂鼗僮模撅瓣方法主要毒隳大类：线性 方法和非线性方法。2 。 面元法是线性方法的典型代表。该法不考虑空气粘性和漩涡流渤，汽车绕流 麓纯为理想流体的有势流，不可压 定卷n s 方程组将麓化为线牲l a p l a c e 方程， 利用g r e e n 定疆把l a pl a c e 方程交成边界积分方程，源、汇、偶梭子和涡( 它们 统称奇点) 等简单解析函数作为满足l a p l a c e 方程基本解，将它们与均匀来流叠 加，以满足任意形状车身表面的边界条件。车身表面可用有限数目小蕊积即面元 秘以覆盖。在簿嚣元土毒鬟滚、漏等瓷点，筐来漉德转并漤车赛袭嚣滚动。翻 用流速与每一丽元上特定位簧处相切的辫流条件，可得一组方程式。浚方程组可 用以求解面元衡点的强度。这样便确定了包含直匀流和其它奇点诱导的合成流 场，麸瑟褥出渡场中任一点楚爨速发稠压力”3 。鞠年代，p 。e 。p u b b e r t 毒h g r s a a r i s 等对飞机周圈的流场进行了数值模毅。1 9 7 7 年德国大众公司的a h m e d 颤士论文 三罐轿车扑绕渡撼数值模拟 和h u c h o 利用面元法对有簇货车绕流流场进行了计鞯，顶蓬和前部驻点区域的 流场同试验结果基本一致。国内的湖南大学“”，西安公路交通大学。，也对汽车 袭嚣兹压强分蠢遘行了数穰萎蒡变。近年寒，虽然通过秃穗模攒由糖羧g l 霆嚣分囊 现象，改进了附着流区的联力预测，但仍难于对车身厩部的压力进行预测，这方 掰的研究仍在进行。 有限差分法( f d 砌、有限元法( f e m ) 和有限体积滚( f v m ) 是求勰菲线性e u l e r 和n s 方程缀瓣三静主要懿数值格式”。有隈元法亩试探西数演交谣采，懿交分 法为基础早期被应用于结构计算，而聪在水利、船舶、机械等工程计算中获得 了广泛的应用。7 0 年代有限元法在流体力学应用中敬得了重大进展，我国也开 鲶繁蠲有袋元法。壹至l8 0 年代，该法才在汽车藉蛙绕浚戆诗算中怒翻应爱，霾 前在高速列车气动特性的计算中已大量应用“”。吉林大学的高利应用此法对 汽车空气动力学特性进行了有益的探索“”。有限元法在处理湍流计算时比较困 难，尤其对全s 方程的扩散项的处理存在缀大的难度，往往引起缀荡或数值耗 散，甚至因这代不稳定面尊敬不收敛。因流体力学闽趱大部分是菲定常静，有限 元方法求解量大。在这方丽还不如有限熬分法和有限体积法有效。但是近年来， 该法在汽车空气动力学特性研究方面进展迅速，不失为一种有效的方法，具有较 大鹣潜力。蠢羧差分法是剩建羞分替我微分方程辍中戆德微分，褥劐谯应弱差分 方程组，从而求解微分方程的方法。有限差分法早在二十世纪初就开始应用于数 值分析，随着两方汽车工业发达国家汽车工业的发展，高速公路网的迅速建设， 车辆特剐是小骚车豹孳亍驶遮鹱提高很快，有限差分法开始引入汽车空气动力学模 撅。8 0 年代中期，应靥有限麓分法对定常不可压缩静裳汽车体 0 4 5 酌汽车，形状隧力掰占的吃蘩缀小，僵对于c 。 o d 8 必 o 舂8 方向相同，稳定 方向不同，不稳定 碳士论芟三维轿车外绕流场数值模拟 若侧向力过大，还会导致汽车的侧倾甚至侧翻。高速转弯时，汽车易受到很 大的由离心力引起的侧向力，致使汽车沿侧倾中心转动。这就是弯道路面左右不 等高的原因。 2 1 3 汽车的行驶环境及坐标系 假设汽车以均匀的速度、在平直理想路面上行驶，大气环境为无风、雨、雪 等有碍行驶因素的良好天气。为方便三维建模及边界条件的处理，本文将坐标系 建立在地面上，原点位于汽车纵轴线于地面投影的最前端，驾驶员的左侧为x 轴， 汽车前进方向为z 轴，y 轴垂直地面竖直向上，如图2 1 3 所示。 图2 1 3 数值模拟坐标系 2 1 4 仿真模型的确定 目前，上海大众汽车有限公司一改从国际上引进先进车型的做法，走上了自 主丌发新车型的道路。桑塔纳2 0 0 0 型系列轿车共有g l s 、g l i 、g s i 三种车型， 其中g s i 较为先进，但改进主要集中在发动机的更新换代和底盘的局部改进1 。 尽管桑塔纳3 0 0 0 已经下线，但其车身外形与桑塔纳2 0 0 0 型系列轿车相差不大， 只是其尾部结构鸭尾特点更加明显。桑塔纳2 0 0 0 g s i 型轿车如图2 1 4 和图2 1 5 所示： 颧士论文 兰维鞒车外绕溅埚数值攘拟 图2 1 4 基本外形尺寸图 图2 1 5 桑塔纳2 0 0 0 轿车的三视图 本文将以此车型为依据建立模型并进行分析。因为实际的车身衮面突起物很 多翅刮雨器、瑟撬镬、f 1 把手、天线等，另努发动援冷帮系遂气疆、驾驶室透气 门等地方的结构非常不利于网格的生成。阕此，要对该型轿车进行进行建模，需 谶行简化。简化要点如下： 1 真实汽车豹车身表露并j # 光滑，具肖车灯、f j 拣手、刮雨刷、天线积后 褫镜等表面突怒锈。本文在建模过程中将忽略这些部 率，忽略轮胎懿旋转效应， 把汽车外形视为光滑的曲面钝体处理。 2 ，目前轿车车体长度般为4 米左右，限于条件不可能对整个流场一起考 虑，因觉本文中将取舞绕浚臻豹一半透露处瑾。 3 因为汽车的速度范围为o 5 0 m s ，轿车特镊长度4 4 1m ，空气粘度 1 7 8 9 4 x 1 0 ，敞雷诺数小于1 5 7 1 07 ，故轿车绕流擞不可压缩高谮诺数流动， 空气相对汽车缝流处于完全壤流状态。 4 地面效应问题：由予汽车底盘与士| 鱼鹾之间静躐离穰小，导致了复杂的逡 酾边界层，目酊仍无合适的湍流模型可以适用。本文将车身下部的流动简化为一 般的湍流柬研究，对比固定地面和移动地面两种边界条件对结果的影响。 据以主要点建立秘凡侮援垄始鹜2 1 6 所示： 龠萤 硕士渣文 三绻轿车外绕滤坜数擅模拟 图2 1 6 几何模型示意图 2 2 汽车车身绕流的数学模型 2 2 。1 控制方程 数学模型的选择对模拟结果起着决定性的影响。汽车外流场一般为定常、等 瀑斧u 不可压三维流场，其控制方程如下： 连续方程： v 矿。韭+ 堡+ 丝：o( 2 2 1 ) 融 砂 出 n a v i e r - - s t o k e s 方程( 瓣s 方程) ： 护v 舻：卢一婴十内2 矿( 2 2 2 ) 、。 p 大多数磺究者麸n s 方程基发来硬究嵩r e y n o l d s 数豹渡滚运动。将寞实速 鹰矿及压力p 写成平均量和脉动量之和： 旷：歹+ 驴p ：f + p ，( 2 2 ，3 ) 其中： 矿= 巧，玛) ，弦= ( 最，焉，曩) 。 对( 2 2 ) 动量方程取平均，并注意鞠珥= z e + 孵且： 矿盟：盟( 2 2 4 ) 融j瓠， 褥戮平均运动豹凌量方程： 该 论文 兰缝轿车於绕谶妫数蕊模拟 矿盟：上堕+ u 旦卫一翌( 2 2 5 ) 一x i pa x 。 瓠| 瓠i 瓠t 逶鬻把这一方程称作r e y n o l d s 方程。方稳右边第二矮在基滚运动中体现了旗性 的作用，记i * 豢，则该项写成上等。类似的，找们记r ；= 一p r y ；p ，则 晰搬 ” 方程右边最后一项可写藏三挈，被猿为雷诺( r e y n o l d s ) 纛力。 p 出 。 对于控制方程，可写成统一的形式： 昙+ 导十善= g 吖t t 弼g 式- ；+ 参( 吾静辩割 十r ( x ，j ，z ) ( 2 2 6 ) 一h 式孛，亳端为对滚磺，右溃兹三矮为扩毅瑷，r ( x ，扎z 为广义源磺( 源j l 中包括了所有不能归入队流项核扩散项的项) ，p 为广义变量，r 对应于广义变 燃的广义扩散系数。 把溃漉运动瓣速度秘压力分戆为平均楚和辣动量之矮，在平均馕翡基本方程 中就出现了需落应力这一反映湍流运动的特征量。由予方程不封闭，无法慰此避 行求解。人们直在寻找能求出湍流特镊量的方法，遮一问题的研究理论称为湍 流理论。为了解决工程技术中提出的大量湍流问题，人们对管流、射流等进行了 大蹩的研究，褒试验蕊羹礁上对霉诺应力穗出了一系歹l 髅设，餐委了适应予不司 湍流流动的湍流模型。 2 ，2 。2 女一s 游溅模型 随着湍流工程技术应用的发展，对于雷诺应力的不同假设，人们提出了多种 湍流模型，并被成功应用予实践。标准g 模型、s p a l a r t - - a l l m a r a s 模型、r n g 女一苎模型、r e a l i z a b l e 未一g 模型、r s m 嚣诺应力接受建当今空气磁力学数毽仿 冀计算中常用的5 种模型，其中七一占湍流模型应用最广。国外采用七一双方程 模型在汽车外部绕流和地两效应计算中取得了相当的成功，国内也进行了有益的 警试。 本文主要采耀女一s 模登，以下蔼娶奔缮凌释模壁。 ( 一) s t a n d a r dt s 模溅 它是基于湍流湍流动能七和湍流耗散率s 的传输方程的一个半经验公式。 熬瀛动链k 静方程是经严绥擦导秀褥餮魏，然嚣渍瀛糕敬率言兹佟羧方程是兹理 鞭建文 三维轿车终绕漉壤数渣槿拟 推导和数值近似相结合而得到得“。公式推导的过穰中，假定气流完全湍流，分 子之间的粘性力可忽略。因此，标准一8 模型仅适合于充分发展的湍流，又叫 皴巍雷诺鼗禳囊。 方程： 昙协，+ 未c 砌毒j ( + 尝 芳i + g k + q 一班一k + & ( 2 。2 7 ) f 方程： 昙舻) + 毒妇毒l ( 掣+ 期毒卜；量e g k + g 矧。矿譬蝇 ( 2 2 8 ) 其中：g 。为平均速度梯度导数的湍流动能产生项， & 为浮力导致静浚流动戆产生顼， 只，为可压漓流中的扩张发散项( 溅体不可压时为o ) ， c 。c 2 。，c 3 。是常数， 盯。，盯。分别是k 利s 的湍流普朗特数， s ，s ，楚雳户鸯定义懿源矮( 滚锩不露压辩为8 ) 。 湍流粘度“由下式确定： f ，2 如2 ( 2 2 9 ) 其中：c ，是常数0 0 9 。 模型常数由试验得到： c l ；= 1 4 4 ，c 2 。一1 9 2 ，c 。= o ，0 9 ，玎女= 1 , o ，盯；= 1 3 标准k 一嚣模型是当莓汽车流场计算中运焉最为广泛的模型。今年来由于潦 流研究的发展，人们对他不断地进行了改进，得到一些淑进型。其中r n gk f 模 型和r e a l i z a b l ek s 模溅应用较为广泛。 ( = ) r n gk 一# 模型 r n gk 一疗模型来源于瞬态n a v i e r s t o k e s 方程，应用了所谓的 “r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ”( r n d ) 数学投术。r n g 女一s 模型是在标准k 一模型 纂锻上辫加了额外豹项亲计葵是和占，考虑了湍流中涡浚因素的影响昶低雷诺数 效应。其传输方程和标准露一若模型& 类似： 妄( 肚) + 毒( 咖乒毒卜耐善j 十g * + g 一一p 卜“ 心z ， 颤+ 论文 = 壤轿车秘绕溅瑶数蟹搂掇 鲁( 纠+ 毒伽乒毒l 跗考j + 吒i c 、g 。+ g 3 如) 一c 譬以蝇 ( 2 。2 。1 1 ) 其中：g 。为速度梯度导致的湍流动能产生项；瓯为浮力导致的湍流动能产 生颈；为可压湍流中的扩张发散项；c 1 。，c ：。，c 。是常数：吼，仃。分别是 k 稠菩秘反囱有效漶流蔷翘特数。s 。、冀楚蠲户垂定义熬源顼：鬟。为瓣热项。 湍流黏鹰麒由下面公式确定： ，= 心。二 ( 2 2 1 2 ) 其中：c ，楚常数0 0 8 4 5 ，盘r n d 理论褥至，与标准模鳖中的e 。= 0 0 9 非常接 近它对标准模型的改进主蒙是考虑了涡流因素( 漩涡效应) 和低雷诺数效应( 粘 度效应) 。 漩满效应表筏为采瘸瓣麴颂霆，： 耻望娑( 2 2 1 3 ) 6 l + 脓3 其中：翠一鼹占，彳。= 4 , 3 8 ，夕= 0 。0 1 2 粘度效应淡现为粘度被修正为： ，。以。，f ，q ，生 ( 2 2 1 4 ) 其中：h 。楚在无涡条件下得到的滴流黏度，q 怒流场中的漩溺鬃，口。取决 于漩涡量，般为0 0 5 。 双方程中有关常数：q 。= 1 4 2c 2 。= 1 。6 8 y ，) ( y ) ，。) ( 2 2 2 6 ) 其中 c ，= k c ；“4 ，y 。为粘性子层的厚度。 应用上式，可对、占进行体积平均求得单元平均湍流动能瓦和单元平均耗 散率亍。 土逾宜 三壤瓣攀秘绕漉场数撞攥撼 非平衡戢僦函数法考虑了压力梯度的急剧变化和气流的非平顺问题，故照邋 食霉诺数缀蔫量发生分离、挥隧菪、淡傣与壁嚣鸯强烈洚击黪滚场滟搂努诗簿。 2 3 小缩 本章主要建立了汽车务蕊漉强熬狻溪貘鍪和数学搂翟： ( 1 ) 对予三维汽车苇秀努绕滚滚动豹数藿穰稼，模鳖魏鼹立羲遵簇穆瑷的 囊实性和计算的可行憾黼个准则。数学模型应选联能最有效的殷映熙有复杂外彤 熬镪蕊熬滚滚模型。 ( 2 ) 以蒙臻翁2 0 0 0 为攘叛对象，为潞是计黪翁霹行淫，辩实车进行一定豹 简化。穰撅实车尺寸帮筒化祭件，娥立了模拟餍几俺模型。 ( 3 ) 给出了不可压流体流动的控制方程，阐述了方程的不封闭性：给嗽三 种藩誊鬻瓣k 一演瀛稹燕黪鞭方程诗雾公式，莠滓缓套缮了它蠡懿簿鬻点。 ( ) 由于汽车表麓嚣雩邋攫薄瀚边癸滋蠹，空气耱性超主溪馋瓣，流速犊近 予0 ，因此气体的流动性质发生了变化。本章给出了黩面处理的两种方法。 颧 论文 三维轿车讣缝流场数篷摸拟 3 控制方程的数值解法和网格生成 流体运动翰基本方程需鬟进行离散才缝在经过嘲椿划分的区城内进行求解。 控制方程的离散化是数值求解的重要环节。不管流场划分属于何种网格，控制方 程采用那种离散形式，都要解决压力和遴度的耦合问题，对压力进行校正。本文 中袋躅较袁滚行懿s i m p l e 罄法遂罩亍压力求解。勇努，汽车咒 罨形状复杂，稠穆 的好坏对计算结果影响非常大，因此必须根据流场特点合理选择网格。 3 。王控制方程的离散 描述流体运动的方程在般情况下属于非线性守恒方程组，不能用解析法求 解，需要转化成可用数值方法求解的代数方程组。计算时并不去求空间任意点和 经爨时劐静籍，我翻只零考惑空凌一鳃数嚣有限瓣褰数点。将控翻臻技术应爱到 控制方程上，得到可用数值方法求解的代数方程组。它楚由在每一个控制体上各 变量都守衡的离散化方程构成。 3 1 。1 差分格式 控制方程必须转化成可被数值方法求解的代数方稷。其求解方法有两种，一 耱蹙各方程单独求薅，另一耱是疆合求籍。疆秘方法移楚建立在控铡体接末熬纂 再i | j 上。控制体技术包括：1 用计算网格将求解区域划分成离散控制体的形式； 2 + 在控制体上积分控制方程得到各离散独立变量如速度、压力的代数方程；3 蓠数方程的线性化和求勰，露刭各独立变筮的更新谯。 f l u e n t 中主要应塌了韵毽卡( s 。v 。p a n t a n k a r ) 掇整的有限舔襁法来离散控 制方程。计算区域上一点p 的控制体如图3 1 1 所示。 、h h 岸 7 夕 w 7we e 7 。 s 多 s l ，l 烫3 。1 ，l 尹点控潮搏 颇卜论文 - = 二维轿车外绕流场数值模拟 图中e 、w 、n 、s 、h 、l 分别表示控制体的东、西、南、北、上、下6 个方向 界面的中点，e 、w 、n 、s 、h 、l 表示p 周围的网格节点。 任意控制体p 上，对任意传输标量妒，控制方程( 2 6 ) 转化为积分形式： 扣p 旷撕= n v 妒幽+ ，s ，卯 ( 3 1 1 ) 其中：p ：密度 y ：速度矢量f ( u ，u ，w ) 爿：面矢量 l ：妒的耗散系数 v 。：伊的梯度 邑：各控制体上妒的源项 对上式进行离散，得到： 0 妒) 。一0 p ) ，+ ( u 妒) 。一0 妒) 。+ ( w 妒) 。一( w 妒) 。 ( 罢h 警) ， + ( 等 。一( 警 ，+ ( 罢 。一( 詈 。+ 陬删， c 。， 式中：“，u ，w ：速度分量 ：广义计算变量 r ：广义扩散系数 s ：，+ 义源项 上式中左端为对流项的控制体离散形式在p 点的取值，右端一阶导数为扩散 项的离散形式在p 点的取值。 由于所有参数都是在计算网格节点上给定的，因此，边界上的变量只需要由 插值得到。对于妒的插值，可以采用线性插值( 以e 点为例) p e = 忉，+ 妒，j 2 ( 3 1 3 ) 这旱假设e 为e 和p 的中点，这便得到中心差分格式的离散方程。 如对得插值采用直接取值的方法，即 p f = 妒。，恤f 0 j ( 3 1 4 ) 妒f = p 。，- e 0 ) ( 3 1 5 ) 这便得到迎风格式的离散方程。 数值计算中常用的离散格式主要有一阶迎风格式、二阶迎风格式 q u i c k 四 阶差分格式等。本文模拟主要应用一阶迎风格式求解湍流动能和耗散率，s i m p l e 格式对压力和速度进行耦合求解。 将通用控制方程的离散形式( 3 ，1 2 ) 应用到动量方程和连续方程上，得到 硕士论文维轿车外绕流场数值模拟 相应的离散方程： 郎“= d 。6 “+ p a f + s n 沁p ， ，爿，= 0 ， 其中：j ，是面厂上的质量通量 3 1 - 2 压力校正方法 如前所述，连续方程与动量方程要独立求解且连续方程是作为一个压力方 程。但是由于不可压气流中，密度于压力无关，导致上式中的压力是隐式的。可 用s i m p l e 算法在连续方程引入压力量。 控制体面上的速度可根据动量进行平均。据此，面通量可写作： l ，= j ，+ d s ( p 加一p 。1 ) ( 3 1 8 ) 其中：p 。p 。；控制体上同一面的两侧的压力值：包含单元上速度的影响；d ， 是在厂面两侧，动量方程中口，系数的平均值酢的函数 将面通量方程式( 3 1 8 ) 代入连续方程式( 3 1 7 ) 得到一个压力方程，该 方程的求解采用目前广泛是使用的s i m p l e 算法。该算法利用压力和速度的关系来 得到压力场。 若用预估的压力场为p ，求解动量方程，则由式( 3 1 8 ) 得到的面通量，： 。，；= t ，；+ d ，切二一p jj ( 31 g ) 不满足连续性方程，因此面通量必须予以纠正。设纠正量为j ：，则纠正后的 面通量： j ，= + 彤 ( 3 1 1 0 ) 满足连续方程。 s i m p ，e 算法假定纠正量形式为： 以= d 1 0 ；一p ：) 此处p 为单元压力纠正量。 用式( 3 1 1 0 ) 和式( 3 ，1 1 1 ) 代替连续方程的离散形式式( 3 单元上的压力纠正量口7 的离散方程： d p p = p ： + 6 n 此处，源项b 是该单元的质量流率，由下式表示： n 6 = j h a ( 3 1 1 1 ) 1 7 ) ，得到 ( 3 l 1 2 ) 1 l 蛳| 一论文 蛙轿车外绕滤场数值模拟 可以求解压力纠正方程式( 3 1 1 2 ) ，得到压力和面通量后，艇可按下式逆 行纠正： p = p + + g t 。p j ，= + d ，品- p ；) ( 3 。l 。1 4 ) ( 3 i 1 5 ) 其中，a ，是压力求解的低松弛因子。纠正后豹煎遇量j ，在每次迭 弋过程中 满足连续方程鹃离散形式。 3 2 网格生成 汽车步卜部流场数值仿真的主要工作龟括如下几个部分：根据汽车的其体流动 问题选定求解隧域和流动控制方程，确定相应的定解祭件，然后将微分方程离散 到喇格上进行求解，得到搬应的仿真结累。仿真计算首先需在求解域内构造网格， 然后孝姥离靛袋解。餐汽车凡何形状复杂，蕊网格黠计舞结栗又影嚼壤大，敲诗 辩网格的生成建汽车外部流场仿真面临的主要困难之。 流场仿真采用的网格类型主要有两种：结构网格和非结构网格。结构网格的 绶太特点在予嬲穆有趣律，爨煮蘩梅麓攀，搀遥方後，容易计算，占囊存枣等钱 点；缺点是对复杂几何形状的适应能力羲，对汽车等具有不规则复杂外形的实体， 很难满足贴体性等要求。非结构网格舍去了网格节点的结构性限制，易于控制网 捺单元的大小、形状及节点位置，灵活性好，对复杂外形的适应能力强。但其无 簸律性也导致了在模攒计算中存储空霹增大，寻圭壹时闽增长，诗簿效率低，诗黧 时间长等缺点，且难以满足汽车表面粘性边界层计算对网格的要求。 本文采取计算域分区生成解决方案，将汽车外部流场求解域分为内外两区， 肉嚣采瘸j # 结秘瓣疆，汽车表嚣暴爰半缝稳纯鼹揍( 三接台组成豹边赛层) ，癸 区采用结构网格。 3 2 。1 流场分区 汽车外部流场网格的生成难点主要在于汽车外形辍杂、求解域大和壁面边界 层计算的特殊溪求。汽车几何形状复杂，如汽车底部外形的凹凸及汽车附件诸如 辍羧枉、门翅手、岳援镜等，要有效模拟羚都漉场及观察这些癸帮嚣传对汽车滚 场的影响，就必须使网格尽麓赔体且易予计算，尽可熊表达出它们的几何特征。 汽车流场的求解域特别大，在具有强三维性、粘性、湍流、分离、辫附着等特征 鲍区域内网格鬻要加密，以撼捉重要款流场信息，丽其它区域对网格的要求则要 舔一些。禳据浚场特点控翻鞠格巯密程度，霹减少蘸格数量，降低计算量。 颧j 论文 兰臻轿车外绕溅场熬菹模拟 车身外流场计算域为长方体。根据流体力学原理与实际计算效粜，该计算域 后边界距汽车模型后部6 倦车长、前边界距车前部3 储车长、上边界距车顶4 倍 事麓、铡边界鞭车 蒌l 嚣4 嫠车赛，底边器为憩蟊。惫憝决汽车见楚形状复杂、求 解区域大、网格数目多的难点，对整个求解域进行分曛。包围汽车的局部求解区 域为内部区，欺余部分为外部区域。外流场分区效果如图3 2 1 所示( 一半) 。 ，一，、篡二。 图3 2 1 汽车外流场分区图 这手中分区方法充分利用了两嵇礴撂技术豹优点；在是送采尾 # 结毒尊鄹播，可 醚遥应汽车瓣囊杂几何形状，增强赔伟性；外部区城为溉则区域，采用结构化网 格，便于控制闽格分布和减少网格数量。此外，分区方法的采用使得外部区域的 网橹生成之后，可重复使用，汽车模型改变时也不需辫次生成，而且基于外部区 域潮辏上弱定缀条 孛氇可纛接应爰，放露可减，l 、汽车骖墅时，滚甥傍囊诗算静静 处理工作量，提高工作效率。 空气沿汽车表面流动会产生壁面边界层，其显著特点是流动参数沿壁面法线 方勰变化剧烈，露沿流线方囱变化鞍缓漫。由于滚动参数沿壁嚣法国撵痊大、沿 流向与车身周向梯度小，对阐格沿法向方向加密的要求大大高于沿流向和周向方 向的要求。如粜采用非结构网格，三个方向尺度大小熬本一致，三维网格基本是 等面四棱锥。为满足法向加密，则横向、纵向也同时被加密，结果使嗣格数目增 攘大多；露臻终梅弱貉虽然露以控素l 经惑方淹兹穗密癸装，餐又无法逶应汽车复 杂外形结构导致贴体性变差。为解决这个矛盾，在汽车表面采用半结构化网格， 以满足汽车壁谳粘性边界屡计算的需要。半结构化网格是将汽车的袭面三角形单 元离羚拉 串生戏以三棱台为肇元熬边奏鼷，这耱羽格纹法逸教燕密。 3 2 2 网格生成方法 ( 一) 练稳溺掊懿生袋 内区非结构化网格的嵌入使得外区不能次划分究，只能先对线条进行分 割，再将体根据所建线段进行分区，在每一段上确定一维节点的分布。汽车外部 浚场羚到内气滤鳃变化逐濒缀熟，所以鄹楱应该是越纛遮内区越密。生成结构化 硕士论文 维轿车外绕流场数值模拟 网格的两个主要参数是加密因子和贴近内区第一个网格元素尺度的选取。 此法最后生成的结构化网格如图3 2 2 所示： 图3 2 2 结构化网格示意图 ( 二) 半结构化网格的生成 先在汽车的表面和内区的外边界生成三角形网格，此过程应注意以下几点： ( 1 ) 在计算敏感区( 车前脸与发动机罩相连处，发动机罩与前风挡之i 司，后 视窗与行李舱之间等曲率变化较大的地方) 压力梯度变化特别大，如网格太稀， 则不能捕捉到流场的重要信息，或者导致结果不收敛，故需进行网格加密。 ( 2 ) 在非敏感区，可使网格适当变稀，节约机时。 ( 3 ) 对汽车表面进行适当处理，使表面曲线曲面尽量光滑，不要过分扭曲。 这样利于高质量的网格的生成。 生成表面网格之后，将网格向外拉伸，生成多层三棱台，各层高度可是常数 也可成一定比例增加。如图3 2 3 所示： 图3 2 3 半结构化网格 ( 三) 非结构网格生成 网格划分基于d e l a u n a y 八叉树算法。读入内区及表面网格信息后，首先生 成一个包含计算域的四面体，然后对该四面体进行切分，分成八个小四面体。小 - 2 5 硕士论义 三维轿车讣绕流场数建模拟 四面体再进行切分，这个分裂过程一直执行到满足指定的网格生成参数。 最终生成的非结构化网格如图3 2 4 ： 图3 2 4 非结构化网格 完成溺辏划分螽要送行翊接兹撬纯，潋满是计算对 缝秘纯瓣格鹣要求，便 网格平滑贴体。 ( 四) 不同网格的整合 将内区虎的半结梅化网播与非结构化网格整合到起。再将此网按与翦面生 成酌结梅化丽梅整台蓟一怒产生一个网格缄，形成整个计算区域鼢三维霹格。 f u l e n t 软件包中，t m e r g e 平口t g r i d 模块均可进行网格的整合。 3 。3 算镌及数值验透 汽车尾部的大尺度漩涡、分离、再附潜流动是汽车外绕流场的媳型特征，也 是清流流动数键模拟的主要雉点。据第二章分析可知，k 一占湍流模型尽管应用 j “泛，但应该针对具体濂场逡择台适| ! 霉清流模型。本论文对文献 ? 中a h m e d 所 采用的汽车模型外部绕流流场运用三种k g 湍流模型进行了模拟分析。 模型尺寸为：长8 0 0 0 m m ，宽3 3 1 0 m m ，高2 6 7 0 m m 。车身大弧度地方均 矧乎叛代磐。 流场为一长方体，车前为车长的4 依，车后距离为7 倍车长，宽为4 倍车宽， 商为4 倍车高。前方来流速度6 0 m s 。 为比较潴滤模型的适应| 矬，流场网格划分采用单一嘲格。应用d e i a u n a y 八 叉衡算法，生成三棱锥圈磅辩踅3 3 。l 掰示： 硕 j 论文 三维轿车外绕流场数值模拟 图3 3 1a h m e d 模型的计算网格 文献 7 中风洞试验的结果：空气阻力系数c 。= 0 2 9 。本次模拟应用前述三 种湍流模型分别进行计算，得到的结果如表3 3 1 所示。 表3 3 1 各物理模型仿真结果的比较 k 一湍流模型壁面条件气动阻力气动系迭代次数 数 s t a n d a r d 模型标准壁面3 7 3 9 1 2 1 50 3 6 8 46 9 9 s t a n d a r d 模型非平衡壁面 3 7 1 4 7 6 2 40 3 6 6 06 6 0 r n d 模型标准壁面 3 5 9 8 0 4 1 70 3 5 4 56 5 2 r n d 模型非平衡壁面 3 5 4 2 2 1 8