（车辆工程专业论文）汽车外流场的数值模拟.pdf

摘要随着我国经济发展水平的迅速提高，汽车工业在国民经济中所占的比重越来越大，作用也越来越重要，汽车空气动力学的重要性也比以往任何时候明显。它不仅关系到汽车的经济性。还关系到驾驶的安全性、侧风稳定性、风的噪音、车身后的扬尘等等问题。本文利用c f d 方法，利用c y d 软件对某种车型进行空气动力学分析。简化了汽车模型，确定计算区域，对网格进行划分。为保证模拟的精度要求，对网格的疏密结构进行了调整。确定了边界条件和计算参数。之后，对汽车外流场进行了数值模拟计算。将所得的模拟结果与风洞实验的结果值进行了对比，并提出了提高模拟精准度的方法。然后用这组优化后的模拟方法对某款国产汽车进行了汽车外流场的数值模拟。得到了在某一速度下该车体的速度矢量图，压力分布图和车身周围的三维流线图，计算出轿车的气动力系数，得到它的空气动力学特征。最后，为分析车身设计的不同对汽车空气气动力特性的影响，文章还对斜背式、快背式和直背式三种车型进行了外流场的数值模拟，计算三种车型的气动力系数，对计算结果进行了对比和分析，为进一步优化车型，改善汽车的空气动力学特性提供了有效的依据。关键词：汽车空气动力学，c f d ，车身外流场，数值模拟a b s t r a c ta st h ee c o n o m yd e v e l o p e dm o r ea n dm o i br a p i d l y , t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yo fc h i n ah a sp l a y e dav e r yi m p o r t a n t 口a r ti no u rc o u n t r y se c o n o m yt h a nb e f o r e a n dt h ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a rh a v eb e c o m em o r ei m p o r t a n tt h a ne v e r i ta f f e c t st h ee c o n o m yo ft l l ec a r , t h em a n e u v e r i n gs t a b i l i t y ,t h es t a b i l i t yi nc r o s s w i n d t h en o i s eo fw i n da n dt h ed u s tb l o w i n go u to ft h ec a r 1 1 l i sp a p e rn u m e r i c a l l ys i m u l a t e st h eo u t e rf l o wf i e l d so ft h ec a rw i t ht h ec o r r e l a t i v es o f t w a r e t h es i m p l i f i e dm o d e lo ft h ec a rb o d ya n dt h ec o m p u t a t i o n a ld o m a i na r es e tu p 田”g r i d sa r ed i v i d e da c c o r d i n g l y t oe n s u r et h ep r e c i s i o n ，t h ed e n s i t yo ft h eg r i d si sa d j u s t e d t h eb o u n d a r yc o n d i t i o na n dt h ec o m p u t a t i o np a r a m e t e r sa r ed e f i n e d n cf l o wf i e l d so ft h ec a rmc a l c u l a t e d t h e np u ti tt oc o m p a r ew i t ht h er e s u l t so ft h ew n dh o l e p o i n to u tt h ew a yt oi m p r o v et h ee x a c t n e s so ft h er e s u l t s a f t e rt h a t ，ag r o u po fp r o j e c tw h i c hc a l li n c r e a s et h er e s u l t s e x a c t n e s sc a nb eg a i n e d u s ei tt os i m u l a t ea n o t h e rn e wt y p eo fc a r t h e nv e c t o rp l o t so fv e l o c i t yf i e l d ，t h ep r e s s u r ed i a g r a ma n dt h e3 ds t r e a m l i n e so ft h ew a k ev o r t e xa p r e s e n t e d t h ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e wt y p ec a ra i cc a l c u l a t e d f i n a l l y , f o rt h es a k eo fs t u d y i n gt h ee f f e c t so ft h ed i f f e r e n tt y p e so fc a r st ot h ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a r , t h ep a p e rn u m e r i c a l l ys i r e u l a t e st h i n ed i f f e r e n tt y p e so ft h ec a r - t h en o t c hb a c kt h ef a s tb a c k t h es q u a r eb a c k ) t h ea e r o d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c sa r ec a l c u l a t e d ，c o n t r a s t e da n da n a l y z e d n 凼s t u d vi sb e n e f i e i a li no p t i m i z i n gt h em e t h o d st oc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i ca n di m p r o v i n gt h ea e r o d y n a m i c so ft h ec a r ,k e y w o r d s ：a e r o d y n a m i c s ，c f d ，e x t e r n a lf l o wf i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n1 i独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：守舷时问：2 6年6 月7 ，日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保圈送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：宁燕导师签名：易牲时间：2 匆5年占月7 日时间：矽年j 月7 日中国农业大学硕士学位论文第一章绪论1 1 本文研究的目的和意义第一章绪论自二十世纪九十年代以来，随着我国经济的高速发展和国际化水平的提高。汽车工业在国民经济中占有了越来越重要的地位，汽车工业已经加入到国际化大市场和大循环中，有着越来越广阔的发展前景。然而，现在的汽车大部分都使用石油燃料，消耗世界石油产品的四分之一。因此，汽车对能源的消耗也日益受到重视，各国都花费大量的人力、物力、财力研究汽车节能技术，节省能源的概念已经逐渐成为汽车造型和空气动力学的融合物。从节油效果来看，改进现有的发动机和燃油品质、 ；i 柴油机代替汽油机、采用复合动力装置、采用新燃料及制定先进的标准是较为有效的方法。但是这些方法的研究已经日臻完善成熟，没有多大的潜力可挖。而另一种有效的方法就是减小汽车的空气阻力和滚动阻力，提高汽车的装载系数和发动机的压缩比及混合稀燃的燃烧效率。要想同时提高燃油效率而又不增加成本，不降低汽车性能，则更需要减小空气阻力。当汽车车速度较高时，汽车空气阻力迅速增加。当车速大于7 0 米，秒时，载货汽车阻力占行驶阻力的一半以上。因此，减小空气阻力节能，不仅对轿车而且对商用车辆都有很大的意义。实验表明，车辆的空气阻力减小l o ，则燃油消耗量可降低3 3 1 t ”。同时，由于公路状况的改善，高速行驶时间的百分比大大增加了。汽车行驶速度提高后伴随而来的问题，如行驶安全性、因升力导致的操纵稳定性、侧风稳定性的f 降、气动噪音问题和车身后的扬尘问题等等，也都与车身的空气动力学特性有关【1 l 【2 l 。车速越高，这些问题越突出。现有的成型车辆，尤其是小轿车，在高速公路上高速行驶时，冈空气动力学问题而发生事故的概率不断上升。这就要求车辆要具备良好的高速性能，尤其是较好的空气动力特性。总而言之，从汽车特别是高速轿车的安全和节能的角度考虑，汽车必须具备良好的空气动力特性，通过减小汽车空气阻力来降低燃油消耗而节约能源、控制升力的变化以保持良好的操纵稳定性等的研究与应用已十分迫切【3 】【4 j 【”，汽车空气动力学研究已经成为汽车工程领域重要的研究方向之一。因此，减小汽车空气阻力的应用范围及前景非常广泛，无论汽车结构如何变化以及采用何种形式的原动机和替代新能源，减小空气阻力的研究都是非常重要的。尤其是在新型车的开发过程中。对其进行空气动力性能分析是必不可少的。1 2 汽车空气动力学的主要研究方法汽车空气动力学的研究主要有两种方法，一种是进行风洞实验，另一种是利用计算流体动力学( c f d ) 技术进行数值模拟。传统的汽车空气动力学研究是在风洞中进行实验，存在着费用昂贵、开发周期长等问题。另外，在风洞实验时，我们只能在有限个截面和其上有限个点处测得速度、压力和温度值，而不可能获得整车流场中任意点的详细信息。为了观测整车的流场结构，只中国农业大学硕士学位论文第一章绪论能依靠一些定性的手段，如烟流法、油膜法和丝带法。要精确研究某些复杂流动现象，如层流向湍流的转变、拖拽涡形成与发展、尾部涡系结构等，测出这些流动的流场参数测量截面的选取很大程度上都依靠经验，这样使得精确研究这些复杂流动及其机理变得非常困难【i j 。随着计算机技术和计算流体动力学的发展，汽车外流场的计算机数值仿真由于其具有可再现性、周期短以及低成本等优越性而成为研究汽车空气动力学性能的另一种有效方法。数值模拟能够显著地减少原型车风洞试验次数，降低设计成本，缩短开发周期。它不但可以计算出气动力和力矩以及流场速度、压力分布，而且可以计算某些关键位置如后窗倾斜角等对整车流场和气动阻力的影响。c f d 软件还可以捕获许多复杂的流动现象，如分离流、后风窗上的一对“猫眼”涡系，拖拽涡以及尾部马蹄涡系结构。由于运用c f d 技术进行数值模拟所需的费用少，周期短，加之数值模拟在某种意义上比理论和试验对流体的运动过程认识的更为深刻，更为细致，不仅可以了解运动的结果，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的理解和认识。c f d 技术可以方便灵活地改变初始条件、边界条件以及几何边界条件，并且可以获得整个流场中任意一点处的详细信息，使得清楚地研究流动梳理变得切实可行。因此实用c f d 技术对全面控制汽车外流场流态，从而获得所需的汽车空气动力学特性具有重要的现实意义 6 1 1 7 1 1 8 】【9 l 。c f d 方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如f 步骤【1 q ：( 1 ) 建立控制方程。这是求解任何问题前都必须首先进行的。对于一般的流动而言，可直接弓出其控制方程。对于不可压缩流动，若热交换很，j 、以至可以忽略时，则可不考虑能量守恒方程，直接将连续方程与动量方程作为控制方程使用。( 2 ) 确定边界条件与初始条件。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况，边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律。对于任何问题都需要给定边界条件。对于初始条件和边界条件的处理，直接影响计算结果的精度。( 3 ) 划分计算网格。采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散，然后求解得到的离散方程组。要想在空间域上离散控制方程，必须使用网格。网格分为结构网格和非结构网格两大类：结构网格在空间上比较规范，节点排列有序，当给出了一个节点的编号后，立即可瞄得出其相邻节点的编号；非结构喇格的节点以一种不规则的方式布置在流场中。虽然它的生成过程比较复杂，但它却有着极大的适应性，尤其对具有复杂边界的流场计算问题特别有效。( 4 ) 建立离散方程。对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解( 或称精确解或解析解) 的。但由于所处理的问题自身的复杂性，一般很难获得方程的真解。【天| 此，就需要通过数值方法把计算域内有限数最位置( 网格节点或网格中心点) 上的囡变量值当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位置上的值则根据节点位置上的值来确定。( 5 ) 离散初始条件和边界条件。在( 2 ) 里给定的初始条件和边界条件是连续性的，现在需要针对所生成的网格，将连续型的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值。比如静止壁面上速度为0 ，其上共有9 0 个节点，则这些节点上的速度值应均设为0 。这样连同在备节点处所建立的离散的控制方程，才能对方程组进行求解。( 6 ) 给定求解控制参数。在离散空间上建立离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条2中国农业大学硕士学位论文第一覃绪论件和边界条件后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数等。此外，还要给定迭代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等。( 7 ) 求解离散方程。在进行了之前的设置后，生成了具有定解条件的代数方程组。对于这些方程组，数学上已经有相应的解法。在c - 1 7 d 软件中往往提供多种不同的解法，以适应不同的问题。( 8 ) 判断解的收敛性。对于稳态问题的解，或楚瞬态问题在某个特定时问步上的解，往往要通过多次迭代才能得到。在迭代过程中，要对解的收敛性随时进行监视，并在系统达到指定精度后，结束迭代过程。这部分内容要根据经验针对不同情况进行分析。( 9 ) 显示和输出计算结果。通过上述求解过程得出了各计算节点上的解后，需要通过适当的手段将整个计算域上的结果表示出来。这时我们可采用线值图、矢量图、等值线图、流线图、云图等方式对计算结果进行表示。如何将成熟的c f d 技术应用于汽车车身的开发设计中，已成为全球汽车工业的前沿课题。随着我国经济的发展，人们生活水平的不断提高，人们出行的需求将不断增长，而作为代步工具的汽车的需求随之也将会有极大的增长。我国是一个人口大国，汽车特别是轿车的需求和未来市场将是十分巨大的。目前，加入w t o 后，我国汽车t 业面临着更大的机遇和挑战，因此提高我国汽车车身的自主开发能力的任务十分迫切，在我国开展此项技术的研究具有十分重要的应用价值。1 3 国内外研究现状1 3 1 国外利用c f d 技术模拟汽车外流场的研究现状c f d 技术应用于汽车设计是从上世纪8 0 年代以欧美为中心开始的。随着计算机技术的发展和湍流理论的不断发展，将计算流体动力学的成果应用于汽车设计成为可能。近年来，欧、美、日的汽车厂家1 7 1 1 1 1 】【1 2 】【1 3 l 【1 4 l 已经开始致力于开发和利用c f d 技术，取得了许多重要的研究成果。在8 0 年代初期，计算的对象还仅限于车体的基本形状，但是，最近已发展到包括后视镜、绕流板、复杂底板、移动地面、发动机舱、车轮等复杂的车体的模拟。而且还进行了横风稳态性和横风过渡特性、两车相遇时的瞬态空气动力学特性等方面的模拟。美国通用汽车公司h a n t ”l 在来流r 数4 3 1 0 6 下，将车体后部倾角逐渐增加到临界值q o = 3 0 ，用f v m 法求解r a n s 方程组，对流场进行了数值仿真，湍流模型为标准r s 模型。网格数为1 5 万多，更多的网格数对阻力计算值无明显影响。妒从0 增加到2 0 ，计算结果的趋势基本正确：当p 2 0 时。实验阻力值急剧增人，而计算结果未预测到这一现象。s p e z i a l e 等口6 i 应用f i r e 模拟了p e u g e o t 4 0 5 简化轿车模型的外部流场，湍流模型为标准k s模型和r s m 。r s m 得出的后车窗箱盖处压力分布比其它商业程序采用其它湍流模型得出的计算结果更加接近于实验结果。f i r e 程序采用r s m 模型计算出了该区域的分离起始与再附现象，而采用石一模型没有模拟出来i 。德国戴姆勒弓串驰k l i m e t z e k 和b r e i t l i n g 【1 7j 利用一基本车型的二维和三维实验数据对一些3中国农业大学硕士学位论文第一章绪论商业数值仿真软件进行了评价，结果表明这些程序的表面压力的计算结果的精确度有待于提高。德国大众汽车公司w f i s t e n t m r g 和h u p c r t z t ”j 应用v w - - i k a r u s 程序，对客货两用车后窗箱盖处的分离流动进行了仿真计算。用f v m 法求解r a n s 方程组，湍流模型为壁面附近进行了低尺。数修正的c 一模型。计算采用了5 3 6 万多结构阿格。计算出的总体性能同实验结果复合的较好，但在前车窗库项，后车窗，箱盖处的计算结果与实验结果有定的差距。国外对汽车外流场的湍流解析模型主要以r g 模型，应力方程模型为代表的时间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量已经达到了( 2 3 ) 1 0 3 ，计算结果接近真实结果，误差控制在5 以内。国外在计算流体动力学的结果分析中大量采用了可视化技术。这些可视化技术可以在一些c f d 软件中看到。由于计算所得的数据非常庞大、复杂，应用可视化技术可以凭借计算机把数字信息转化为易于研究人员分析和理解的图形或动画，大大提高了分析和解决问题的速度和质量，加快对模拟对象的认识，提高了工作效率。目前，数值模拟最主要的问题就是计算精度问题。网格的形状、结构和所采用的湍流模型和计算方法都对精度有影响。进行整车的流场计算，通常需要划分儿十万甚至几百万个网格，这样的网格划分就是在大型计算机上计算也需要几天时间才能完成，因此，许多研究都集中在研究网格生成技术【1 9 1 1 2 0 1 【2 1 1 。_ ：【i 三在发展的多重网格法可以用更少的网格数、更少的计算时间以达到相同的或者更高的计算精度。现在，国外空气动力学软件正朝着全自动划分网格、高速高精度计算的方面发展。1 3 2 国内利用c f d 技术模拟汽车外流场的研究状况由于我国的汽车工业发展一直比较落后，大多数厂家自行设计汽车的能力较低，跃期处于模仿或直接引进国外技术的开发状态，对汽车动力学的研究投入非常少。同时，国内汽车空气动力学的研究起步较晚，以往的空气动力学研究主要集中在飞行器与造船方面，汽车领域的应用研究很少涉及。尤其是计算流体动力学技术在汽车设计中的应用只是近几年才刚刚出现，对汽车外流场的数值模拟就更少了。从上世纪八十年代开始，中国空气动力学研究与发展中心、一汽技术中心、二汽技术中心等单位开始了有关汽车外流场的研究工作，但主要是在风洞实验研究方面【2 “。依靠现有的航空风洞或建筑模型风洞，进行部分空气动力学验证性实验，实验内容有限，积累的经验不多。而计算机仿真方面的研究则是从八十年代末期才开始的，由湖南大学率先开展了此项研究。进入九+ 年代，相继有中国空气动力学研究与发展中心、东风汽车公司等单位也开始了这方面的研究，把以前在航空、造船方面取得的丰富经验利用起来，对汽车外流场进行了二维、三维的数值模拟，对汽车外流场的压强、速度等做了分析，对汽车的空气阻力做了一定的研究工作。1 9 9 4 年，湖南大学的谷正气，黄天泽j 口4 瞎对轿车车身表面压强分布做了数值模拟。介绍了轿车车身表面压强分布的数值模拟的理论依据及相应方法，建立了轿车车身外形数学模型和表面压强分布的物理模型，但是在车身尾部的模拟效果较差。1 9 9 6 年，欧阳鸿武，张志沛田1 等对轿车外流场进行了二维数值模拟，采用计算流体动力学方法数值求解n 。s 方程，模拟了轿车外流场。41 9 9 7 年，南京航空航天大学的粱德旺，秦毅 2 6 1 等用f a v r e 平均n - s 方程和b l 代数湍流模型对s a a b 9 0 0 汽车绕流流场进行了数值模拟，给出了汽车绕流流场的基本特片，探讨了车速对绕流流场，如车尾流动分离点、尾涡及汽车的阻力特性的影响，并建立了尾涡长度与汽车阻力系数之间的关系。1 9 9 8 年，谢金法，庄继德【”1 等采用椭圆形方程生成空间网格，运用有限容积法和r p 模型计算了三维湍流轿车外流场。1 9 9 9 年，吉林工业大学生的傅立敏，沈俊鲫等对红旗c a 7 7 4 轿车进行了数值模拟，得到了整车的流场结构和尾流场的涡系结构，成功地模拟出了气流分离和拖曳涡现象。在数值模拟的基础上对流场气流的横、纵向流动状况。尾部涡系结构，气流分离及拖拽涡的形成和发展机理作出了详细的分析与讨论。2 0 0 0 年，吴立业、陆森林等采用的r s 二程模型来求解n - s 方程，用有限元法对轿车外流场进行数值模拟，较好的模拟了汽车拐角处的涡流分离流动。2 0 0 2 ，吕明忠，商敦岳，傅立敏( 矧等对汽车外流场的计算机数值仿真的过程和方法进行了探讨，并建立了两种车型的空气动力学模型，通过对两种车型外流场的仿真计算，得到了它们的各种参数，借此对它们的空气动力特性进行了分析。2 0 0 3 年，邓亚东，江贤军p 1 1 等针对电动汽车的特点，提出了旨在减小客车车身阻力系数的外形设计方案，并用f l u e n t 软件对客车车身外围流场进行了数值模拟，为客车车身设计提供了直观依据。2 0 0 3 年，严鹏，吴光强p 2 1 等应用计算流体动力学方法，采用不同的湍流模型及差分方法，对轿车的外围流场进行了模拟，分析了差分格式和湍流模型对模拟结果精确性的影响。虽然国内的一些研究院所已经对汽车外围流场进行t - - 维或者三维的数值模拟【3 3 1 1 3 4 1 ，某些成果已经达到实用水平，但是总的来说，国内在这方面的研究还处在一个起步阶段。计算的对象还令限于车体的基本形状，车身模型相对来说比较粗糙，而且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精度影响，研究的发展阶段相当丁国外8 0 年代的发展水平。随着数值仿真技术的不断发展和汽车流场物理数学模型研究的不断深入，特别是对非定常分离流涡运动以及湍流问题等数值仿真面f 临的主要难点的研究进展，数值仿真将成为汽车造型设计和分析评价的强有力工具，同时将为汽车空气动力学特性的研究和应用提供广阔的前景。1 4 本文研究的工作本文主要是对汽车外流场进行数值模拟研究，得出具有t 程实际意义的汽车空气动力特性参数，并结合汽车外流场的特点，分析不同湍流模型和计算方法的适应性；根据具体的车形选取合适的湍流模型及差分格式与数值计算格式，添加正确的边界条件，井分析所得到的计算结果-清楚所分析的流场的物理特征，井做出正确的判断和合理的解释。本文的工作主要包括以下几个方面：( 一) 建立汽车模型。进行汽车流场的模拟仿真，首要j ：作是车身模型的建立。本文以常见5中国农业大学硬士学位论文第一章绪论_ _ l _ _ - l _ _ l _ _ - l t 一i l _ _的斜背式车型轿车为原型，对基本的车型进行简化处理，忽略车身缝隙、雨刷、排气管道等表面附件的影响。( 二) 确定计算域模型。要对模型进行分析，就必须建立一个计算域流场。由于汽车尾流对汽车的气动性能影响很大并且在汽车车身后较长一段距离内存在，为了更好的仿真尾流，在汽车后部取很氏一段距离。同理，为了再现汽车行驶状态，在汽车的前部、上部和侧面都取大于汽车几倍尺寸大小的距离。( 三) 划分网格。由于汽车周围流场非常复杂，尤其在尾部存在着剧烈的湍流区，所以为了满足计算需要，都需要根据汽车形状人工来划分网格。通过人工干预进行网格划分，既能满足网格的贴体性，达到近密远疏的目的，又能充分利用软件所提供的网格生成技术。( 四) 设定边界条件并计算。目前，围绕数值模拟的最主要闻题就是计算精度问题，而网格的形状、结构和所采用的湍流模型和计算算法都对精度有影响。由于湍流机理目前仍不清楚，湍流模型一般采用r 一双方程模型。为了使计算结果快速准确，计算时要确定合适的边界条件，还要对收敛性进行控制。( 五) 对斜背式车型的计算结果与文献的计算结果和试验结果进行对比，以验证本次计算结果的可靠性。( 六) 对数值模拟的结果进行改进，包括选用不同湍流模型，对网格系统进行优化，差分方式进行讨论等，分析对结果的影响。( 七) 根据( 六) 的结论，对某国产新型轿车进行数值模拟，计算轿车空气动力学各参数，分析数值模拟的结果；对斜背式、快背式和直背式三种车型进行汽车外流场的数值模拟，得到三种车型在某一速度下的空气动力特性，分析车身形状的不同对汽车空气动力特性的影响。6中国农业大学硕士学位论文第二章汽车外滩场数值模拟的研究方法一i 一第二章汽车外流场数值模拟的研究方法2 1 物理模型及数学模型好的几何、物理模型可以反映汽车外流场的真实情况，相反，没有正确完善的模型，很难再现所模拟车型的外流场情况。2 。1 1 物理模型的建立进行汽车外流场模拟，首先要傲的工作就是车身模型的建立。车身模型的建立是对车身流场进行模拟分析的基础，只有建立好的车身模型才能使模拟结果真实、准确。模型的建立必须遵循两个原则；物理的真实性和计算的可行性。汽车绕流的流动机理非常复杂，在旋转的车轮周围、车底与地面之间、发动机舱内、外伸件附近等部位及车尾都存在气流分离，而在侧风情况下行驶的汽车，车身表面的气流分离现象将更加严重、复杂瞰j 。总之，汽车的车身模型是进行车身外流场分析的基础，是决定计算准确性的因素之一。我们采用整2 - l 所示的车塑作为模拟模型。为了减小计算量。保证计算魄可行性，对车身进行了如下简化；忽略车身外部突起物如车灯、门把手、后视镜、刮雨器等部分；没有考虑车轮影响：对车身底部做了简化，没有考虑小尺度的凸凹不平，只取了大尺度的高低凸凹囊争1 车体曩受目前小轿车的车身长度一般在4 巧米左右嘲，若以较小的尺寸划分网格。则数量巨大，限于目前所使用的计算机功能无法对如此巨大的网播数进行计算模拟，因此采用近似模型研究钓方法恻。我们知道流体的流动状态分为三种：层流状态、过渡扶态和素流状态。决定流动为何种状态的是足准则当r 致小于菜一定谯( 称为第一琦蠡界值) 时，流动呈层流状态，其速度分布皆彼此相 l ；i ，与冠数值不再有关。流动的这种特性称为“自模性”或4 自援化状态”。当肆数丈中国农业大学硕士学位论文第二章汽车外流场数值模拟的研究方法于第一临界值时，流动处于由层流到紊流的过渡状态，这时流体速度分布变化较大，与r 有关。流动进入紊流状态后，若见数继续增加，它对紊流程度及速度分布的影响逐渐减小。当达到某一定值( 称为第二临界值) 以后，流体的流动又一次进入自模化状态，即不管r 。数多大，流动状态与流速分布不再变化，都彼此相似。通常将r 。数小于第一临界值的范围叫第一自模化区而r ，数大于第二临界值的范围叫第二自模化区。只要原型设备的r 。数处于自模化区以内，则模型中的只数不必与原型的相等，只要与原型处于同一自模化区，就能进行近似模化p 1 。一般地，汽车的行驶速度若在3 肚2 0 0k m h 之问，取汽车的车身长度做特征长度b 4m ，则雷诺数r 为：r 。丝(21)e2 2 1 1 0 6s r 。s 1 4 7 x 1 0 7其中空气在2 0 。c 时的密度p 一1 2 0 5 船m 3 ，动力粘性系数p - 1 _ 8 1 1 0 _ 5 坛m s 。由试验数据可知【3 目：对于厢式货车，进入自动模化区的临界月。为0 5 x 1 0 6 ，因此试验时，无需将月。提高到与实车模型的r 值一致，只要超过o 5 x 1 0 6 即可。为可靠起见，美国汽车工程师协会推荐的各类汽车试验雷诺数不应小于0 7x1 0 6 。此处，将图2 - 1 的车体计算模型的线性比例尺设为9 ，速度比例尺和密度比例尺【3 ”均设为1 ，即4 ；9 ，6 ，- 6 。一1 ，那么雷诺数r 。可以达到1 0 6 1 0 6 ，满足第二自模区临界雷诺数的要求。因此，可用本文的缩尺模型对实车进行模拟计算。本文首先选择采用三维建模软件u n i g r a p h i c s ( u g ) 将实车按1 ：9 的比例缩小，进行三维汽车建模，因为造型软件u g 具有多种功能，而且提供了与多种软件的接口。然后把车身几何模型文件的c p t 格式转化成i 萨s 格式，再导入至c f d 软件进行网格划分。以图2 - 1 所示斜背式车型为原型简化车身模型，简化后车身模型的长l 为4 5 5 m m ，高h 为1 8 3 3 3 m m ，宽w 为1 5 7 7 8 m m 。汽车在公路上行驶时，马赫数约为：m u u 音，其中u 为来流流速。“* 为音速。空气在标准大气压，海平面高度，摄氏2 0 。时的音速【”】为：u - 2 0 1 4 t ；3 4 4 0 6 m s( 2 2 )当汽车速度高达2 0 0k m h 时：，2 0 0 。塑m 旦。3 鲤。o 1 6 1 5“音3 4 4 0 6对于ms0 3 马赫数的流体流动，按不可压缩流体流动计算所引起的误差很小 蚰1 【4 l i 。故目前的高速汽车空气绕流可按不可压缩流体流动处理n假设流动是定常的，空气介质的物性参数恒为常数，空气对汽车的绕流完全处于湍流状态b 2 1 1 4 ”。这样，本文可应用已有的湍流模型进行计算模拟。82 1 2 汽车外流场的数学模型1 、湍流模型简介数学模型的选取对计算工作起着决定性的作用m 。结合本文所研究的汽车绕流问题属于不可压缩定常运动，考虑到不可压缩流动适用笛卡尔坐标系，速度矢量厅在x 、y 和z 方向上的分( 2 - 3 )( 2 - 4 a )竺a t + 柳懈) s 一吉詈+ 硼扣( g a r d v )c 2 _ 4 b )掣+ d l y 旧) ；一! 望+ 硼v ( 船胁，)( 2 4 c )甜、po w一考虑脉动的影响，目前采用的方法是时间平均法，即把湍流运动看作有两个流动叠加而成，一是时间平均流动。二是瞬时脉动流动。即：h 军百+ “，y - 矿+ v 7 ，w 薯霄+ w ( 2 - 5 )将式( 2 - 5 ) 代入瞬时状态下的连续方程( 2 - 3 ) 和动量方程( 2 - 4 ) ，并对时间取平均，得到湍流时均流动方程如下：d i v f ft 0( 2 - 6 )堕+枷缸)一弓罢+vdiv(gardff)ot+ 卜贮o x 一型o y 一警l、pa 】ci以l盟协两)。一净vdiv(gard矿)oto y十亟o x 一等一亚o z1、7pi砂o w + d i v o t ( 训。p 亚d w 础( 妒m ) + 卜雯o x 一雩一警1l移以l萼协弦) ；断峙训一孚孚一孚】+ s将上述方程写戏标量形式为：堕：o缸鲁+ 毒妇，) t 一吉詈+ 毒卜毒一弼)m柑弘ndo印一毽一量pr 讲卜酾帕方凼射+谧丝甜瞬流湍写和“勾彝川川中国农业大学硕士学位论文第二章汽车外流场数值模拟的研究方法詈+ 毒g ，庐) 8 毒( r 吉考1 - 7 - 妒7 7 )c z 小，上面三式是用张量的指标形式表示的时均连续方程、r e y n o l d s 方程和标量庐的时均输运方程。这里的f ，j 置1 ，2 ，3 ：z 1l z ，工2 毒y ，x 3 篁z ；“1 = “，“2 省v ，u 3 = w 。可以看出，时均流动的方程里多出了与“_ ：有关的项，我们定义一p 瓦盯，为r e y n o l d s 应力，即：f f 善一p i “j这里，f 。实际对应6 个不同的r e y n o l d s 应力项，即3 个正应力和3 个切应力。由式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 和( 2 - 1 1 ) 构成的方程组共有5 个方程( r e y n o l d s 方程实际是3 个) ，现在新增了6 个r e y n o l d s 应力，再加上原来的5 个时均未知量( u 、v 、w 、p 和西) ，总共有1 0 个未知量，因此，方程不封闭，必须引入新的湍流模型( 方程) 才能使方程组( 2 9 ) 、( 2 1 0 )和( 2 1 1 ) 封闭。根据对r e y n o l d s 应力做出的假定或处理方式不同，目前常用的湍流模型有两大类：r e y n o l d s应力模型和涡粘模型。在涡粘模型方法中，不直接处理r e y n o l d s 应力项，而是引入湍动粘度( t u r b u l e n t v i s c o s i t y ) ，或称涡粘系数( e d d yv i s c o s i t y ) 4 4 1 ，然后把湍流应力表示成湍动粘度的函数，整个计算的关键在于确定这种湍动粘度。湍动粘度的提出来源于b o u s s i n e s q 提出的涡粘假定，该假定建立了r e y n o l d s 应力相对于平均速度梯度的关系m h 5 】，即：一p 珥哨( 詈+ 詈) _ 詈+ 以詈卜动这里，鸬为湍动粘度，u i 为时均速度，6 口是k r o n e c k e rd e l t a 符号( 当i = ，时，6 ；f = 1 ；i _ ，时，d = o ) 帕】，k 为湍动能( t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y ) ：r。盟。三铲+万+)22、，( 2 d 3 )湍动粘度“是空间坐标的函数，取决于流动状态，而不是物性参数。在流体力学中表示流体动力粘度，肛是物性参数。这里下标t 表示湍流流动的意思。由上可见，引入b o u s s i n e s q 假定以后，计算湍流流动的关键就在于如何确定+ 。这里所谓的涡粘模型，就是把“与湍流时均参数联系起来的关系式。依据确定“的微分方程数目的多少，涡粘模型包括：零方程模型、一方程模型、两方程模型。汽车在高速行驶时遇到的空气绕流，具有较高的雷诺数。本文采用标准r f 双方程模型作为汽车绕流的湍流模型。2 、标准k 一双方程模型流体流动的控制方程其一般形式为：掣m 伽) ；d m r g r a d ) + s1 0中国农业大学硕士学位论文第二章汽车外流场数值模拟的研究方法式中的西、f 、s 分别取不同的值时，表示不同的方程。当湍流模型采用标准j f s 模型时，、r 、s 的取值分别为【1 0 】：连续性方程：毋一0 ，f 一0 ，s 0 x 方向的动量方程：一“，r = 盯一一+ ”s - 一詈+ 咖卜盯豢)y 一程：卸一旷。一一号+ d i v h 詈)z 方向的动量撼妒r 嘞跏s 一罢z + d i v ( p 酊警)湍流动能方程：湍流耗散率方程其中妒；】r ，r 。p + 盟s 。g ，一p 8盯妒；，r 。肛+ 旦仃o c 。竺s = l ( c , c 。一c 2 p e )rh 皤_ 弘+ 弘t瓯一z 段 ( 罢) 2 + ( 詈) 2 + ( 詈) 2 】+ “ ( 亲+ 詈) 2 + ( 警+ 詈) 2 + ( 尝+ 考) 2 1r g 方程中应用的常数值分别为：c p = 0 0 9 ，c l 一1 ，4 4 ，c 2t 1 9 2 ，o r1 1 0 ，吒- 1 3此处采用标准j r s 双方程模型作为汽车绕流的湍流模型。f s 模型属于高雷诺数封闭模式，它适用于湍流充分发展的湍流核心区，此处湍流的尺度比较单一，分子输运相对于湍流输运可以忽略。但在近壁面区，由于流动情况变化很大，特别是在粘性底层，流动几乎是层流，湍流应力几乎不起作用，即上述的k 一湍流模型是针对充分发展的湍流才是有效的。为了解决近壁面问题，目前有两个解决办法，一是不对粘性影响比较明显的区域( 粘性底层和过渡层) 进彳亍求解，而是用组半经验的公式( 即壁面函数) 将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量联系起来；另一种途径就是采用低r e 数茁一模型来求解粘性影响比较明显的区域，要求在壁面区划分比较细密的网格。越靠近壁面，网格越细。壁面函数法对各种壁面流动都非常有效。它避免了在速度梯度很大的近壁区运用精细网格，从而节省了计算开销。它是此次数值模拟所采用的对近壁区流动的处理方式。中国农业大学硕士学位论文第二章汽车外流场数值模拟的研究方法3 、壁面函数法壁面函数法( w a l lf u n c t i o n s ) 实际是一组半经验公式，用于将壁面上的物理量与湍流核心区内待求的未知量直接联系起来。它与高r e 的r g 模型配合使用。壁面函数法的基本思想是：对于湍流核心区的流动使用j r f 模型求解，而在壁面区不进行求解，直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区内的求解变量联系起来。这样，不需要对壁面区内的流动进行求解，就可直接得到与壁面相邻控制体积的节点变量值。肇面函数法针对各输运方程，分别给出联系壁面值与内节点值的公式【4 7 】：( 1 ) 动量方程中变量“的计算式当与壁面相邻的控制体积的节点满足y + 1 1 6 3 时 4 7 】，流动处于对数律层，此时的速度m ，为：h + = l n ( e y + 、( 2 - 1 5 )，+ ：坐鳢型( 2 1 6 )y + = 二二l ( 2 | f l而此时的壁面切应力f 。满足：钆一心：4 r ：2 “p a + ( 2 - 1 7 )式中，h p 是节点p 的时均速度，r p 是节点p 的湍动能，缈。是节点p 到壁面的距离，是流体力学的动力粘度，k 为k a r m a n 常数，e 是与表面糨糙度有关的常数。当与壁面相邻的控制体积的节点满足y + o 时，流体沿正x 方向流动，当数很大时，对流扩散问题演变为纯对流阔题，扩散的作用可以忽略；当只。时，情况正好相反。此外再引入两条假定：在控制体积的界面e 和w 处的界面面积存在如下关系：a 。= a 。a方程右端的扩散项，总是用差分格式来表示。这样，方程( 2 2 4 ) 、( 2 - 2 5 ) 可以写为：c 九一，w 丸= d 。一九) 一d 。( 九一如)( 2 2 9 )下面介绍一些常用的离散格式。f e f 。一01 8( 2 3 0 )中国农业大学硕士学位论文第二章汽车外流场数值模拟的研究方法1 、中心差分格式所谓中心差分格式( c e n t r a ld i f f e r e n c i n gs c h e m e ) ，就是界面上的物理量采用线性插值公式来计算。对于均匀网格，我们可写出控制体积的界面上物理量西的值：屯一至型2 ( 2 - 3 1 a )小学将上式代入( 2 - 2 9 ) 简化后，可得到中心差分格式的对流扩散方程的离散方程；8 p 咖p a 牵+ ae 币e式中：旷譬”d e - - 乏口p 一口+ 口e + 0 巳一只)2 、一阶迎风格式( 2 - 3 1 b )( 2 3 2 )一阶迎风格式( f i r s to r d e ru p w i n ds c h e m e ) 规定：因对流造成的界面上的值被认为等于上游节点( 即迎风侧节点) 的毋值，可得：当流动沿着正方向时，即“。 0 ，“。 0 ( r 0 ，e 0 ) 时，存在庐。- 魂r ，丸- 九当流动沿着负方向时，即h 。 0 ，“。 0 ( r 0 ，“。 0 ( 只 0 ，e 0 ) 时，存在丸一1 5 如一0 5 驴w ，丸；1 5 九一0 5 如( 2 - 3 6 )当流动沿着负方向时，即“。 0 ，u 。 0 ( r o ，e 0 ，只 0 时，口一1 ：当流动沿着负方向，即r 0 ，e 0 ，。 0 ( 瓦 0 ，c 0 ) 对，存在丸t 言锄+ ；以一i 1 ，丸= i 6 如+ 百3 一百1 如( 2 3 9 )当流动沿着负方向时，即“。0 ，u 。 0 ( f w 0 ，疋0 ) 时，存在2 0庐。- i 6 蚱+ i 3 佛一百1 九，丸一i 6 九+ i 3 诈一百1 虹( 2 - 4 0 )将上式代入( 2 - 2 9 ) 简化后，可得到q u i c k 格式的对流扩散方程的离散方程：a p 伊p = 口矿譬k4 - a v , , v , , t p w w4 - 口e 妒f 十口皿尹髓l z 斗lj式中：口，z 4 + 口+ 口+ a w w + ( e f j )n ，一玑+ 詈口。凡+ i l a 。疋+ ；( 1 一a 。风咿见一扛只一詈( 1 也玩一；( 1 吨玩n 。一b rn 。；( 1 吨遮2 3 4 控制方程的离散化实现偏微分控制方程完全有限体积离散化时需要对时间项离散和对流项进行离散处理。我们假设汽车外流场数值模拟为定常流动，可以不考虑时间项的离散。在有限体积中，常用的空间离散格式主要包括中心差分格式、一阶迎风格式、二阶迎风格式和q u i c k 格式等。但需要注意的是，这些离散格式往往是针对对流项a i v ( n ) 而言的，扩散项d i v ( f g r a d q b ) 总是使用中心差分格式进行离散。我们应该意识到，在有限体积法中选取离散格式( 插值形式) ，只是为了导出离散方程，一旦离散方程建立起来，离散格式就完成了使命而不再具有任何意义。因而在选择离散格式时主要考虑的是实施的方便及所形成的离散方程具有满意的数值特性，而不必追求一致性。也就是说，同一控制方程中不同的物理量可以有不同的分布曲线，同一物理量对不同的坐标可以有不同的分布曲线，甚至同一物理量在不同项中对同一坐标的插值方式都可以不同。采用有限体积法对基本方程进行离散。在流场中任取一控制体v ( 如图2 - 7 所示) 。在控制体矿上对方程积分，将方程离散化。2 1中国农业大学硕士学位