基于HyperWorks某厢式列车外气动性能分析

1、.基于HyperWorks某厢式列车外气动性能分析-汽车基于HyperWorks某厢式列车外气动性能分析 张晨陕西重型汽车进出口有限公司 陕西西安 710200摘要：为提高某厢式列车的空气动力学性能，利用Altair公司有限元软件HyperWorks中的Virtual Wind Tunnel工具进行某厢式列车外流场分析。相较于传统CFD分析软件，VirtualWind Tunnel采用流程化定制，能够避免很多其他因素干扰。根据最终分析结果，提出通过增加导流罩来优化整车外气动性能。结果表明：增加导流装置后整车风阻系数较原来有显著降低，该方法为厢式列车气动性能优化设计提供理论依据。关键词：Virt

2、ualWind Tunnel 厢式列车 气动性能 流程化 优化中国分类号：U4 61.1文献标识码：A文章编号：1004-0226(2015)11-0102-04第一作者张晨，男，1986年生，助理工程师，从事车辆整车设计。1引言近年来，全世界的汽车制造商都依赖于耗时的风洞试验和计算流体动力学(CFD)仿真来研究汽车的空气动力学性能。今天，快速的计算机系统和尖端的数值方法允许人们在短时间内研究复杂的流动结构。在汽车的研发过程中，风洞试验仍然是个不可或缺的过程，同时CFD风洞仿真也越来越受欢迎，它的运用大大减小了实际所需的风洞试验次数。完成汽车风洞试验仿真不是一个简单的任务。从模型的准备，到网格

3、划分和CFD模型的建立，最后到计算和后处理，整个工作流程复杂且耗时。汽车外流场仿真的特点是：几何复杂（如发动机舱）、边界条件（如旋转轮胎和滑移地面）不稳定，而且流场十分紊乱，特别是在汽车的尾部。在这种背景下，流程定制化的环境、可靠的精确性，以及可扩展和稳健的CFD求解器，将成为未来风洞仿真的主流方式。本文利用Altair公司高度流程定制化的CFD工具Virtual Wind Tunnel对某厢式列车进行整车外流场CFD模拟，并通过增加车辆辅助装置对其外气动性能进行优化，优化后该车型整车风阻系数有明显降低，为整车降油耗提供设计方向。2 VirtualWind Tunne简介Virtual Win

4、d Tunnel的核心技术是Altair先进的计算流体动力学(CFD)求解器-AcuSolve。它是一款通用的、基于有限元技术的CFD求解器，因而在求解速度、可扩展性、精确性和稳健性方面有着独特的优势。AcuSolve采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)和分离涡(DES)技术来模拟湍流，预测流场和流动分离。Virtual Wind Tunnel用户界面友好直观，一体化的操作环境及高度自动化的仿真过程，使得用户不容易犯错而影响仿真结果，整个界面如图1所示。 3虚拟风洞建立及计算设定3.1网格划分为了研究整车的外气动性能，需要尽可能地保留该型车的所有特征，然后以带顶、侧导流罩的整车模

5、型为例进行前处理及风洞模型的建立。计算中保留了驾驶室对外气动影响较大的所有细节特征，包括雨刮器、后视镜、遮阳罩、挡泥板、进气格栅等复杂部件；为了提高计算效率，对外气动敏感度影响较小的部件，如动力系统部件、车架底盘系统等进行包面处理，冷凝器、中冷器和散热器用多孔介质理论建立其模型，简化发动机舱内的油管、水管、螺钉螺母等部件，有效减少网格数量，大幅缩减计算时间。对于面网格，流体计算中一般选用三角形网格。三角形网格是二维空间中最简单的形状，任何二维空间区域都可以被三角形填充，适应性好。本次计算中，前处理工具为Altair公司HyperWorks仿真平台的HypcrMcsh，利用HypcrMesh对最

6、终的车型几何进行面网格划分，根据零部件的特征大小选择不同尺寸的网格尺寸，对于保持细节的位置需要局部加密，厢式列车面网格模型如图2所示。3.2虚拟风洞建立整车面网格模型建立之后，将网格模型以nas格式从HyperMesh中导出，然后导入到Virtual Wind Tunnel中，对其进行外流场分析。在分析之前，首先需要定义虚拟风洞。 图3为虚拟风洞在Virtual Wind Tunnel中进行的定义。虚拟风洞一般采用规则的长方体，确立的原则是外流场不会对发动机舱内流产生影响，防止风洞试验中的阻塞效应，车身的横截面积不能超过进风面的5%，同时要考虑到卡车尾部的湍流影响巾，而且在满足设计要求的条件下

7、需要提高计算效率。根据这一原则，一般在CFD软件中，设置车头前端空间取4倍车长，车尾后端空间取8倍车长，车项上部空间取6倍车高，车身两侧空间分别取5倍车宽。考虑到厢式列车牵引车厢很长，同时为了减小风洞的阻塞效应，该厢式列车前部取Ls为2倍车长，尾部流场较复杂，故取5倍车长，上部留6倍车高，左右各5倍车宽，根据整车长度LT(16m)、宽(2.5 m)、高H (4.2 m)，定义风洞的尺寸；汽车在行驶过程中，轮胎有一定的弹性变形，实际车轮和地面的接触是一个面；为了模拟车辆行驶真实情况以及加速计算收敛，将地面和轮胎相交的部分用平板封闭，细节部分如图4所示。 3.3边界条件的设定在进行厢式列车外流场的

8、数值模拟过程中，必须对车辆的关键部件进行边界设定。车辆散热模块的散热器、中冷器等按照多孔介质来处理，具体参数根据图5、图6所示该车型散热器和中冷器的压降试验数据获得。将该型车的底盘车轮及挂车车轮都定义为旋转车轮，车速定义为100 km/h(约28 m/s)。除了热交换器和发动机外，其余部件都定义边界层（层数为3层），如图7所示。 3.4定义加密区域及计算设定汽车尾流区是一个非常大的湍流流动区域，该区域空气流动形成涡状，流动速度变化范围大。在汽车前后区域、汽车尾部区域、汽车底部接地区域及汽车周围对网格进行加密处理。这样的网格可以保证其更好地对汽车周围的气流流动进行模拟，得到更加精确的数值模拟结果

9、，这里进行3层加密井定义加密单元尺寸为5 mm，如图8所示。在提交计算之前，首先进行各项设置：包括来流速度、计算类型、计算步数、是否为移动地面、是否车轮旋转、网格细密程度、边界层数等，如图9所示。 4原型车CFD计算结果分析本文中分析对象原型车驾驶室后围与车厢距离为1 200 mm，没有驾驶室导流罩等辅助气动装置。通过Virtual Wind Tunnel工具求得该厢式列车风阻系数Cd=0.654。图10为该模型表面压力等值云图。由于汽车车身表面压力分布与汽车外形有着非常紧密的联系，重型货车总的气动阻力的50%都来自于压差阻力，所以车身表面的压力分布好坏直接影响到整车的气动阻力。如果正压区或者

10、负压区压力绝对值过高，则意味着压强梯度大，正压区压强梯度大表示该区域平均压强大、流动能量损失大；负压区压强梯度大表示该区域平均压强低、流动能量损失大，两者相互作用的结果就是气动阻力大。 从图10可知，该厢式列车保险杠、驾驶室前面罩、挡风玻璃以及车厢迎风台阶处正压力较大，这是由于这些区域都是直接承受汽车迎面流体的冲击，它们也是构成气动阻力的主要因素。而在驾驶室A柱、驾驶室顶部与遮阳板交界处，车厢前方的顶角与侧壁，由于气流分离，使得这些区域为负压区，首先这些区域的气流分离会造成漩涡的生成、旋转及脱落，由此消耗大量的能量，增大汽车的气动阻力；其次，这些部位的负压区将使作用在整车上的气动升力增大，从某

11、种程度上影响车辆的行驶稳定性。5整车外气动阻力特性的改进通过对原始车型的分析，可以发现驾驶室前端及车厢迎风台阶处表面压力较大，且车厢顶部位置有气流分离区域，由于驾驶室不能更改，我们只能考虑驾驶室与车厢之间的位置进行车辆外气动性能的提升，这就需通过增加辅助装置来改善该位置的流场，以达到改善该牵引车的外气动特性的目的。文中利用国内外相对成熟的4种导流辅助装置，进行整车气动阻力特性的改进。下面通过在厢式列车不同位置依次加装如图11所示这4种导流装置，研究其厢式列车气动性能的优化情况。表1为4种不同辅助装置的气动阻力系数计算结果。 从表1中可以看出，最后一种辅助装置组台，风阻系数最小，较原型车风阻系数

12、下降了0.113，降幅达到17.28%，下面重点分析该辅助装置组合的流场特性。图12为该状态下厢式列车表面压力等值云图。未加装导流辅助装置之前，前方气流经过驾驶室顶部以后，遇到车厢高于驾驶室的台阶，气流直接冲击到没有任何流线型的车厢上面，使气流形成阻滞作用，在车厢和驾驶室之间会形成一个大尺度的漩涡。这是日本武藤真理提出的“折射不足”现象。加装顶导流后，由于前方气流从驾驶室顶部向后流动过程中，经过导流罩的导流作用，顺畅地流过车厢顶部， “折射不足”现象得到有效改善，车厢前部的高压区域消失，气流能量的损耗减少；在驾驶室后增加侧导流板，相当于缩短了驾驶室与车厢之间的距离，可以有效降低驾驶室与车厢间涡流产生的几率；此外，如果控制侧面整流装置的角度，可以避免气流经过驾驶室后直接冲击到汽车车厢上，车厢露在驾驶室以外的部分，某种程度上是对导流罩的一种补充。在车厢前端加装有弧度的导流罩，使得车厢侧壁的气流分离可以有效减少，一定程度上也是减小其负压区域；在该厢式列车尾端加装一个“铲型”导流装置，除导流外还可以有效减小湍流，减小车厢尾部气流形成的负压区域。所有这些措施的组合，最终有效地降低了整车的气动