基于cfd的皮卡车流场数值模拟

基于cfd的皮卡车流场数值模拟

1汽车空气动力学的研究随着汽车的行驶速度的提高，从汽车安全和节能的角度来看，汽车必须具有良好的空气动力学特性。为了降低汽油耗竭，节约能源，控制性能的变化，确保良好的操纵稳定性，应详细进行和应用。汽车空气动力学研究已成为汽车工程领域的研究方向之一。目前常用的汽车空气动力学研究方法主要有:风洞实验和数值模拟。风洞实验虽然可以得到具有较高可信度的结果,但同时也有诸如成本高、周期长、设备庞大等局限性,并且难以避免洞壁和支架干扰等带来的影响。应用CFD数值模拟所需的费用少,周期短,并且数值模拟在某种意义上比试验对流体运动过程的认识更为深刻,更为细致,从而使我们可以方便、直观地了解汽车周围空气的流动状况,初步计算出整车的风阻系数,为进一步细化设计提供依据。2数值模拟过程数值模拟的基本流程如图1所示。2.1缩比模型根据文献中的实验模型建立三维的半车身模型(图1)。采用1∶10的缩比模型,模型总长432mm,总宽152mm,总高148.8mm(图2)。模型简化了车身细部结构、省略了后视镜、雨刮器等附属装置。这样使模型更具有皮卡车的普遍性。2.2计算域的大小根据经验,流场模拟计算时计算域到达一定的大小,汽车流场就不再受计算域的大小影响。假设汽车模型的长为L,宽为W,高为H,则计算域的取法为汽车前部取3L,侧面取4W,上部取4H,汽车后部取6L,汽车下部与地面间的距离取轮胎半径。2.3近汽车网格的放宽由于主要关心车身周围的流场变化,所以细化近汽车壁面处的网格,随着远离车身外表面适当放宽网格的大小,以控制网格的规模。网格的大小为8-25mm,半车约200万个单元。2.4风速模型设风洞入口边界条件为u0=30m/s,出口边界条件为自由条件;空气的密度为1.208kg/m3;计算中不考虑温度的影响。采用RNGk-ε湍流模式和non-equilibriumwallfunctions壁面函数;紊动能k和紊动能的耗散率ε由经验公式计算确定;计算选择二阶迎风格式;收敛判断条件的所有物理量的容差为1.0E-4。3cfd模拟误差与实验结果比较经过计算,得出模型的空气阻力系数为0.47,与实验值0.45之间的相对误差为4.4%,CFD模拟误差控制在±15%以内即可,因此本文CFD模拟结果与实验结果较符合。3.1表面压力分布(1)对称面上表面压力分布(见图3)因皮卡车前部外形与轿车相似,所以其驾驶室上表面压力分布与轿车类似,即车身前部存在滞点,压力系数值为0.93,实验得此处压力系数值为0.98。(2)对称面下表面压力分布对称面下表面压力分布图中有两个低压区(见图4),大约在前后车轮位置。其原因是车轮处气流通过的截面积变小,气流速度增大,导致此处压力下降。3.2面水流场对比分析CFD用于汽车外流场模拟时,车身表面压力分布与实验值吻合较好不一定表明数值模拟是成功的,更重要的是要看数值模拟得到的流态结构与实验得到的流态结构是否吻合。下面就流态结构展开讨论。(1)纵向对称面流线分布图5和图6分别为实验和CFD数值模拟所得的纵向对称面流线分布图。可以看出两图A区域中,部分气流经过驾驶室顶棚后发生分流,并且由于货厢挡板的阻挡,在货厢内形成一个涡场。两图的B区域中,部分气流经过货厢挡板后都是向下运动,形成尾涡。由两图的各个区域流线对比可知,CFD模拟所得流线与实验所得流线基本一致。(2)对称面尾流涡场图7和图8分别为实验和CFD数值模拟所得纵向对称面尾流涡场。由两图中的A区域可知,CFD数值模拟所得的尾流涡场与实验的所得尾流涡场基本一致。图中两个强涡场产生于驾驶室和车身底部的气流分离处,并且都大约延伸至x=550mm处。(3)z=15mm水平面内的流场分布图9和图10分别为实验和CFD数值模拟所得纵向对称面尾流涡场。两图对比可知,CFD数值模拟所得的流场与实验的所得流场基本一致。在货厢后方有一对对称于纵向对称面的涡流区,且涡流区沿来流方向逐渐会合,气流的这些特征都得到了很好的模拟。4模型的修改和分析4.1模型前后对比运用CFD对汽车外流场进行数值模拟的最终目的是改进汽车模型,提高汽车的空气动力学特性。为了减弱气流经过顶棚后到后挡板时的分流,从而减少湍流能的耗散,使皮卡驾驶室顶棚向下倾斜4°,如图11所示。表1是修改汽车模型前后实验和模拟的阻力系数变化值。修改后模型的阻力系数减少,并且两者的变化值比较接近。4.2动机罩与私家车的负压从图12和图13可以看出:由于模型前部相同,从车身前脸到车顶前缘的压力云图大致相同。正压区主要分布在前脸部分、发动机罩与挡风玻璃交界处,其余大部分均为负压。出现负压较大的地方在发动机罩前端、驾驶室顶棚和货箱部分,且变化都比较平缓。对比两图中A区域可以看出,将模型的顶棚向下倾斜4°后,气流流经驾驶室顶棚时遇到的自由空间增大,减缓了气流流经驾驶室顶棚后的分流,致使驾驶室顶棚上部和货箱内的负压区范围缩小,负压绝对值变小,因此气动阻力变小,Cd值降低。5皮卡模型模拟结果本文利用fluent软件对皮卡车的外流场进行数值模拟