（车辆工程专业论文）轿跑车外流场数值模拟与分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着汽车技术的发展以及道路交通的完善，汽车实用车速大大提高，汽车空 气动力学成为汽车行业的重点研究方向之一。汽车空气动力学研究的传统方法是 风洞试验，此方法对试验设施要求较高，并且研究周期较长。随着计算机技术的 发展，计算流体力学( c f d ) 在汽车空气动力学研究方面的应用也越来越重要， c f d 方法具有周期短、成本低、不需实车模型等特点，用此方法分析指导设计， 无论在汽车开发还是改进方面，都起到提高产品质量、增强自主开发能力的作用。 轿跑车的特点是以轿车为基础，在其中加入跑车元素，既具有轿车载人、实用的 功能，又具有运动化造型。在这里，本文采用c f d 方法对某轿跑车进行三维外流 场的数值建模，结合空气动力学理论对其空气动力学造型和性能进行分析和优 化。 本课题来源于某轿跑车逆向设计项目。该项目运用c a t i a 绘制出实车的1 ：1 三维模型。在建立仿真模型过程中，考虑到仿真时间与计算机硬件问题，对实车 部分细节做出相应的简化。然后利用i c e m 软件建立有限元模型。本文采用四面 体+ 三棱柱网格混合方案划分网格，并采用密度体包围整个轿跑车，以对其周围 计算区域进行网格加密处理，并对轿跑车表面面网格做局部细化。选用 r e a l i z a b l e k 一占湍流模型，并在其近壁面采用标准壁面函数以提高车身表面流 动的模拟精度。并结合一阶迎风与二阶迎风两种离散格式各自的特点，在计算过 程中，先采用一阶迎风，迭代一定次数后采用二阶迎风格式，以提高计算的精度 及收敛性，缩短计算时间。最后利用f l u e n t 进行模型分析，得出车身表面压力 分布图和速度矢量图，通过分析整车表面速度和压力特性，了解气流运动规律和 情形。并通过仿真所得结果计算出该轿跑车的气动阻力系数与升力系数。再结合 汽车空气动力学理论分析与该轿跑车实际造型进行局部优化，对优化前后结果进 行比较和分析，达到减小气动阻力和气动升力、提高汽车经济型及操纵稳定性的 目的，为此轿跑车的造型改进提供参考。 根据本文仿真结果并结合轿跑车造型可以看出，对于轿跑车，由于流线型造 型特点，其气动阻力系数相对较小，但是气动升力系数不稳定。而对于轿跑车这 种高速行驶的汽车，出于安全与稳定性考虑，降低其气动升力比减小气动阻力有 着更实际的意义。研究表明，轿跑车的附加空气动力学装置如尾翼对气动升力有 着很好的调节作用。而汽车底盘结构越简单，整车的气动性能越好。对于轿跑车 此类高速行驶的汽车，甚至可以利用车身底部曲面来产生负升力。 关键字：计算流体力学数值模拟气动阻力气动升力优化 a b s t r a c t a s 也ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l et e c h n o l o g ya n di m p r o v e dt r a n s p o r tf a c i l i t i e s ， t h ev e h i c l e sp r a c t i c a lv e l o c i t yh a sg r e a t l yb e e ni m p r o v e d ，v e h i c l ea e r o d y n a m i c sh a s a l r e a d yb e e no n eo ft h ek e yr e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y n e t r a d i t i o n a la n di m p o r t a n tm e t h o df o rt h ev e h i c l ea e r o d y n a m i c si sw i n dt u n n e lt e s t , w h i c hd e m a n d ss t r i c tr e q u i r e m e n to ft h ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e s ，a sw e l la sal o n g e x p e r i m e n t a lp e r i o d w i mt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) h a v es h o w na ni n c r e a s i n gi m p o r t a n tr o l ei nt h er e s e a r c ho f a u t o m o t i v ea e r o d y n a m i c s c f dm e t h o dh a sc h a r a c t e r so fs h o r tc y c l e ，l o wc o s t , w i t h o u ta c t u a lv e h i c l em o d e la n ds oo n 。i t sa l w a y su s e dt oa n a l y s i sa n dg u i d et h e d e s i g n a n dp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ed e s i g n w h a t sm o r e ，t h i sm e t h o da l s o i m p r o v e sp r o d u c tq u a l i t y , a n de n h a n c e st h er o l eo fs e l f - d e v e l o p m e n tc a p a b i l i t i e sb o t h i nn e wp r o d u c t sd e v e l o p m e n ta n de x i s t i n gp r o d u c t si m p r o v e m e n t h e r e ，t h i sp a p e r b u i l d sat h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lf o rac o u p ew i t ht h e e x i s t i n gm e t h o do fc f d ，a sw e l la sa n a l y s e sa n do p t i m i z e st h e i ra e r o d y n a m i cs h a p e a n dp e r f o r m a n c ec o m b i n e dw i t ha e r o d y n a m i ct h e o r y t l l i se s s a yc o m e sf r o mac o u p er e v e r s ee n g i n e e r i n gp r o j e c t t l l ep r o j e c tb u i l d s t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fr e a lc a r ( 1 ：1 ) w i t ht h eu s eo fc a t i a d u r i n gt h e m o d e l i n gp r o c e s s ，t h e r ea r es o m es i m p l i f i c a t i o n sf o rs o m eo f t h ed e t a i l so fr e a lc a r , t h i n k i n ga b o u tt h es i m u l a t i o nt i m ea n dc o m p u t e rh a r d w a r ep r o b l e m s t h e nt h i se s s a y b u i l d st h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lw i t ht h ei c e ms o f t w a r e i nt l l i sp a p e r , t e t r a h e d r a l + p r i s mh y b r i dm e s hp r o g r a mw a su s e d ，a n dt h ew h o l ec o u p l es u r r o u n d e db yd e n s i t y b o d yt od e f i n et h e 鲥ds b r f a c ea r e a r e a l i z a b l et u r b u l e n c em o d e l i su s e d ，a n d s t a n d a r dw a l lf u n c t i o nn e a rt h ew a l lt oe n h a n c et h eb o d ys u r f a c ef l o ws i m u l a t i o n a c c u r a c y i nt h ec a l c u l a t i o np r o c e s s ，c o m b i n e dw i t ht h er e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c so f f i r s t - o r d e ru p w i n da n ds e c o n d o r d e ru p w i n dd i s c r e t i z a t i o n ，f i r s t - o r d e ru p w i n di s a p p l i e d ，i t e r a t i o na f t e ra c e r t a i nn u m b e r , s e c o n d o r d e ru p w i n dd i s c r e t i z a t i o ni su s e dt o i m p r o v et h ec a l c u l a t i o na c c u r a c ya n dc o n v e r g e n c e ，t o r e d u c ec o m p u t i n gt i m e f i n a l l y , a f t e rt h ea n a l y s i so ft h em o d e lw i t ht h eu s eo ff l u e n t , w eo b t a i n sm eb o d ys u r f a c e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dt h ev e l o c i t yv e c t o r t h r o u g ht h ea n a l y s i so f v e h i c l e ss u r f a c e s p e e da n dp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，w ec a nu n d e r s t a n dt h el a w sa n ds i t u a t i o n s 钕a i r m o v e m e n t i ti ss h o w st h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e dm e e t st h ef l o wf i e l d i i 武汉理工大学硕十学位论文 c h a r a c t e r i s t i c sa n dl a w s t h e nt h ec o u p e sa e r o d y n a m i cr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ta n dl i f t c o e f f i c i e n tc a nb ec a l c u l a t e df r o mt h er e s u l t so ft h ea e r o d y n a m i cs i m u l a t i o n t h i s e s s a ya n a l y z e st h es 仃u c l 疵o ft h e v a r i o u sp a r t so ft h ee x t e r n a lf l o wf i e l da n dt h el a w c o m b i n e dw i t ha e r o d y n a m i c st h e o r y , t h e no p t i m i z e si t sa e r o d y n a m i cs h a p ea c c o r d i n g t ot h ea c t u a ls h a p ec o u p ea n d1 0 c a lo p t i m i z a t i o nr e s u l t s ，i no r d e rt or e d u c 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 c l i f t ，t oi m p r o v ev e h i c l ee c o n o m yt y p ea n d p u r p o s eo fh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y a n dp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h i sc o u p em o d e l i m p r o v e m e n t a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ec o u p em o d e l i n gw ec a ns e e nt h a t ，f o r t h ec o u p e ，d u et oi t sa e r o d y n a m i cm o d e l i n gf e a t u r e s ，t h ea e r o d y n a m i cd r a gc o e f f i c i e n t i s r e l a t i v e l ys m a l l ，w h i l e t h ea e r o d y n a m i cl i f lc o e f f i c i e n ti n s t a b l e f o rs u c ha h i g h s p e e dc o u p ec a r , o u to f c o n s i d e r a t i o n so fs e c u r i t ya n ds t a b i l i t y , i th a sm o r em o r e p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et or e d u c et h ea e r o d y n a m i cl i rt h a na e r o d y n a m i cd r a g t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea d d i t i o n a la e r o d y n a m i cd e v i c e sf o rt h ec o u p l es u c ha s e m p e n n a g eh a v eag o o dr e g u l a t i o nf o ra e r o d y n a m i c1 i f i a n ds i m p l e rc h a s s i ss t m c t u r e c a ng e tb e t t e rv e h i c l e sa e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e f o rh i 曲- s p e e dc o u p e ，t h ec h a s s i s s u r f a c ec a nb ed e s i g n e dt og e n e r a t en e g a t i v el i f t k e yw o r d 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 ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a e r o d y n a m i c r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t ；a e r o d y n a m i cl i f tc o e f f i c i e n t ；o p t i m i z a t i o n u i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工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已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蚴笺e t 期：理l ! ：塞塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经 武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理，丁大学硕士学位论文 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 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相互作用的 一门科学。 汽车空气动力特性是汽车的重要特性之一，对汽车的动力性、燃油经济性、 操纵稳定性、舒适性和安全性都有着直接的影响。它是指汽车在流场中受到阻力、 升力、侧向力三个气动力及其相应的三个力矩的作用而产生的车身内部及外部的 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。汽 车的流场包括内流场和外流场。 由于高等级公路的发展，汽车车速的提高对汽车的操纵稳定性、安全性、舒 适性提出了越来越高的要求，特别是由于世界能源危机，石油价格上涨，使得汽 车节能技术受到了前所未有的关注。对于高速行驶的汽车，气动力对其各性能的 影响有着至关重要的作用，所以良好的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的 前提瞳1 。而改善驾驶室的内流特性( 驾驶室内通风、散热、取暖、除霜等以及发 动机冷却系空气动力特性) ，在减小气动阻力的同时，降低空气动力噪声，则是 保障舒适性的前提。图卜1 所示为汽车周围及内部的空气流动与汽车性能的关 系。 图卜l汽车周围及内部的空气流动与汽车性能的关系 随着我国汽车行业高速公路建设的快速发展，汽车车速也随之不断提高，汽 武汉理工大学硕十学位论文 车空气动力学在我国汽车工程技术领域的应用也越来越广泛。我国作为一个人口 大国，汽车的需求量，尤其是商用家用轿车的需求更是巨大的。随着中国国内 轿车保有量不断上升，加之针对2 0 0 8 年金融危机而出台的相关政策的影响，消 费者的消费观念愈加趋于理性，他们将目光投向了汽车本身的性能，特别是对动 力性和经济性的要求越来越高，汽车行业竞争也变得越来越激烈。因此，汽车的 空气动力性将是决定汽车在当今市场的激烈竞争中取胜的重要决胜点。设计具备 良好空气动力性能的现代汽车，无疑是提高其动力性和经济性的重要首选途径， 尤其是对于高速行驶的汽车来说，良好的空气动力稳定性显得尤为重要。因此， 改善和提高汽车的空气动力学特性是具有极其重要的现实意义的口，。 表1 - 1 是( a ) 、( b ) 、( c ) 三种轿车在e p a 城市高速公路混合循环下的情况对 比：( a ) 是现行某气动性能较好的常规轿车；( b ) 是先进的g m i m p a c t 电动概念车； ( c ) 是预期可能达到更高指标的未来轿车。三种车的质量m 和迎风面积么相同， 风阻系数e 、滚动阻力系数厂不同。表中列出了对应于1 2 砌城市循环和1 6 5 o n 高速公路循环的能耗，表中巡航里程则是按给定车轮上的机械能为l o k w h 来计 算的，约为现行电动汽车的实际数量级。 表1 - 1 三种轿车在e p a 城市高速公路混合循环下的情况对比 车型 ( a ) 现行常规轿车( b ) 先进轿车( c ) 未来轿车 i = l0 0 0 k g q = 0 3 1q ：0 1 9q = o 1 3 a = 2 m 2 j ，= 0 0 1 5= 0 0 0 4 5= 0 0 0 4 能耗 ( 七w ，五) 城市 葺 高速 i 城市 誓 高速 城市 高速 滚动阻力 能耗 0 4 93 8 7 0 6 7 3 90 1 5 1 70 2 2 0 0 1 31 6 4 0 1 8 2 1 8 风阻能耗 o 2 72 1 40 8 8 ,5 10 1 71 9 30 5 45 30 1 11 4 30 3 74 4 9 加速动能 0 5 13 9 90 1 71 00 5 56 3 70 2 72 70 5 56 9 30 2 83 3 3 合计 1 2 71 0 01 7 21 0 00 8 71 0 01 0 l1 0 00 7 91 0 00 8 31 0 0 巡航里程 ( 拥) 9 4 69 5 51 3 8 71 6 3 12 0 02 0 4 7 由上表可见，当风阻及滚动阻力降低后，反映汽车动力性、经济性的动能 及其所占比重大幅降低，所需的总能量也随之下降，整车巡航里程明显提高。 因此，设计空气动力性能良好的汽车，对其动力性和经济性的提高起着至关重 要的作用。特别对于轿跑车，对速度、油耗以及稳定性有着相比普通轿车更高 的要求，通过气动造型提高其动力性与经济性有着更重要的意义。 1 2 汽车空气动力学的研究方法 汽车空气动力学目前的研究方法按研究手段可以分为实验研究、理论分析和 2 武汉理工大学硕士学位论文 数值计算三种。 1 2 1 实验研究 汽车空气动力学试验主要包括模型风洞试验法、实车风洞试验法和实车道路 实验法。实验研究在空气动力学研究中占有十分重要的地位，它可以更真实地模 拟汽车实际行驶状况，并可以提供建立理论模型的依据、检验理论及计算结果的 准确性和可靠性。道路试验只有在汽车样车生产出来后才能进行，属于汽车空气 动力学实验研究后期的一个手段，风洞试验则能在汽车设计研发早期开展，是汽 车开发或已有汽车变型发展过程中内外形设计的重要手段。但是实验方法受限于 试验环境、实验手段、设备和经费等物质条件。特别是风洞试验，投入大，成本 高。此外有些实际问题尚无法在实验中得以解决，使得难以得到准确的实验数据。 1 2 2 理论分析 理论分析的特点在于科学的抽象，利用数学方法求出理论结果，清晰地、普 遍地揭示出空气运动、汽车气动力产生机理以及对汽车性能影响的内在规律。首 先抽象出合理的简化理论模型，并在此基础上根据已总结出的相关的介质性质实 验公式，结合普遍定律来构建描述其有关介质运动规律的微分方程，接着利用数 学方法并考虑到相应的初始和边界条件解出方程组。研究人员通过对这个得出的 解加以分析，就可以揭示出其所表示各种待观测物理量的变化规律。 但是理论分析往往容易受到数学工具及求解方法的限制，只能建立相对简单 的近似模型和经验公式，对于研究更复杂的、更符合实际的气流存在很大的局限 性射。 1 2 3 数值计算 随着计算机技术的发展和数值分析方法的不断演变，求解复杂的偏微分方程 组成为可能，这些也进一步促进了计算流体力学c f d ( c o m p u t e rf l u i dd y n a m i c s ) 的发展。同时数值分析方法在计算流体力学，尤其是汽车空气动力学方面的研究 作用和地位也在不断提高，现已成为与实验研究和理论分析两类方法并驾齐驱的 重要研究方法。 数值计算的目的是利用计算机技术来求解流动运动方程，从而研究分析汽车 流场各主要特性以及汽车气动性能。通过计算分析汽车周围的绕流情况，并将其 结果可视化，使得研究人员可以很清晰地看到汽车流场的各种细节，进而可以分 武汉理工大学硕士学位论文 析流动的分离、表面压力分布以及受力大小情况等。其优点是能够预测或解决一 些理论及实验无法处理的复杂流动问题，能取代部分实验环节，且省时省工。数 值计算的特点是不受流场品质、实验环境、实验器材等因素影响，实验参数选择 大。但是它要求事前必须充分了解问题的物理特性，才能提炼出比较精确的数学 方程及相应的初始、边界条件等，而这些又必须依靠实验和理论方法的支撑。 应用c f d 分析指导设计，为设计提供科学的依据，无论在新产品开发还是在 现有产品改进方面，都具有提高产品质量、增强自主开发能力的作用。由于具有 周期短、成本低、不需实体模型( 实车) 等特点，c f d 分析必将在未来虚拟开发 技术中发挥重要作用晦1 。 但是不可否认，数值模拟方法也存在其一定的缺点：比如，因目前无法完全 搞清楚湍流的流态特性，对有些问题的求解也还没有普遍适用的数学模型，并且 数值计算的精度和收敛性也有待改进。如在针对汽车外流场的模拟过程中，对于 一些特定的、物理机理比较清楚的区域，我们可以用c f d 方法来得到精度较高的 求解；但是对于那些流动机理仍不是很明确的地方( 如车身的分离绕流部分) ， c f d 方法求解精度仍有待提高。另外，由于p a n s 代码中本身就包含了基于经验 的输入参数、截断误差、湍流模型等设置因素，这就导致数值计算结果与试验结 果必然会存在着一定的差异。因此，目前c f d 方法并不能全面代替风洞试验研 究。实际上，现在汽车设计行业很多实际问题还是需要依靠相关试验来解决。从 某种程度上来说，试验结果可以校正c f d 方法和检验c f d 结果是否正确。 实验研究、理论分析、数值计算这三种方法各有利弊、相辅相成。实验研究 是理论分析和数值计算的基础，它可以用来检验理论的正确性和可靠性；理论分 析能指导实验和数值计算，并能将部分实验结果应用到一整类现象问题中去，在 大量的实验基础上，通过归纳总结，得出相应规律，促进理论的发展，并反过来 指导实验；数值计算则可以弥补另外两者的不足，三者相互作用，共同促进汽车 空气动力学的发展h 1 。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外汽车空气动力学发展现状 国外一些汽车工业相对比较发达的国家对汽车空气动力学，尤其是在传统的 试验研究方面已经取得了很大的成就，各大汽车公司基本上都有自己的风洞实验 室。迄今为止国际上众多名车都是基于各种严格条件下的风洞试验结果来设计和 改型的，可以说都是融合了现代空气动力学的成果。 4 武汉理工大学硕士学位论文 自2 0 年代国外将空气动力学应用到汽车上以来，先后已出现了很多骄人的 成绩。1 9 3 8 年法国人安德里奥设计了气动阻力系数仅为0 2 8 “雷电 赛车，同 时在强侧向风条件下也拥有良好的稳定性，并以5 7 5 3 k m h 的高车速创造当时 的世界记录吲。6 0 年代初期，各大汽车公司先后投入巨额资金建造新型的整车风 洞实验室。用这种风洞模拟真实汽车在不同行驶条件下的状况，除了可以研究汽 车承受的气动力之外，还可更准确地研究汽车外部或内部细节的空气流场，以及 发动机的冷却、室内通风、灰尘积垢等等各项性能。其中较为代表的是c d 值达 到o 3 0 “a u d i l 0 0 c 3 型轿车，采用整体最佳化方法设计开发，“a u d i l 0 0 c 3 的推出在当时引起了整个世界汽车行业的轰动口1 。 计算流体力学( c f d ) 应用于汽车设计始于8 0 年代，其研究主要以欧美为中 心。随着计算机技术的发展和湍流理论研究的不断深入，使得将计算流体力学的 研究成果应用于汽车设计成为可能，并取得了很多重要的研究成果。当时8 0 年 代初期的研究对象还仅仅是限于车体的基本形状方面，随后才逐步发展到如今包 括车后视镜、扰流板、发动机仓、复杂底板、车轮等部件的模拟，并且加入了有 关车辆高速行驶时的横风稳定性和横风过渡特性，甚至是两车相遇时瞬态空气动 力学特性等方面的模拟。值得一提的是在精度方面，研究结果可以把c ，的误差 降到了5 以内。同时随着a n s y s 、s t a r c d 、f l u e n t 以及c f x 等商业软件的广泛 应用，可以说现在汽车空气动力学解析系统的研究已是初具规模豳3 。 1 3 2 国内汽车空气动力学发展现状 我国的汽车工业发展一直比较落后，国内自主研发水平比较低，可以说是长 期处于引进国外技术的低开发水平状态，因此对汽车空气动力学方面的研究投入 甚微。国内以往对空气动力学的研究主要是集中在飞机等航天方面的研究，而在 汽车领域的应用研究则很少，相对来说也比较晚。 1 9 8 1 年中国空气动力学研究与发展中心首次进行了两辆轿车和一辆面包车 的实车风洞试验研究，随后长春汽车研究所、湖南大学、原吉林工业大学、南京 航天航空大学、西安公路交通大学、同济大学通过对航天风洞、建筑风洞的改造， 先后也开始了轿车、大客车和货车的汽车空气动力学的研究工作。2 0 0 9 年9 月 1 9 日，斥资4 9 亿元建造的中国国内第一个“汽车风洞一上海地面交通工具 风洞中心在同济大学嘉定校区正式落成启用，填补了中国国内汽车研发设计领域 多个空白。此次风洞的关键技术指标均达到世界领先水平，并拥有全部自主知识 产权。除支持汽车企业外，新启用的上海地面交通工具风洞中心还将为中国高速 列车的自主研发和大飞机项目，提供不可缺少的关键技术支撑平台。“汽车风洞” 将为中国汽车和轨道车辆工业，特别是为新能源汽车的自主研发提供重要的基础 武汉理工大学硕士学位论文 性服务，为中国汽车工业从“中国制造 迈向“中国创造，营造了必要条件m 。 c f d 在汽车设计的应用方面国内虽然起步很晚，但是进展迅速，并且取得 了较好的成绩。 长春汽车研究所应用细部最佳化设计方法，通过改变曲面斜度、增加扰流板 等措施对红旗c a 7 7 4 模型进行改型，最后使其阻力系数g 降低2 1 1 ，升力系数 c ，降低5 4 9 6 。并通过进一步优化滑底板，使得汽车最后产生了负升力。吉林大学 的傅立敏教授用实验和数值模拟分析流场横纵向的流动状况，研究轿车三维分离 流动特性，分析了其气流分离及尾涡的形成原因与发展机理。中国气动中心与汽 车研究院合作研究车身各部分的速度矢量及压力分布；北京航空航天大学则在软 件开发及减阻方面做出了很多成果。 近l o 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0 3 5 以下，一些先进的气 动设计的样车，气动阻力已降到0 1 5 ，- - 0 2 0 。随着降阻车的开发，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。 并且，国内目前己经出现了一些由我国自主开发的应用于汽车的三维流场计算软 件1 们。 1 4 本文研究内容 1 4 1 研究目标 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，贯穿于新车 型从设计到产品性能分析的全过程。本文主要是运用c a t i a 建立某款轿跑车三维 模型，并运用c f d 软件对其外流场进行数值模拟，通过分析整车表面速度和压力 特性，了解气流运动规律和情形，结合理论分析其各部分结构对外流场的影响及 规律，并通过进行结构改进，达到减小气动阻力和气动升力、提高汽车性能的目 的，以及进一步来论证c f d 软件在汽车工程应用上的可行性，并且为此轿跑车的 开发提供计算机模拟数据。 1 4 2 研究内容 参考以往的研究成果以及国内外发展的现状，确定主要研究内容如下： 1 ) 研究应用汽车空气动力学及所用软件基础； 2 ) 以某轿跑车为研究对象用c a t i a 软件进行三维建模，利用i c e m 生成有限元模 武汉理工大学硕士学位论文 型，进行计算区域的设置、网格划分以及确定边界类型； 3 ) 研究影响仿真结果的因数，如网格精度、湍流模型及地面条件等，通过对比 分析，选择最适合的方案； 4 ) 对模型外部的速度和压力场进行分析，得出相应的结论，分析该轿跑车模型 的流场特性、表面压力以及在加装空气动力学附加装置后的速度场和压力场 分析，通过模拟所得数据计算该车的气动阻力系数与升力系数，并总结其结 构对气动阻力与升力的影响，依据分析结果提出改进方案，探讨其最佳气动 造型。 1 4 3 技术关键和难点 课题涉及到车辆工程相关学科、汽车空气动力学、车身设计等方面的内容， 其技术关键和难点有以下几点： 1 ) 三维实体模型的建立、模型网格的划分及离散方法和湍流模型的选择，以及 控制计算精度、计算规模和计算时间的平衡； 2 ) 运用f l u e n t 进行外流场数值模拟及流场特性分析； 3 ) 根据仿真结果，结合空气动力学理论对原模型进行局部结构改进，优化设计。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章汽车空气动力学气动特性研究 汽车空气动力学以空气动力学为基本理论来分析汽车周围的流场，研究作用 在汽车上的气动力和力矩，并运用空气动力学研究的成果来改善汽车造型，提高 汽车性能n 。因此，本章主要探讨了空气动力学的基本理论，为数值计算提供理 论基础。 2 1 空气动力学基本理论 2 1 1 空气的基本物理属性 1 ) 空气的连续介质模型 通常我们用自由行程平均值( 气体中所有分子) z 来表示气体分子的间隙大 小。对海平面大气而言，在气压为7 6 0 ，| ，l 汞柱，温度为1 5 0 c 时，每1 聊m 3 内有 空气分子2 7 1 0 1 6 个，其平均自由行程，= l o - 3 m m ，因而，从微观上看空气是离 散的。这样要研究空气的相关规律将十分困难，因为我们不能把微分方程等数学 工具直接用于离散介质中。但空气动力学研究的不是微观的分子运动，而是研究 空气与其中运动物体的宏观机械运动，是大量分子的平均统计行为。所研究对象 ( 如汽车) 的特征尺寸要远远大于分子的间距，因此在空气动力学研究中，将实 际由分子组成的空气用一种假想的彼此无任何间隙的空气微团来代替，这种空气 微团被定义为由足够量分子组成并连续充满所占据的空间，这就是欧拉建立的连 续介质模型。 在这个模型的前提下，空气动力学把介质( 空气) 看成无空隙存在，这种假 设，称为连续性假设。基于此假设，可将空气特性的一系列参数，如压强、温度、 密度、速度都可看作是连续分布的，因为他们可被看成空间坐标和时间的连续可 微分函数，故在研究中可采用微分方程等数学工具n 副。 2 ) 空气的粘性和流动性 ( 1 ) 粘性 粘性是空气所具有的重要属性。但由于空气的粘性不大，人们在实际生活中 不易觉察到。 假设有一股直匀气流( 气流是直线的，速度是均一的屹) ，在气体里放置一 块无限薄的平板，板面与气流速度平行。用细小的测流速的仪器测出板上表面沿 法线方向的流速分布1 ，= f ( n ) ，其结果见图2 - 1 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 各点流速本应和屹相同。现在各层气 a 0 b 流速度有差别，说明空气各层之间存 图2 1 薄板空气粘性实验 在内摩擦力。产生内摩擦力的这种性质称为粘性。 应当强调的是，只有流动时才会表现出粘性，静止的流体不呈现粘性。粘性 的作用表现为阻碍气流内部的相对滑动，进而阻碍气流的流动。这种阻碍作用只 能延缓相对滑动过程，这是粘性的重要特征。 粘性的大小，可用单位面积上的摩擦力摩擦应力f 表示。1 6 8 6 年牛顿根 据大量实验研究指出，流体内任一点的f 与该处的速度梯度成正比，即： f=“立(2-1)f = “ 。砌 式中：一粘性系数，由实验确定，只与流体种类有关，其单位为n e s m 2 。 在空气动力学中，还常用粘度系数与空气密度的比值来度量空气的粘度，称 为运动粘度，用y 表示，即： 1 ，= 芏f - ( 2 - 2 ) 1 ，= 一 () p 海平面条件( 1 个标准大气压，写= 2 8 8 1 5 k ) 时，空气密度p = 1 2 2 5 姆m 3 ， v = 1 4 6 0 7 1 0 - 5 n j m 2 。 由于空气的粘性不大，在处理许多气流问题时，有时往往会忽略粘性作用。 忽略其粘性作用的流体称为理想流体。 ( 2 ) 流动性 气体的流动性是指在空气中运动的物体的通过性。亦即当运动的物体经过 时，它经过的路线上原来的空气，必然会被排挤开去，这种被排挤开去的运动， 称为受扰运动。受扰动的并不仅仅是直接和运动物体相接触的那些空气微团，因 为扰动会通过空气微团的彼此作用，由近及远地传播开去的。扰动这样层层传播 开去的传播速度和气体的弹性有关系，也就是说与音速有关，当扰动不大时，这 9 武汉理工大学硕士学位论文 种传播速度就等于音速。当运动物体的速度远小于音速时，这时空气的流动性很 好。因为在运动物体还没到达的路径前方，空气微团由于受到扰动而开始运动， 当运动物体到达时，空气微团就很容易地让开路了。当运动物体的运动速度超过 音速之后，扰动传播的速度仍是音速，只是运动物体到达时才突然被推开。这时 流动性就很差了。当运动速度达到高超音速范围时，空气简直就像没有流动性一 样、空气微团会像固体粒子那样向运动物体打来。由于汽车的运动速度一般都低 于音速，因而其空气流动性较好n 3 l 。 2 1 2 气流运动的基本方程 流体力学中的基本方程为连续性方程和伯努利方程，前者表示两过流断面上 的流动参数之间的关系，后者则表示能量转换的关系。 1 ) 连续性方程 如图2 2 所示，当流体流经变截面时，如果是定常流动，则管道的任意截面 1 、2 之间的流体质量不变，即： 肛k 4 = 仍砭4 = c l ( 2 3 ) 式中：局、反一两截面的平均密度，对于不可压缩流体，其密度为常数； 巧、k 一两截面的平均流速； 4 、4 一两截面的截面积； q 一常数。 图2 - 2 流体在变截面管中的流动 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 伯努利方程 与流体的质量成正比的力被称为质量力。对于不可压缩流体作定常流动，当 忽略质量力时，流体的流动速度和压强也存在一定的关系，用伯努利方程描述如 下： 尸+ 妻p y2 = r ( 2 4 ) 式中：尸一流体静压力； y 一流体流速； 忍一总压。 若将该方程用到图2 2 所示的两个截面上，可表示为： 鼻+ 吉户_ 2 = 最+ 圭p 圪2 c 2 5 ， 由式( 2 4 ) ，在流动过程中，对于理想不可压缩流体作定常流动时忽略其质 量力，其总压不变。同样单位体积流体的动能( p 9 2 2 ) 和流体所具有的压力能 ( p ) 之和保持不变即总机械能不变，即能量是守恒的n4 1 。由式( 2 5 ) 可知， 流速越高、动能越大，压力能越小；反之亦然。 2 1 3 粘性流基础 1 ) 层流、湍流和雷诺数 流体分层流动，相邻两层流体间只作相对滑动，流层间没有横向混杂，这种 流动状态叫做层流。 当流体流速超过某一数值时，流体不再保持分层流动，而可能向各个方向运 动，各个流层将混淆起来，并有可能出现涡旋，这种流动状态叫湍流。流体作湍 流时所消耗的能量比层流多。 介于层流与湍流间的流动状态很不稳定，称为过渡流动。 雷诺通过大量实验和理论分析表明，流体运动的状态不仅和速度有关，而且 还与流体的性质、管径的大小等有关。发现决定流态的是下列组合而成的判据数， 即雷诺数： 1 ， r e = 兰( 2 6 ) u 式中：y 一圆管横截面上流体的平均速度，m s ； ，一圆管直径，又称特征长度，m ； 武汉理工大学硕士学位论文 一流体的运动粘性系数，m 2 s 。 我们把层流变为湍流的临界雷诺数用r e ，表示，称上临界雷诺数；由湍流变 为层流的临界雷诺数用r e ，表示，称下临界雷诺数，且r e ， r e ，。 因而用雷诺数来判断流动状态时，有三种情况： ( 1 ) 当r e r e ，时，流动为湍流状态； ( 3 ) 当r e ， 1 ，流体绕过物体时在其壁面附近存在有受流体粘性影响很大的薄 层，称为边界层。 由前述可知：粘性不可压缩流体流经平板结构的物体时，在边界层沿x 方向 的速度矿不发生变化，根据前文所介绍的伯努利方程可知边界层处的压强也不变 化。而当物体表面是曲面，压强随着边界层沿x 方向的速度k 的变化而变化，使 得边界层也相应改变，因此当流体流经曲面时会对边界层内部的流场产生重要的 影响。 附面层内同样存在两种流态，即层流附面层和湍流附面层。在层流附面层和 湍流附面层之间为过渡附面层，如图2 3 所示。在相同雷诺数下，湍流附面层厚 度比层流的大，湍流附面层的厚度沿流动方向比层流附面层增加得快。在湍流附 面层内，紧靠物体表面总是存在着一层极薄的粘性底层。在粘性底层内速度梯度 极大。判别流态的准则仍然是雷诺数n 5 1 。 1 2 武投理工大学硕士学位论文 图2 - 3 附面层内的不同流态 22 汽车的气动力与气动力矩 汽车在行驶过程中，除了受到来自地面对轮胎的附着力以外，还受到其周围 气流的气动力作用，气流的作用主要产生的是阻力和升力，当有侧风存在时，由 于汽车横摆角口的存在，汽车还将受到一个侧向力。这三个气动力的合力在汽车 的作用点称为风压中心( c e n t e ro fp r e s s u r e ) ，记作c p 。将气动力的合力沿 汽车坐标系分解为三个力和三个力矩，方向如图2 - 4 ，统称为六分力，它们决定 了汽车总的气动力矢量。六分力的大小及关系见表2 一l