基于Ansys的汽车外形风洞试验有限元分析讲解

1、基于 Ansys 的汽车外形风洞试验有限元分析 【摘 要】 汽车空气动力学特性对汽车经济性、驾驶安全性、侧风稳定 性等有着较大的影响。通过在 catia 中建立车身几何造型，基于 ANSYS 的 CFD 的有限元仿真环境对车身的空气动力动力学特性进行了数值模拟仿 真研究，得出该车体的速度矢量图，压力分布图等，并根据模拟仿真的气 动造型提出一些建议，为优化汽车车型及改善汽车空气动力学特性提供参 考。 1 前言 汽车空气动力学特性是汽车的重要性能，它是指汽车在流场中受到的 以阻力为主的包括升力、侧向力的三个气动力及其相应的力矩的作用而产 生的车身外部和内部的气流特性、侧风稳定性、气动噪声特性、驾驶

2、室内 通风、空气调节等特性。随着汽车技术的提高和高等级公路的发展，汽车 速度的不断提高以及汽车在行驶时与空气相互作用的各种气动力也越来 越显著，在很大程度上影响着的汽车的经济性、动力性和稳定性。迄今为 止，国内外汽车空气动力学的研究一般采取试验法、试验与理论相结合法 及数值模拟仿真研究法。试验法主要是指风洞试验，目的是为得到准确反 映汽车行驶状态时的空气动力学特性数据，其研究对象主要有汽车空气动 力特性和汽车各部位的流场。风洞试验的结果精度高、可靠性好，对研究 外部气流干扰件的气动作用大小比较有效，但风洞试验成本高、周期长、 需要制作一系列的油泥模型等局限性，这些局限性大大阻碍了其在汽车设 计

3、的应用，并且风洞试验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，不能获得整个流场中任意点的详细信息。此外风洞试验要 精确研究某些复杂的流动现象，如层流向湍流的转变、拖曳涡的形成和发 展、尾部涡系结构等，其测量截面的选取在很大程度上主要依靠经验，这 样使得精确研究这些复杂流动和机理变得非常困难。而在模型风洞试中， 还存在着动力相似和几何相似的影响、试验结果与实车的换算问题，要得 到准确的结果还有一定的难度。 数值模拟仿真是借助于计算机将用CFD应用于汽车空气动力学研究的 方法，其是在计算机上模拟吹风，运用数值分析的方法计算模拟汽车的空 气动力学问题，与风洞试验相比，其有利于CAD/

4、CAM系统的相衔接；不受 风洞试验那样的条件限制；可以获得比通常风洞试验更多的信息；有利于 节省开发时间和高昂的成本。实践证明，CFD可以分析从定常到不定常， 从层流到湍流，从不可压到可压缩，从无粘性到有粘性的几乎所有的流动 现象。将利用 ANSYS中的 CFD来研究汽车空气动力学特性。 2 汽车车身几何模型建立 （ 1）车身几何模型建立的软件采用的Catia ， Catia 软件能为用户提 供一个全面的产品建模系统。 模型曲面的曲率变化较为连续， 光顺性较好。 （ 2）模型的完整性和无重合性。为了方便以后的流动数值模拟计算中的 网格划分，几何模型必须保证完整性和无重合性，即模型中既不能有断开

5、 的地方，又不能有重合的地方。 （ 3）模型的近似处理。在建模过程中对一 些细微部分作了近似处理，省略了后视镜等一些凸起部分，车身底部也近 似处理成为一个平面。选择了某汽车作为参考车型，在 Catia 的中建立其 几何模型， ，几何模型如图 1所示。 图 1 车身几何模型 汽车风洞采用常用的开式试验段形式 , 如图 2所示。在 Catia 中建立 完全与车体相贯的长方体空气流体模型，同时在 Catia 中采用布尔运算中 的移出指令将车体与空气风流体分离。以待将模型导入Ansys 后便于定义 流固耦合面等。最后将文件另存为model格式，以便导入 Ansys 。 图 2 空气流体建模 3 数值模

6、拟与仿真的物理模型 轿车绕流问题一般为定常、等温、不可压缩的三维流场，由于复杂外 形会引起气流的分离，应按湍流处理。采用标准 k 模型来模拟， 上世纪 70 年代， Launder 发展的 k- 模型被称为标准 k- 模型，它求解湍流 动能 k 及湍流动能耗散率 的输运方程，能够反映一定的湍流物理量的输运特性， 是两方程湍流模型的先驱性工作。之后研究人员又发展了重整化群 k- (RNG k- )模型、可实现性 k- 模型等，进一步强化 k- 系列模型的计算性能。另外一 个系列的两方程模型为 k- 模型系列，其中比较有代表性的有标准 k- 模型和 SSTk- 模型。一般来说， k- 模型对高 R

7、e数充分发展的湍流模拟结果较好， 而 k- 模型改进了 k- 模型对受壁面影响湍流模拟的缺陷， 对壁面附近的湍流模 拟精度较高。 k- 模型 在湍流模型的发展过程中逐渐形成了零方程模型、一方程模型和两方程模 型，由于使用的局限性零方程模型和一方程模型很难应用于工程实际。 目前两方 程模型在工程中使用最为广泛， 最基本的两方程模型是 k- 模型，即分别引入关 于湍动能 k 和耗散率 的方程： ( tk)x (ukk)x( exk )GkGb txkxk kxk xk (xk ( t ) xk ( uk ) ( e k )(c1Gk c2 ) 式中： 2) v2 2 ( 2 ) y yu ( y

8、v x tT t T gy t ) tx t y Gkt 2 Gb(gx (xu 2) e t t C k 模型中各通用常数据计算经验可取为： C 0.09,c1 1.44,c2 1.92, k 1, 1.3 标准 K- 模型特性： 可用于边界层型流动和分离流； 近壁需修正或在计算边界上用壁函数 （半经 验公式）作边界条件；属于涡粘模型； 方程模化不确定因素多，可靠性差；模 型常数通用性差；不能模拟强各向异性流（如矩形槽道中的二次流） ；不能计入 涡量的影响。 除此之外还有各种改进的 k 模型，比较著名的是 RNGk 模型和带旋流 修正的 k 模型。 标准 k 模型相对于其他模型来说具有简单易

9、懂，适用范围广的优 点。但对了它自身来说还存在一些缺点：（ 1）标准 k 模式假定雷诺应力 和当时当地的平均切变率成正比，所以它不能准确反映雷诺应力沿流向的 历史效应； （2）标准 k 模式是各向同性的，不能反映雷诺应力的各项异 性，尤其是近壁湍流，雷诺应力具有明显的各向异性，例如方管中的二次 流是由于雷诺正应力之差产生的，标准 k 模式不能正确表达雷诺正应 力，因此不能预测到方管湍流的二次流； （ 3）标准 k 模式计算量比较大， 但是随着计算机技术的发展是可以克服的。 4 模型导入有限元分析软件 ANSYS进行流固耦合分析 （1）将 model格式的车体及空气流体模型导入Ansys的Geo

10、metry（几何 模型）模块，在此模块下定义车体为 solid （固态）、空气流长方体为 fluid （流体）。并对建模过程中生成的与流固耦合分析不相干的几何体进行抑 制。如图 3所示。 图3 将模型导入 ansys下的 Geometry模块 （2） 将模型拖入 Transient Structural （瞬态结构分析）模块，抑制流 体模型，对车体进行分析设定，流固耦合面定义，固定面定义及网格划分 等操作，然后将文件保存以备在 CFD模块下进行与空气流体的耦合分析。 如图 4所示。 图 4 在瞬态结构分析模块下对车体进行定义 （4） 再将模型拖入 CFD（流固双向耦合分析）模块，在此模块下的抑

11、制车体， 对空气流体进行边界面的选定及命名，流体网格的划分等操作。如图5所 示。 图 5 对空气流体进行定义 （ 5）继续在 CFD模块下对流体的分析类型，各边界条件，输出控制等进 行定义。完整定义后，求解。数值模拟的相应物理参数如下 : 进口处速度 为100m/ s；进出口均为标准大气压；空气密度为1.225kg /m3; 湍流模型为 -湍流模型。 K值取 0.01 ，值取 0.024. 如图 6所示。 图 6 对流体边界条件等进行设定 5 模拟仿真结果 流场在汽车不同横向截面处的速度分布图，如图 7所示。描述了空气 绕汽车外部流过时的部分特征 图 7 流 场 不同 横 截 面速 度 大小

12、分 布云 图 通过图 7可以发现：在风流场相对通过车体的过程中，空气流在车头 端部的流速最大；在发动机舱盖上端流速相对减少，这是因为风流体的粘 性作用，使其流过发动机舱盖时，受到了发动机舱盖的粘性摩擦阻滞，以 及前挡风玻璃对风流体形成了一阻力场；当风流通过车顶部时流速会相对 增大，这是因为车顶部较光滑平顺，气流未受到任何的阻碍；当风流通过 后挡风玻璃及后备箱盖时，流速又会减少，这是因为在汽车的外表面上都 有明显的气流附着层，该层是因为气流流经汽车外表面时，因为空气的粘 性，使气流速度急下降，甚至出现气流的止滞。同时气流在该车的发动机 罩和前挡风玻璃之间和前挡风玻璃本体上及车顶部并未出现旋涡和分

13、离、 再附着的现象，基本上呈贴着车身平滑的流动。但是在发动机罩前中部及 后挡风玻璃和行李厢之间都出现了气流的轻微分离、再附着的现象。这说 明车身设计在这部分需要改进，发动机罩前缘过于倾斜，后挡风玻璃和行 李厢稍过倾斜，而车顶的曲率适中。 另外，在车的尾部出现一段死水区，在这里的气流流动是非常复 杂的，存在着大尺寸的涡。 图 8 尾部气流出现倒流现象 距离车尾一定距离上，气流出现倒流现象。如图 8所示。从这个位置 开始，随着距离的增大，速度损耗越来越小，直到距离汽车很远处速度才 接近来流速度。 分析在此区出现倒流的原因是： 流体流经汽车尾部末端处， 突然失去了限制，进入了自由边界层，这些流体与汽

14、车尾部的死水区之间 形成了剪切层而被卷吸。体 流 动 时的 惯 性 力 Fg和粘 性 力 （内摩 擦 力 ）Fm 之比 称 为 雷 诺数 。 用符 号Re表 示。 利 用 雷 诺数 可 区 分 流体 的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的 阻 力 。由于汽车流场的雷诺数很大，再加上剪切层附近的混合作用，将死 水区内的流体卷吸到主流中去，于是在汽车尾部形成大尺度的漩涡。也正 是因为这个漩涡的存在，对汽车产生很大的空气阻力，因此它大大地影响 发动机罩和前风窗交 了汽车动力性，并且随着车速的提高，这种影响成倍增加 由纵向对称面压力分布图可以看出除前脸部分， 界处出现正压外，其余部分

15、均为负压，如图 9 所示 图 9 纵向对称面压力分布图 出现负值较大的地方是汽车后窗和汽车尾部， 而车身顶部出现变化平 缓的负压。 汽车上的气动力与汽车周围所受的压力分布直接相关， 并且压力分布 又与汽车的流谱有紧密的关系。 汽车行使时， 前方来流首先遇到车身前部， 由于气流受阻，速度大大降低，气流的动压转变为静压，在车头前部形成 一个正压区，这股气流分成两部分，一部分向上，通过发动机罩、前挡风 玻璃、驾驶室顶然后向后流去；另一部分向下，通过车身下部，然后向车 尾流去。 流向上方的这部分气流在流经车头上缘时， 由于缘角的半径较小， 气流往往来不及转折，而出现局部分离，又由于流速比较大，在上缘角

16、附 近形成吸力峰。随后，气流又重新附着在发动机罩上。由于发动机罩有一 定的斜度，其上的气流速度仍然较快，因而压力仍为负值，所以在发动机 罩前部形成一个负压区。当气流到达发动机罩和前挡风玻璃交界处时，由 于挡风玻璃的存在，气流速度降低，同时由于凹角的存在，在凹角处形成 一个滞区，在滞区中又有内部涡流的存在，该区具有正压力。在气流到达 挡风玻璃上缘时，又遇到一个转角，因而在车顶前缘附近又出现一个吸力 峰。由于车顶车身外形鼓起，流经最顶部的气流速度低，因而负压有所减 小。后窗处由于顶部的气流未受到任何的阻碍，流速较大，又受尾部吸力 峰的影响，压力减小，形成负压区。车身尾部的压力情况，因为漩涡的存 在

17、，形成负压区。负压在风洞测试会有举升车子的力量，使车子距地高加 大。在负压侧会使物体偏向该侧。要看来自哪个方向，还有车因车而异。 赛车主要用尾翼和扩散器来克服车尾的负压产生的拖拽效应。 a) b) c) d) 图 10 流体通过车身表面无明显分离 由模拟仿真的结果可知，在模拟中，流体平滑地通过了车身表面(汽 车尾部外除) ，并没有产生很显明的流体分离现象。从压力场可以看出， 在发动机前罩的拐角处和车顶的前缘，后缘并没有产生很大的负压力，这 说明：该车身的设计在发动机前罩与汽车前窗的边缘处和车顶与汽车前， 后窗的边缘处过渡都比较平滑。因此，良好的设计发动机前罩与汽车前窗 的过渡边缘和车顶与汽车前，后窗的过渡边缘，可以尽可能的减小这些部 位的负压， 使流体比较平滑的流过车身， 使汽车具有良好的空气动力特性。 10 而在汽车尾部，此车还是出现大尺度的涡旋，产生了巨大的负压，它 还引起了能量的极大消耗，是产生空气阻力的主要因素。如图11所示。因 此，在汽车设计时应该尽可能的减小此处涡旋的规模，如在尾部，应该尽