汽车后保险杠对后围流场影响分析

毕业论文设计题目：汽车后保险杠对后围流场影响分析学生姓名：学号：4专业班级：车辆08-6班指导教师：院系名称：机械与汽车工程学院目录摘要.1Abstract.2第一章绪论.31.1研究背景、目的和意义.31.2国内外历史和现状.41.3本文研究的主要内容.5第二章汽车外流场数值模拟的理论基础.72.1计算流体力学理论（CFD)在汽车行业中的应用.72.2汽车空气动力学的发展.72.3汽车的空气动力学对汽车性能的影响.102.3.1汽车空气动力学特性对动力性的影响.102.3.2汽车空气动力学特性对经济性的影响.112.3.3汽车空气动力学特性对操纵稳定性的影响.122.4汽车的流场.132.4.1外部流.132.4.2内部流.142.4.3汽车周围流场的特点.142.5汽车周围流场的三维湍流数值模拟.152.5.1流场的基本模型及简化.152.5.2控制方程.162.5.3湍流模型.18K2.5.4CFD的常用数值计算方法.202.6分析流程.22第三章后保险杠对空气动力学特性影响的数值模拟.243.1软件简介.243.2三维几何模型的分析过程.25第四章后保险杠改变过渡圆角半径后汽车空气动力学特性分析.384.1汽车原始模型的空气动力学特性分析.384.1.1车身外流场分析.394.1.2尾部流场的分析.394.2后保险杠不同过渡圆角半径下汽车模型空气动力学特性比较.414.2.1残余曲线图.414.2.2速度矢量图.454.2.3压力分布图.474.3计算结果及相关数据分析.51致谢.53【参考文献】.54-1-汽车后保险杠对尾部流场的影响摘要：汽车后保险杠对空气流场的影响很大，汽车在行驶中会产生漩涡，而漩涡会消耗很大一部分的能量，使得运动阻力增加。减小汽车在行驶过程中的空气阻力系数，能够有效地降低油耗，达到节能减排的作用。本文阐述了汽车空气动力学特性研究的背景和意义,以及进行空气动力学模拟研究的发展和应用现状,研究了汽车外流场数值模拟的理论基础。以某款轿车模型为研究对象,以软件Hypermesh和STARCCM+为工具计算流体力学,利用改变后保险杠底部过渡圆角半径进行模拟。通过速度矢量图、压力分布图以及风阻系数的大小，分析模型改变前后的外流场。计算结果表明,后保险杠选取最优的过渡圆角半径可以改善尾流结构,优化汽车空气动力学特性。关键词：计算流体动力学空气动力学外流场汽车后保险杠-2-Abstract：Therearbumperofthecarhasagreatinfluenceontheairflowfield.Whenthecarismoving,itwillproduceawhirlpool,Thewhirlpoolwillconsumealargepartoftheenergy,whichmakestheincreaseoftheresistancemovement.Reducingtheairdragcoefficientofthecarinmotiontheprocesscaneffectivelyreducefuelconsumptionandachievetheroleofenergysaving.Thebackgroundandthemeaningofautomobileaerodynamicswereintroducedfirstlybythisthesis,anditcanbeconcludedthatComputationalFluidDynamics(CFD)analysisisanimportantmethodinautomobileaerodynamicsresearch.Thetheorybasicofthecarexternalflowfieldwasstudied.TheaerodynamiccharacteristicsofasimplifiedcarmodelwerestudiedwiththesoftwareHypermeshandSTARCCM+asatooltocomputationalfluiddynamicsandsimulatebychangingtherearbumperofthebottomofthefillet.Comparingvelocityvector,pressuredistributionandthesizeofthedragcoefficient,analysisoftheexternalflowfieldaroundthemodelchanges.Theresultsshowthatthebestroundedrearbumpercangreatlyimprovethestructureofthewakeandoptimizethevehicleaerodynamiccharacteristics.Keywords:computationalFluidDynamics,Aerodynamics,ExternalFlowField,Automobile,reardumper-3-第一章绪论1.1研究背景、目的和意义随着汽车行驶速度的提高，作用在汽车上的气动力也越来越大。实验表明，当车速达到65公里/小时的时候，气动阻力已经占汽车总阻力的1/2左右。随着车速的进一步提高，汽车受到的气动力以及气动力矩也越来越显著，它们很大程度上影响着汽车的经济性，动力性以及稳定性。最初的汽车，车速相当低，所以在设计中，除了考虑的机械性能外，并没有考虑空气动力学方面的问题。随着技术的发展，汽车性能在逐步提高，汽车行驶速度不断加快，驾驶员和乘客开始处于气流之中，挡风玻璃随之出现，空气阻力的影响开始突显出来。20世纪初期，人们开始认识汽车动力特性的同时，也开始关注汽车行驶的气动力影响。汽车车速的提高对汽车的性能提出了更高的要求，加上石油价格的上涨，使汽车设计中对如何改善燃油经济性提出了更苛刻的要求。而空气动力学特性直接影响着汽车的驱动特性、稳定性、操作性、燃油经济性、加速特性和噪声特性等方面。传统的汽车空气动力学研究中通常分为实验和理论两种方法，风洞实测的方法耗资大，在一般的经济条件下根本无法进行。近年来，随着计算机技术、计算流体力学及其相关软件的发展，原来只能在风洞中进行的实验可以通过计算机在虚拟的环境下进行数值模拟。随着计算机技术和湍流理论的发展，计算流体力学（CalculationFluidDynamics.CFD）的方法被运用到汽车空气动力学研究中。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。同时运用风洞试验来验证和完善理论上的论断和流场的模拟，使两者相互补充，不断丰富和完善汽车空气动力学的理论和方法。汽车在高速行驶时对于空气动力学应用的追求是有意义的，为了“防备”汽车在高速行驶中飞起来，需要通过一些空气动力学部件给汽车一定下压力，同时为汽车提供抓地力。空气动力学在高速汽车上的应用主要体现在两个方面：一是让部件产生的下压力为轮胎提供足够的抓地力，另一个则是尽量减少汽车-4-在行驶中的空气阻力。现在轿车的常时速已达100公里左右，最高时速更达200公里以上，因此轿车的车身设计要服从空气动力学，要有尽量低的风阻系数。研究指出：如能使气动阻力系数下降2025，汽车的燃油消耗可减少820，采用其它任何措施都难达到如此好的效果。所以，空气动力学的研究，如后保险杠对整车空气动力学特性影响的研究，对于汽车设计的意义不仅仅在于改善汽车的操纵性，同时也是降低油耗的一个窍门。研究后保险杠的主要是找到保险杠的最优设计,如果保险杠过渡圆角半径选取不当，就会使得风阻系数增加，即汽车的燃油消耗量增加、动力性会变差，因此，研究后保险杠，对于提高汽车的燃油经济性，改善汽车的空气动力学特性有很重要的意义。1.2国内外研究历史和现状在汽车发明后的最初十几年，由于大多数局限于解决机械问题，且车速很低，汽车空气动力学问题并没有真正的提到议事日程。今天看来，最早的按照空气动力学观点设计的汽车是1899年由比利时人卡米勒詹纳兹设计的状如炮弹型的汽车。该车基本就是在一个炮弹外形车身上加装行驶系统，车身长宽比为4:1.随后，又相继出现了几个“炮弹型车”。较为系统的有关汽车空气动力学的研究工作始于1911年。这一年，德国人里德勒在分析车辆阻力的时候引入了气动阻力的概念。1920年有关车身外形与气动阻力的实验工作在德国的腓特烈港（Freidrechshaften）的策佩林（Zeppelin）工厂的大风洞中进行，1922年一系列有关实验的首批论文正式刊登于德国的技术文献上，其中如克兰普尔（W.Klemperer）的“汽车气动阻力的研究”论文为代表之一。德国人保尔贾瑞（P.Jaray）提出了“最小阻力的外形是以流线体的一半构成的外形”和“只有消除汽车尾部气流分离，才能降低阻力。”这些论点大大推动了汽车空气动力学的发展。“J”型车的造型思想对当时汽车设计产生了巨大的影响，以至于后人将从“J”型车概念的提出到第二次世界大战结束这一时期称为“J”型车时代。20世纪30年代初，德国人卡姆领导工作者就开始着手进行有关气动力对汽车稳定性和直线行驶能力的影响的系统研究，由于这项研究工作的结果，或-5-者说其理论的影响，在斯图加特组建了车辆和车辆发动机研究所。20世纪40年代初，由于竞赛汽车的发展从而产生的气动升力及纵倾、侧倾力矩对汽车性能影响问题已开始引起研究者们的重视。首先提出诱导阻力概念的法国人罗曼尼认为：产生较大升力的汽车车身难以获得低的阻力系数。20世纪50年代，汽车空气动力学研究已延伸至汽车性能影响的研究领域。汽车外形设计也进入了气动造型和美学造型完美结合的黄金阶段。20世纪60年代初英国怀特等人在米拉（MIRA）风洞进行了著名的耗资巨大的141辆汽车的实车风洞试验。用大量详实的数据找出了一整套估算气动阻力系数的方法。该研究将汽车外形对气动阻力影响分为9各部分，将9部分气动阻力系数相加即为整车的气动阻力系数。20世纪70年代，以英国人塞伯-里尔斯基和80年代德国人胡克为代表的一批科学工作者，在总结前人的研究成果基础上结合各自的研究工作，为使汽车空气动力学成为一门独立的研究学科奠定了坚实的基础。国内外主流汽车公司在空气动力学方面的研究在近几年里得到了迅猛的发展。内燃机的改进在近十年步伐明显放缓，要想改善汽车的动力表现只有从改善空气动力学和提高动力传输效率两方面入手。新的量产车在空气动力学方面的表现也越来越好，这也就是说新车的空气动力学设计也越来越严谨。目前由于国内汽车工业发展一直比较落后，汽车空气动力学的研究起步较晚，通过对航空器实验中的一些风洞经验的借鉴和近年来的发展，某些成果已经达到了实用水平，但总体还处于起步阶段。研究后保险杠对轿车的空气动力学特性的影响，目前在国内外还是一个比较热的方向。对于轿车后保险杠的研究，计算对象仍然是车体基本形状，后视镜、后扰流板等都忽略了，划分的网格数目比较少，因此在计算精度上有一定的影响。1.3本文研究的主要内容由于在汽车空气动力学研究中，CFD技术相对于风洞实验所具有的优越性，使其正逐步成为汽车造型设计中不可缺少的基本辅助设计工具。本文研究的主要内容集中在汽车整体外形设计的后保险杠部分，尝试对不同过渡圆角半径的后保险杠下的汽车模型进行外流场的数值模拟，观察相应的-6-外流场速度矢量图与车身表面压力分布情况，分析汽车空气动力学特性，通过对比得到的结果并分析产生的原因，寻求后保险杠基本设计的指导思想，为后保险杠的优化设计提供有益的参考依据。研究中主要工作内容如下：1.基础准备分析研究汽车外流场数值模拟的理论基础，包括汽车空气动力学理论，计算流体力学理论、数值计算理论以及Hypermesh、STARCCM+软件等。2.模型的建立在CATIA中对汽车模型的后保险杠底部过渡圆角半径依次修改到5mm、10mm、15mm，令其前保险杠分别修改到5mm、10mm，在不同的过渡圆角半径下，共进行6次模拟分析。依次运用Hypermesh画网格，导入计算流体力学软件STARCCM+中,对汽车后保险杠模型的外围流场进行数值计算模拟，分析其对气动性能的影响。3.网格化分和边界条件的设置对建立的各种三维车身几何模型合理地进行网格化分，对车身和后保险杠周围进行网格局部加密，正确合理地设置边界条件和计算参数，提高计算的精度。4.空气动力学特性分析对7种三维汽车模型在30m/s的车速下进行数值模拟分析，得出各个模型的外流场分布特性和空气动力学数据。研究各过渡圆角半径下的速度矢量图、压力分布图以及风阻系数的大小。分析改变过渡圆角半径前后空气动力学特性的变化，研究后保险杠过渡圆角半径的改变对汽车空气动力学特性的影响，并通过对比分析结果找出最优的设计方案。-7-第二章汽车外流场数值模拟的理论基础2.1计算流体力学理论（CFD）在汽车行业中的应用计算流体力学（CFD）是是多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分的数学理论、计算几何、数值分析等学科。这些学科的交叉融合，相互促进，推动着计算流体力学不断向前发展。随着计算机技术的快速发展，CFD理论取得了很大的进步，并在汽车空气动力学中得到了广泛的应用。在模型风洞实验中存在着动力相似和几何相似的影响，还要考虑风洞边界条件的影响，以及湍流、风速、风向、雷诺数等，实验结果要进行换算，而且还存在采集数据的测量误差等问题。同实验相比，CFD具有可预见先研究、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CFD研究外流场比理论和实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。CFD可以方便灵活的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，使得清楚的研究流动机理变得方便可行。CFD技术应用于汽车设计从80年代欧美为中心开始，伴随计算机技术的发展和湍流理论的不断发展，CFD用于汽车设计成为可能。在80年代初期，计算的对象还仅限于车体的基本形状，最近发展到了包括保险杠、后视镜、扰流板、复杂底板等复杂的车体模型，而且还进行了侧风稳定性和侧风过渡特性。国外对汽车外流场的湍流解析模型主要有模型、时间平均模型和空间平均的大K涡流模拟法（LES），计算所使用的网格数量已经达到，计算结果接近真6105实结果，误差控制在5%以内。在结果分析中大量使用可视化技术，可以将庞大复杂的计算结果转化为简单明了的图形或者动画，大大提高分析和解决问题的-8-速度和质量，加快对模拟对象的认识，提高工作的效率。2.2汽车空气动力学的发展由于人们长期不断的努力，汽车空气动力学的研究工作有了巨大的进展，气动阻力系数不断下降，汽车的各项空气动力学指标都有了较大的改善。图2.1为小轿车气动阻力系数随年代的变化情况。图2.1轿车气动阻力系数随年代的变化汽车空气动力学经过70多年的完善和发展，逐步为人们所认识，形成了一门独立的学科。这一学科的建立有赖于流体力学和空气动力学的基本原理和定律，同时也在很大程度上受益于航空空气动力学。风洞试验是进行汽车空气动力学研究的主要手段，但是飞行器的试验与汽车的试验存在很大的差别，因此汽车空气动力学又具有它自身的特殊性。飞行器多为流线型物体，在大气中自由飞行；而汽车外形接近于钝形物体，在地面上运动。汽车周围的流场受到地面的影响，同时车轮的转动还会对汽车的空气动力产生干扰。另外车速的改变和行驶状态的变化还要影响汽车的直线行驶能力和汽车的稳定性。汽车的风洞试验技术和飞行器的试验存在较大的差别，这些问题都需要进行深入的研究。伴随着空气动力学在汽车上的运用，人们开始认识到了汽车空气动力学有别于航空器一味追求流线型来降低阻力的特点，而有汽车自身外形局限性和行驶环境的独特性。从汽车空气动力学的发展阶段来看，可以概括为三个时期：（1）基本型时期1.原始型阶段在汽车问世后的十多年中，汽车设计者们更多的经历是用于底盘构造、零-9-部件及发动机的研制上。汽车外露零部件很多，相互之间联系松散，大多数汽车仍是原马车的变形，并没有形成完整的车身概念。这一阶段由于举办的汽车赛事多为速度争先赛，因而提高发动机和汽车可靠性以及减小风阻是汽车设计者们考虑的主要问题。他们凭着对自然界流线型的直接了解，推出了一些可减小风阻的车型，并做了一些大胆探索和尝试。凭直观朴素的感性认识来考虑减少车身的风阻，车身气动造型没有“整体化”，是这一阶段的主要特点。虽然“炮弹型”和“船尾型”比当时脱胎于马车的车型有一定的进步意义，但这种完全仿形于空中飞行物、水中航行物的形体是不符合气动造型原理的，因为它没有考虑地面对气流的影响。2.基本型阶段随着车速的提高，原始型车已不能满足人们对汽车遮风避雨以及乘坐舒适性所提出的要求。这样就出现了比较完整车身来考虑空气动力学的车型。这一阶段主要特点是较明确的将航空空气动力学的研究成果运用于汽车车身。但限于条件不可能更深入的考虑汽车空气动力学的问题。（2）流线型时期这一时期最主要的特点是人们对汽车空气动力学的研究不再仅凭感性认识，而且有了一定程度的理论分析和试验验证，研究内容也不再只是局限于气动阻力。这一时期根据人们对流线型在汽车车身上的应用认识程度不同又可分为两个阶段。1.长尾流线型阶段从1911年冯卡门（F.Karman）发现空气中运动物体后部存在涡流以来，寻求最低风阻的流线型体是流体力学的经典问题。以“J”型造型对当时的汽车外形设计的影响十分巨大。但是“J”型造型的过分狭长尾部，不仅对减小气动阻力无益，反而增加了汽车的横向不稳定性。因此这种流线型被称为“伪”流线型。2.短尾流线型阶段1934年，卡姆教授通过风洞试验研究表明“J”型车的长而尖的尾部并不是必不可少的，即通过试验研究发现，将浸没于尾流区内的车身后部截掉，不仅不会带来压差阻力的增加，而且在总长相同的情况下，反而会提高车身的横向稳定性。因而提出了有名的“短尾”造型概念（或称为“K”型车）。雷依教授也提出了“L”短尾造型。这一阶段由于汽车空气动力学广泛而较深入的研究，-10-使得车身造型不断的推陈出新，连续推出了船型、鱼型。（3）最优化时期1.细部最优化阶段为达到减小气动阻力和提高行驶稳定性的目的，而进行的车身局部修型和加装空气动力学的附加装置。这一阶段的主要特点是着重从已有的汽车产品上来改进车身细部气动造型，通过各个细部造型的优化和相互协调来优化汽车整车的气动性能。2.整体最优化阶段从一个总体尺寸和体积与所需汽车基本类似的理想低阻形体出发，从总体的角度逐渐向实用车型逼近，以满足性能、人机工程学、工艺学、美学造型。2.3汽车的空气动力学特性对汽车性能的影响2.3.1汽车空气动力学特性对动力性的影响汽车的最高时速、加速时间和最大爬坡度是评价汽车动力性的主要指标。1.气动力对最高车速的影响在水平路面上等速行驶的汽车，驱动力全部用来克服滚动阻力和气动阻力。假设汽车前后车轮的滚动阻力相同，汽车的重力和气动升力均匀地分布在四个车轮上，汽车的最高车速可以表示为：（221maxax)(21fCAGFvLD1）式中：为最高车速；为最大驱动力；G为车重；为滚动阻力系数；maxvmaxf为空气密度；为汽车正面投影面积；为汽车气动阻力系数，AD；为汽车气动升力系数，。2vFCDL2AvFCL可见，在最大驱动力时，车重和其他因素不变的情况下，最高车速取决于气动阻力系数和汽车升力系数。减小气动阻力可以提高车速。但是由于气动升力对汽车的操作稳定性影响很大，不能简单的用增大气动升力系数来分析其对-11-最大车速的影响。2气动力对汽车加速度的影响汽车的加速度可表示为：（22360AvCGfdtPvDT2）式中为发动机功率随时间的增长率；为汽车传动系效率；为车速。tTv汽车的加速度能力首先取决于发动机的加速性能，同时还与汽车的气动阻力系数近似成反比关系，减小汽车气动阻力，就可以增加汽车的加速度。气动阻力增加，会导致加速度下降，当达到最大速度时，加速度就降为零。3气动力对最大爬坡角度的影响当达到最大爬坡角度的时候，汽车的加速度为零，汽车牵引力只克服滚动阻力、气动阻力和爬坡阻力，即：（23）sin2/)2/cos(GAvCfAvGFDL式中：为坡度角。通常较小，可以认为：；。1cosita其中为爬坡度。i（2vfviDL/2)2/(max4）最大爬坡度不仅与汽车质量、速度、车轮滚动摩擦系数有关，而且还与气动阻力、气动升力有关。2.3.2汽车空气动力特性对经济性的影响汽车空气动力特性对经济性的影响有以下几个方面：1气动阻力占总阻力的比例汽车行使时的总阻力可表达为：T(25)rRgF式中：为气动阻力，；为总的滚动阻力，gRFDACv21rR；、为作用在前、后轴上的汽车重力分RFrfLGfL)(2)(2FG-12-配值；、为作用在前、后轴上的气动升力；、为前、后轮胎上的滚FLRFfR动阻力系数。车速在60km/h的时候，气动阻力与滚动阻力几乎相当，当车速升高时，气动阻力所占的比重加大，在150km/h的时，气动阻力相当于滚动阻力的2-3倍。2消耗于气动阻力的功率汽车的气动阻力是由发动机的牵引力克服的。因此气动阻力直接影响到所需要的发动机的功率。消耗于气动阻力的功率可用传动效率来表示：（2AvCND35216）消耗于气动阻力的功率与速度的三次方成正比。3气动阻力与燃料消耗量有关研究表明，在各种车辆的每百公里的燃料消耗量中，小型客车用于克服气动阻力的燃油消耗量为50%左右，比例最大，其次是普通货车，占32%左右。通过空气动力特性改进，红旗CA774轿车气动阻力系数从0.42降低到0.25，首都630、红星621、沈阳622B小公交气动阻力系数可从原来的0.62、0.481、0.77分别降低到0.44、0.40、0.44。降低气动阻力系数对燃油经济性的改善是极其可观的。如，轿车气动阻力系数从0.42降低到0.30，在循环行驶工况下，燃料经济性改善9%左右，而以150km/h行驶时，燃料经济性的改善可以高达25%。2.3.3汽车空气动力学特性对操纵稳定性的影响汽车空气动力学特性对操纵稳定性的影响有几个方面：1.升力与纵倾力矩对操纵稳定性的影响升力和纵倾力矩都将减小汽车的附着力，使汽车转向轮转向力降低，使驱动轮牵引力减低，影响汽车的操纵稳定性。质量轻的汽车，特别是重心靠后的汽车，对前轮的升力特别敏感。当汽车高速行驶时，升力作用随着车速增加而增加，前轮上作用的升力使汽车上浮，当升力达到一定大小时，由于前轮失去必要的附着力使汽车失去控制。升力和纵倾力矩对于高速行驶汽车的操纵稳定-13-性影响很大。为了提高车辆在高速行驶下稳定性，应该减小升力。升力减小可防止汽车的摆头，并由于附着力增大，行驶的性能得到提高。2.侧向力和横摆力矩对操纵稳定性的影响当汽车受到非正迎面风时，气流的合成相对于速度与车身方向成一定角度，由此产生车身侧向上的分力，即侧向力。当侧向力作用点与质心有一个距离，则同时产生横摆力矩。如果侧向力通过汽车的中性转向点，车辆将保持直线行驶，但相对原来的行驶方向会有偏移。如果作用点前于中性转向点，车将顺着风的方向转向，并且伴随产生横摆力矩，使车辆向风的方向摆动，稳定性发生恶化。3.侧倾力矩对操纵稳定性的影响由于汽车车身周围气流的影响，会产生绕车身纵向的侧倾力矩，这个力矩通过悬架一直传递到左右车轮，使车轮的负荷发生分配不均匀的现象，由于车轮的负荷不一致，影响汽车的转向特性。4.实际气动扰流对汽车操纵稳定性的影响由于汽车实际的运行环境变化很大，高速公路上行驶的汽车，经常会遭遇气动扰流的影响，造成这种气动扰流的原因很多，如自然风、环境风、超车、尾随等，因此这种扰流产生的影响十分复杂。气动扰流使气动力和气动力矩发生变化，会引起汽车行驶特性的改变。2.4汽车的流场汽车的流场分为两类：一类是汽车的外部气流，它包括汽车表面所有的气流；另一类是内流，即通过诸如发动机、排气系统、冷却系统以及驾驶室的气流。2.4.1外部流汽车外部的流场使汽车受到力和力矩的作用，对汽车的动力性、经济性和操纵稳定性产生极大的影响。通过流态分析，可以理解重要的流动过程，如气流在汽车车顶后缘发生分离，形成一个很大的滞区，以及车身尾部的气流分离-14-过程。汽车周围的外部流如下图所示，地面附近的一部分空气必须从车身底部和路面之间强制通过，气流的流线在汽车的后面并不终止，而是形成涡流，从而产生阻力。从图中可以看出各流线之间不是等间距的，各流线之间的间距存在着差异，这表明了升力的来源。间距小，表明流速高，因此静压低，产生与汽车行驶方向垂直的纵向力（升力），它是向上的，趋于提起汽车，从而减小有效载荷，随之产生的俯仰力矩，则造成前后轴荷的转移。在静止空气中，假设没有气流分离现象，粘性只是在汽车表面几毫米的薄层中起作用，这个薄层就称为附面层。在汽车表面，气流与汽车表面没有相对滑动，当气流在车身尾部发生分离时，附面层便扩展了，这时，气流的粘性起作用。在离开车的某一距离，自由面和地面之间不存在速度差异，所以，对于地面坐标系来说，地面就是有恒定速度的气流边界，在这个边界上，没有附面层，这是风洞中模拟道路汽车周围气流的重要条件。汽车的形状和雷诺数影响着汽车的粘性流特性。粘性流体有层流和湍流两种绝然不同的运动形态。两种运动形态在一定条件下可以相互转化。雷诺数到达临界值时就发生层流转化为湍流这一量变过渡到质变的飞跃过程。对于汽车，雷诺数是表征汽车周围粘性流特性的无量纲参数。（2410Relvl7）是车速、流体的动粘性系数和汽车的特征长度的函数。levl2.4.2内部流-15-内部流就是被各个面所包围的气流，流线与管壁平行。一般内流不能按距离管壁的远近分为非粘性流和粘性附面层。在整个流场内，粘性流都起作用。内部粘性流的改善，也取决于雷诺数。（2DvmRe8）为平均速度，管的直径为特征长度。对于不同的值，可产生不同形式的mvDRe气流。2.4.3汽车周围流场的特点汽车是在道路的支撑下在路面上行驶的钝头体，周围的流场十分复杂。其主要特点是：（1）由于汽车基本上为钝头体且外形是由复杂的三维曲面所组成，并且车身底部凸凹不平，以及车身附件诸如保险杠、门把手、后照镜等的干扰影响，使汽车周围存在着大小不同的分离区域。这些分离区域表现出明显的湍流特征。同时，汽车不能分为几个相互独立的流场，对其周围的流场只能做整体考虑。（2）因汽车三个方向空间尺度相差不大，特别是与行驶方向垂直的尺寸较小，从而使各个方向的流动相互干扰表现出湍流特征。（3）由于汽车冷却通风、大气环境和行驶道路周围环境的影响，再加上通过车身下部的气流由于地面的干扰而受阻，车身底面的粗糙不平、车轮以及地面对周围流场的作用，使得汽车周围得流场变得更为复杂。（4）汽车空气动力学属于低速空气动力学。假设汽车得最高车速为250km/h计算，马赫数也只有0.20，这时的空气密度变化大约仅为2。可忽略空气压缩性的影响。这样就把汽车周围流场看作是不可压缩场。（5）由于空气相对汽车作低速流动，空气的热传导系数很小，汽车对周围流场的热影响可忽略，因此汽车周围流场可看作是恒温场。（6）空气底密度很小，在模拟汽车周围流场时，流场中空气的单位质量力可以忽略。2.5汽车周围流场的三维湍流数值模拟-16-汽车外流场数值模拟是计算流体力学基本原理在汽车上的具体应用。流体运动千变万化，但也要遵循物理学普遍规律，即质量守恒定律，动量守恒定律，能量守恒定律，热力学定律和流体的物性。流体力学方程就是根据流体的连续介质假设，由以上定律出发推导出的描述流体运动基本规律的数学表达式。2.5.1流场的基本方程及简化在笛卡儿坐标系中，流体力学方程组的最一般的形式如下所示：由质量守恒导出的连续性方程（20)(divt9）由动量守恒导出的运动方程（2divPFt10）由能量守恒导出的能量方程（2pqkgradTivSdtU)(:11）状态方程（2),(Tfp12）以及本构方程（2IdivVIiSpIP1)3(213）其中、和U分别代表流体的密度、力、速度、压力和总能量。FV、为粘性系数，为热传导系数，代表温度，为变形速度张量。1kTS理论上由以上方程，再加上根据所求解的具体问题指定的边界条件和初始条件，就可以完全确定流体力学问题的速度场、压力场和温度场。但是，利用数值计算直接求解这组方程极为困难，必须进行简化处理。由于汽车周围流场可作为三维不可压缩粘性等温流场来处理。因此，流场-17-基本方程组中的能量方程和状态方程就不必列入。方程就只简化为：连续方程：（20divV14）运动方程：（2Vgradpt15）其中，随体导数可以分解为局部导数和位变导数之和，即（2utd16）运动方程（216）就是不可压缩粘性流动的Navier-Stokes方程，简称N-S方程。2.5.2汽车周围流场的三维湍流数值模拟控制方程O.Reynolds于1883年通过管流试验发现了层流和湍流两种流态及临界雷诺数，这引起了物理学家、数学家和科技工作者的密切关注，他们通过对湍流运动的广泛观察、试验和理论研究，已经在湍流特征、湍流运动基本方程和湍流模式等方面取得了很大的进展。特别是近年来随着电子计算机科学的迅猛发展，在试验理论及工程应用等方面取得了可喜的成果。但是，由于湍流运动极其复杂，至今对湍流运动的认识尚不全面，还没有得到较为普遍适用的湍流模式。我们知道，层流是很平稳有序的流动，其动能的变化与粘性扩散有关，而且只有在低速运动（即低于临界雷诺数）的情况下才可能是层流。而湍流则是很粗糙的、不规则的杂乱无章的随机流动，即流动参数随时间和空间作随机变化。湍流本质上是三维非定常流动，且流动空间分布着相互掺混的无数大小和形状各不相同且不规则的漩涡。因此，可以说湍流是随机的三维非定常有旋流动，湍流的动能变化是各种因素综合影响的结果，湍流只有在高速运动（即高于临界雷诺数）的情况下才可能发生。从层流状态转变为湍流状态的过程非常复杂，目前人们还没有完全认识该过程的机理，它成为尚未解决的流体力学难题之一。由于理论上和实用上的重-18-要价值，人们经过几十年的不懈努力，特别是随着流动显示和流动诊断技术的提高，对此过程的认识已经有所深化和发展。关于从层流过渡到湍流的原因曾有两种不同的解释，一些学者认为，湍流的产生是由于来流的某种不稳定性引起的，即在一定条件下某些微小的扰动可以迅速发展，使整个流动成为湍流。另外一些学者则认为，在多数情况下流体运动对于微小扰动具有一定的稳定性，只有在一定程度的扰动作用下或者足够大的反方向压力梯度影响下才能过渡到湍流。根据现代的研究来看，以上两种论点都是成立的。产生扰动的因素有来流速度不均匀，流动存在不连续的界面，物体表面不平整不光滑，流体不纯净（如含有杂质或气泡）和来流温度分布不均匀等。另外，由于惯性力、粘性力、重力、压力、表面张力、电磁力、哥氏力和离心力以及它们之间的相互作用可能使扰动扩大或受阻。从层流到湍流是一个过程，而在工程问题中所研究的主要是指那些已充分发展的处于统计平衡状态下的湍流运动。通过对湍流的观察和测试表明，湍流有如下特征：（1）湍流场似乎是许多不同尺度的漩涡相互掺混的流体运动场，单个流体微团的运动类似于分子运动具有完全不规则的瞬间变化的运动特征。（2）湍流场中各种物理量都是随时间和空间变化的随机量，但它们在一定程度上都符合统计规律。因而空间点上任一瞬间的物理量可用其平均值与ff脉动值来表示，即1f（217）（3）湍流场中任意两个邻近空间点的物理量彼此具有某种程度的相互关联，从而在不同的湍流结构和边界条件下而呈现出不同的相关特征。研究湍流运动时广泛使用上式的平均值法，平均值法可分为时间平均法、空间平均法和综合平均法。最常使用的是时间平均法，则空间上任一瞬时的物理量的时间平均值可记为式（1.19）：（2tlfdf118）-19-把时间平均值的概念用于汽车周围流场数值模拟的控制方程可得：平均连续方程：（20jxu19）平均动量方程：（2、jijijjijijiiuxuxxpuat20）上述两个平均方程即为汽车周围流场的三维湍流数值模拟控制方程，又称Reynolds时均方程。时均法是目前工程流场计算中最广泛使用的方法。引入时均法后，我们可将非定常的湍流流动作为定常流动处理。本文研究车身外流场，根据国内外对汽车外流场的计算经验，假设流动是定常的，空气介质的物性参数恒为常数。一般情况下，汽车车速低于200km/h，即空气相对于汽车运动的马赫数远小于0.3，因此气体流动情况定义为不可压流动，空气对汽车的绕流处于湍流状态。本文采用工程上广泛应用的雷诺时均三维不可压缩N-S方程。2.5.3湍流模型K在湍动能的方程的基础上，再引入一个关于湍流耗散率的方程，便形成了两方程模型。该模型是目前使用最广泛的湍流模型。它的偏微分方程为：方程：（2Gxkujtj21）方程：（2kCGxxujtjj2122）-20-其中（2jiijjitxuG23）（22kCt24）湍流动能是指湍流中单位流体的平均脉动动能，即K（2、ijuk2125）湍流耗散率是指湍流中单位质量流体的脉动粘性耗散，即（2jixu、026）方程中应用的常数值的推荐值取K=1.0，=1.3，=1.44，=1.92，=0.09k1C2C常数均为试验结果。如是由整流装置尾流各向同性湍流的衰减试验结果确定的，是由局部平衡剪切流的试验结果决定的，而和都是接近1.0的数k值。将模式方程与前述时均方程联立在一起就构成了求解汽车三维流场的封K闭方程组。在流体软件中运用的主要湍流模型就是标准方程的变种，这些方程都包K括湍流动能与湍流耗散率的输运方程。各种湍流模式的选项按照如下方面来分类：（1）方程的形式（2）对近壁区的处理（3）雷诺应力与变形率的关系雷诺应力与变形率为线性关系的模型称为线性模型，而雷诺应力与变形率-21-之间为非线性关系的模型称为非线性模型。线性模型的有如下主要几种：（1）标准模式方程。这种模型中高雷诺数形式的方程与方程在KK近壁区以外的区域进行求解，在近壁区采用代数形式的壁函数来表达流动，传热以及质量运输等等；（2）低雷诺数模式方程。在这种模型中方程与方程在整个流场区域中进行求解，并不需要壁函数。（3）RNG模式方程。这种方程把高雷诺方程与壁函数结合起来使用。K（4）Chen式模型。此模型引入产生与耗散时间尺度来封闭耗散方程，这种模型也把高雷诺数方程与壁函数结合使用。非线性模型主要有以下几种：（1）高雷诺数形式二次方程与方程与在近壁区采用的代数形式的壁函K数；（2）高雷诺数形式三次方程与方程与在近壁区采用的代数形式的壁函数；（3）低雷诺数二次模式方程。在这种模型中方程与方程在整个KK流场区域中进行求解，并不需要壁函数；（4）低雷诺数三次模式方程。在这种模型中方程与方程在整个流场区域中进行求解，并不需要壁函数。N-S方程需要引入相应的湍流模型来封闭方程，本文采用标准模型。K标准模型中雷诺应力为：K（2ijijjitjikxuu32)(-27）式中：模型的涡粘性系数为；为湍流耗散率；为湍流动能。/2kCt，由下式来封闭确定：K-22-（2kCpxuxtkktkjtjjkjtjj21)()28）2.5.4CFD的常用数值计算方法汽车周围流场的封闭方程组是一组非线性偏微分方程，要得到解析解非常困难，目前国内外均采用数值计算的方法求解。CFD方法是对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。计算数学中，将具体的流场控制方程分为3类：椭圆型、抛物型和双曲型。椭圆型方程与时间变量无关，仅与空间变量的二次导数项有关，一般用作描述定常情况的控制方程。抛物型和双曲型方程不仅与空间变量导数项有关，而且分别与时间变量的一阶和二阶导数项有关，被用作描述非定常情况的控制方程。求解偏微分方程的数值方法主要分为有限差分法、有限元法和有限体积法。它们中的任意一种都可以用来求解偏微分方程，但求解的精度各不相同。对这三种类型方程数学上已经发展出不同的稳定、收敛的算法。一般对椭圆型方程使用有限元法，对抛物型和双曲型方程则使用有限体积法。（1）有限差分法（FiniteDifferenceMethod.记为FDM）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）的导数用差商代替，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（代数方程组）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。这种方法发展较早，比较成熟，较多的用于求解双曲线型和抛物线型问题。用它求解边界条件复杂、尤其是椭圆型问题不如有限元法或有限体积法方便。（2）有限元法（FiniteElementMethod，记为FEM）与有限差分法都是广泛应用的流体动力学数值计算方法。有限元法是将一个连续的求解域任意分成-23-适当形状的许多微小单元，并于各小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和，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。有限元法的基础是极值原理和划分插值，它吸收了有限差分法中离散处理的内核，又采用了变分计算中选择逼近函数并对区域进行积分的合理方法，是这两类方法相互结合、取长补短发展的结果。它具有很广泛的适应性，特别适用于几何及物理条件比较复杂的问题，而且便于程序的标准化。对椭圆型方程问题有更好的适用性。有限元法因求解速度较有限差分法和有限体积法慢，因此，在商用CFD软件中应用并不普遍。（3）有限体积法（FiniteVolumeMethod，记为FVM）是近年来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CFD领域得到了广泛应用，大多数商用CFD软件都采用这种方法。有限体积法又称为控制体积法，其基本思路是：将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有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。为了求出控制体积的积分，必须假定因变量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量法中的子域法，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。简言之，子域法加离散，就是有限体积法的基本方法。有限体积法的基本思想易于理解，并能得出直接的物理解释。离散方程的物理意义就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足。这是有限体积法吸引人的优点，有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格极其细密时，离散方程才满足积分守恒，而有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确有积分守恒。就离散方法而言，有限体积法可视作有限元法和有限差分法的中间