汽车外流数值模拟

机械学院1206班 王栋 1200561 汽车外流数值模拟 一 学习目的 一 学习目的 1 学会利用Gambit创建几何模型 生成合格质量的网格 2 学会利用Fluent执行CFD程序 得到y 值的车体 以及一些基本的数值数据 如 静压区 速率区和阻力与速度的升力系数 二 程序 二 程序 打开打开Gambit 第一步 创建几何模型 a 输入在作业B中表格1提供的点坐标来建立车体的顶点 b 使用NURBS创建车体边缘 c 创建车体的面 定义为Face1 d 创建计算领域的顶点 见表格2 e 创建计算领域的4条边 f 利用矩形的4条边创建计算领域的面 定义为Face2 g 利用Boolean运算从Face 2减去Face 1 注意 不要保持retain Face1 h 作为单独的几何文件保存数据 File Save As 打开Save As 列 在ID窗口 输入文件名 例如 1 car geo 然后点击 Accept 注意 A dbs数据库文件 例如1 car geo dbs应保存在Gambit运行文件夹里 例 如D Temp 第二步 创建网格第二步 创建网格 a Edge mesh是车体的边缘 为简单起见 我们使用统一的网格运算法则 图1 显示车体的每边网格数量 以供参考 图1 车体每边的网格数量 b 创建边界层网格 Mesh Boundary Layer 打开Create Boundary Layer l U选择 Definition 对于 Algorithm 选择 Uniform 作为默认设置 对于 First row a 输入 0 0029 对于Growth factor b a 输入 1 09 对于 Rows 层的数量 输入 6 选择 Wedge corner shape 注意 边界层网格的First row a 值的计算在实验指导第五页上 在 Attachment现在边缘用Shift left clicking创建车体 点击后边界层将创建在 每一个边缘上 然而 你将会注意到边界层流未能形成的四棱 会同最大值A组和B组 见图1 这是由于类型的最大值 A和B被默认为 结束 的类型 而不适合形成边界层为 这个特殊的几何形状 我们需要改变类型的最大值 从 尽头 侧 图二显 示程序类型的变化中的一个特定的顶点到一个 侧型 改变顶点类型后 返回到Create Boundary Layer 你将会看到所有的边界层已 经创建 点击Apply完成 图2 改变顶点类型 c 创建一个制定标准创建一个制定标准 Tools Size Function Create Sizing function 在Type下 选择Fixed 在 Entities下 然后点击Shift click使所有的边缘面对像地面 在Attachment 选择 Faces 然后点击面模型 在 Parameters 在 Start size 输入0 0035 在 Growth rate 输入 1 15 在 Max size 输入 0 1 然后点击 Apply 这创造了一个尺寸功能 重复上述过程创造第二个大小的功能 剩下的边缘使用下列参数 在Start size 输入 0 0035 在Growth rate 输入 1 2 在 Max size 输入 20 d 创建面网格 Mesh Face Mesh Faces 点击Shift left 选择Face 在 Elements 选择 Tri 选择Spacing 这是为了让大小函数来确定最佳网格 点击Apply 第三步 检查网格特性第三步 检查网格特性 点击 Examine Mesh 图标 就是在右下角 打开 Examine Mesh列 在 Display Type 下 o 选择 Range o选择2D element 分别点击 Quad 和Tri 在Quality类型下 选择 EquiAngle Skew 点击Slider按钮 然后按钮下滑到右边 同时在Gambit Graphics观察元素位置和在Examine Mesh 中间紧挨着Active Elements的突出点的数量同时在Lower窗口观察EquiAngle Stew显示的值 EquiAngle Skew的值最好是0 四边形元素值不应超过0 85 三角形单元素值不 超过0 9 对于四边形元素 你也检查一下Aspect Ratio的幅度 从一到六 1最好 6最差 注 然而 对边界层网格 长宽比的增大 可以比未经连带妥协的准确性的数值解决 方案 这取决于流体边界层条件和计算模型 用于流利的数值模拟计算 点击 Close 退出 Examine Mesh 第四步 指定边界类型 Zones Specify Boundary Types Specify Sky Symmetry Inlet Velocity inlet Outlet Pressure outlet Ground Wall Car front Wall Car back Wall 指定车体的每个部分分别作为wall 这样灵活计算 第五步 保存数据 输出2D网格文件 File Save As 打开 Save As 在 ID 窗口 输入文件名称 例如 1 Car mesh 然后点击 Accept File Export Mesh 打开 Export Mesh File 确认点击 Export 2 D X Y Mesh 然后点击 Accept 第六步 退出第六步 退出Gambit File Exit Yes 额外话题额外话题 估计网格点位置估计网格点位置 In order to generate the mesh in the boundary layers it is practical to compute the distance of the first layer 1 y using the following procedure 为了创造了网格的边界层 是实用计算的第一层距离 用下列步骤 1 y 估计表面摩擦系数 基于近似相关性 f C 对于平面 2 0 0359Re 雷诺数由地板长度决定 f C 2 0 计算摩擦速率 U t U tw 2U f U 是自由气流速率 退回所需距离 y1 U t U 是动力黏度 是流体密度 注意 y1的估计值被用来做生成边界层网格的第一行的值 例如 First row a 值 y1 在在 Fluent 第一步 打开Fluent 读取 msh文件文件 注意注意 选择 2ddp 这表示2D空间 双精度 第二步 检查Grid and Smooth Swap Grid Grid Check 注意 注意到最低限度 不能是负的 Grid Smooth Swap 在Smooth Swap Grid 菜单 重复点击 Smooth and Swap 按钮直到Fluent出 现 No node moved smoothing complete and Number faces swapped 0 第三步 显示网格 程序在作业1 第四步 定义模型 Define Models Viscous 选择 k epsilon 2 eqn 点击OK 注意 1 注意 Cmu 值是 0 09 这个值将用来计算模型的入口边界条件 u C u C 2 在 Near Wall Treatment下 有三个wall功能的表用于k 模型系统默认是 Standard Wall Function 这些用于分析基于Standard Wall Function的系统默认 边界层网格Fluent 也提供User defined Wall Functions的选项 第五步 定义边界条件 Define Boundary Conditions 打开Boundary Conditions 菜单 在Boundary Conditions 菜单 我们定义以下设置 A 入口 在Type 选择inlet 在Gambit呗设定为Velocity Inlet 点击Set 打开Velocity Inlet 菜单 输入表3提供的设置 点击OK 注意 入口Turbulence Kinetic Energy inlet k 和 Dissipation Rate inlet 的值由Eqs 6 18 然后点击OK 第八步 在CFD进行后处理 A 绘制车体的y 曲线图 Plot XY Plot 打开X Y Plot菜单 在Y Axis功能下选择Select Turbulence and Y plus 在 Options 不要选择Nodal Values 在 Surfaces 选择组成车体的所有walls 点击Plot y 曲线图将会出现在graphics窗口 注意 y 的值的大部分在50 300之间 B 获得阻力系数和升力系数 1 获得阻力系数 为了计算阻力系数 我们需要设置汽车的最大截面 一辆汽车的最大截面是直接反对自由流空气流动方向的区域 例如 Frontal Area max Height x Width m2 对于2D模型 the Width 是单位长度 因此汽车模型的最大截面是 Frontal Area max Height x 1 m2 0 302 m2 在Fluent输入值 Report Reference Values 打开 Reference Value 菜单 见表6 在Compute From 选择 inlet 在 Reference Values 输入 0 302 for Area m2 点击OK 关闭菜单 在 Fluent计算阻力系数和升力系数 Report Forces 打开 Force Reports 菜单 见表 7 在 Force Vector 输入X 1 和 Y 0 在 Wall Zones 除了地面选择所有的wall 点击Print 然后在Fluent Transcript窗口读这份报告 你也可以保存这个报告为一个文本文件 通过点击Write 然后在弹出的窗口里 输入报告文件名 例如 DragForce 1car txt t然后 点击 OK Note The report is saved as a plain text file in the Fluent working folder where the corresponding cas and dat files are 注 上述报告在Fluent理被存储为 cas 和 dat格式的文本文件 表6 在Reference Values里设置阻力系数的参考值 表7 在Force Report菜单设置阻力报告 2 获得升力系数 在Fluent 你可以用同样的程序计算升力系数 利用max length of the car作为 参考面积值 见表8 得出Y方向的力矢量 见表9 表8 在Reference Values菜单设置升力系数参考值 表 9 在Force Report菜单设置升力报告 C 获得静压值 速率 湍动能 程序和作业A一样 第九步 退出Fluent File Exit 三 实验分析三 实验分析 Y Y 检验检验 绘制汽车周围的 y 可以看到 y 大部分分布在 50 300 之间 说明第一层 网格大小尺寸合适 可以用于后续模拟计算 阻力系数和升力系数讨论阻力系数和升力系数讨论 由下图可知牵阻力系数 Cd 0 4898918 升力系数 Cf 0 186823 压强 湍动能 速度讨论压强 湍动能 速度讨论 压强分布图压强分布图 湍动能分布图湍动能分布图 速度云图速度云图 速度矢量图速度矢量图 从压强云图可以看出 在车底部压强相对车顶部较小 这样车才才能安全 形式 产生较大的动摩擦力 车最前端压强最大 这是因为该处气体速度 最小 对比静压强云图和速度云图可以看出 速度较大的地方 压强较小 车尾 部形成很大的低速区域 湍动能云图可见 在车前端湍动能较大 这是因为该部分是最先和空气接 触的部位 空气流动波动非常大 产生的脉动速度也相应较大 汽车带尾翼情况分析汽车带尾翼情况分析 Y Y 检验检验 绘制带尾翼汽车周围的 y 可以看到 y 大部分分布在 50 300 之间 说明第 一层网格大小尺寸合适 可以用于后续模拟计算 阻力系数和升力系数讨论阻力系数和升力系数讨论 由上图可知阻力系数 Cd 0 6493 升力系数 Cf 0 58390438 压强 湍动能 速度讨论压强 湍动能 速度讨论 压强云图压强云图 湍动能分布图湍动能分布图 速度云图速度云图 速度矢量图速度矢量图 从压强云图可以看出 在车底部压强相对车顶部较小 这样车才才能安全 形式 产生较大的动摩擦力 车最前端压强最大 这是因为该处气体速度 最小 尾翼的上部比下面的压强要大 对比静压强云图和速度云图可以看出 速度较大的地方 压强较小 车尾 部和尾翼部分形成很大的低速区域 湍动能云图可见 在车前端湍动能较大 这是因为该部分是最先和空气接 触的部位 空气流动波动非常大 产生的脉动速度也相应较大 尾翼部分 的湍动能比较小 空气流动波动小 产生的脉动速度也相应较小 两辆车运行情况比较两辆车运行情况比较 Y Y 检验检验 绘制汽车周围的 y 可以看到 y 大部分分布在 50 300 之间 说明第一层 网格大小尺寸合适