基于fluen的皮卡车流场数值模拟

基于fluen的皮卡车流场数值模拟

1皮卡车外压路特性车辆在流场的六分压力中以阻力为主，包括阻力分为低压阻力、摩擦阻力和诱导阻力。作为钝头体,其尾部的分离流形成40%的压差阻力,所以对车辆尾部分离流的细节描述和计算至关重要。皮卡车外形与轿车差别较大,其外流场特性不宜简单按照轿车外流场来描述。本文采用数值建模仿真的方法,通过比较两种湍流模型(RSM和标准K-e)的计算结果,并与风洞实验结果进行了验证,从而揭示皮卡车外流场的特性。同时,也揭示了在描述皮卡车外流场的分离特性时,RSM模型优于标准K-e模型。2双方程模型求解在DNS、LES、RANS三种数值模拟方法中,前两种方法由于对速度和内存的要求皆较高,所以还没有在工程界得到广泛的应用。目前广泛采用的RANS法中的RSM模型通过对u′iu′j−u′iu′j-进行模化,得到Reynold应力方程,如式(1)所示。∂(ρu′iu′j−)∂t+Cij=DT,ij+DL,ij+Pij+Gij+ϕij+εij+Fij(1)∂(ρu′iu′j-)∂t+Cij=DΤ,ij+DL,ij+Ρij+Gij+ϕij+εij+Fij(1)其中的压力应变项ϕij体现了湍动能在各应力分量间的重新分配,对总量没有影响,是应力模型和涡粘模型最大的区别所在。式(1)中各项的名称、意义以及如何模化请查阅文献。通常,对于三维性和各项异性较强,并伴有流动分离的流场(如航空叶轮机械、旋风分离设备、化学反应装置等等),计算实践表明,虽然与双方程模型相比计算量大,但RSM模型的计算结果优于双方程模型。文献将汽车尾迹中漩涡形成的机制归纳为五类,皆体现了大分离和各项异性的特性,加之车体近壁面的特性,使得汽车绕流的数值和实验分析非常复杂。传统的双方程模型在对Reynold应力进行模化时引入了各项同性的假设,势必对流动中强各项异性的特点体现不足。基于以上分析,本文采用RSM和标准K-e两种模型对皮卡车外流场进行研究。3计算值的示例本文使用著名的模拟流体流动、传热传质和燃烧等现象的大型通用计算机程序Fluent6.2进行本次数值计算。3.1材料组所用模型为某皮卡车1:1简化模型,长、宽、高分别约为4.9m、1.7m、1.8m。在不影响计算精确性的条件下,忽略车窗、后视镜、车门把手等表面附件的影响,大面皆按皮卡车基本曲面建模(采用UGNX3.0实现),如图1所示。3.2不等间距网格结构模拟计算区域采用固定的三维直角坐标系统,x正向为从左到右的空气流动方向,y方向为从左到右横截方向,z方向垂直向上。为了减轻数值粘性的影响,计算区域为两个长方型区域,外围为不等间距结构六面体网格,内部为四面体非结构化网格。为了节约CPU的时间,在流场变化较为剧烈的地方采用较密的网格,以提高计算精度,而在车体以外较远区域采用较稀的网格,总数184万(采用TGrid实现)。如图2所示。尤需注意的是:四面体网格的Skewness务必控制在0.80左右,否则数值收敛性很难保证。3.3流动微分方程组的一般应满足的条件忽略空气物性参数的变化,即认为空气的温度、粘性和参考压强不变,表1列出了计算条件下的各种参数值。由于模拟计算的空气流速比较小,空气的可压缩性可以忽略。本文中的数值模拟属于稳态问题,所以只需给出边界条件,无需初始条件,流动微分方程组就有定解。边界条件的确定要求在数学上满足适定性,即微分方程的解存在、唯一且稳定,在物理上有明显的意义。模拟的边界条件为如表2所示。3.4压力场的修正本文采用分离式SIMPLE算法,此法由Patankar和Spalding于1972年提出,其核心为“猜测-修正”过程,在交错网格的基础上来计算压力场,得出速度场,反复修正,从而达到求解控制方程组的目的,具体计算步骤如图3所示。其中,离散格式采用先一阶迎风格式,再二阶迎风格式的方法,从而保证数值稳定性和截差精度。一阶迎风格式可采用默认的松弛因子,收敛后采用二阶格式时,湍流部分的松弛因子务必控制在0.7以内,以保证收敛性。3.5皮卡车尾流区的生长本文在25m/s速度下,使用两种模型进行了计算,并就各横纵截面的压力、流线进行了对比,部分图谱如下所示:由图4的压力梯度分布可以清晰的看出皮卡车后的尾流有一部分在后车厢内发展,然后进入车身后部与尾部气流汇合,形成了与普通轿车(尾流区作为整体发展)不一样的压力分布。车后汇合气流的压力分布与轿车类似。从图5可以看出在皮卡车的后车厢内存在一个大尺度的涡,其直径可以与半个车长相当,这是与轿车外流场最大的不同点。此涡的存在势必要消耗流场的能量,在宏观上体现为Cd(阻力系数)升高的现象。从流线图中可以看出尾流区中的部分流线是由车顶部气流的下洗作用以及后车厢内的涡运动共同形成的,这一特点两种模型都捕捉到了。但是RSM模型更是捕捉到的流场细节比K-e模型细腻得多,此点从压力梯度线可以明显看出。从图6～图7中可以清晰的看出皮卡车尾部的两个拖曳涡的图景,即从上向下翻卷着向下游呈扩散状发展。很明显RSM模型对细节的把握能力明显强于K-e模型:在统一的计算压力范围内,在相同的间隔数内,RSM模型对尾迹的分层描述得更深刻;而且从速度图中可以看出,RSM捕捉得尾迹比K-e模型大。其原因可能与标准K-e模型对各向异性抹平能力强,尾流区中很多细小的量被忽略有关。皮卡车外流场整个尾流区的气流是以不断向后发展的涡的形式运动的,这一点与轿车类似。但由于皮卡的后部结构与普通轿车截然不同(backbox和tailgate的存在),从而造成其尾流特点鲜明,即部分气流进入后车厢内,被tailgate阻挡后向前运动贴附到车背部,在整体涡运动与车顶过来的下洗气流的共同作用下进入尾流区,如图8所示。与实验值的对比见表3,实验值来源于美国通用汽车公司的风洞实验结果。从表中可以看出Cd值RSM模型计算结果与实验值相差在8.4%以内,而标准K-e模型则相差达30%。Cl值RSM模型计算结果与实验值更接近。4下车内气流滞止区1)从对皮卡车外流场模拟的整体图谱(主要参数为压力梯度、速度)来看,两种模型给出的信息较为吻合。通过与皮卡车试验类文献所给出的皮卡车后厢和尾部流动的测试图谱(由PIV得出,部分实验截图见图9)进行比较,可以看出两种模型对皮卡车外流场的总体描述(压力梯度、速度等的分布)是可信的。2)皮卡车与一般轿车外流场特性类似之处在于:在轿车前脸存在气流滞止区,由此气流分开绕流车体,下部气流由于地面、车底部和车轮的相互作用,情况比较复杂;上部气流在绕流车体时,于发动机罩和挡风玻璃之间发生局部气流分离;气流经过顶盖向后发展,与从车底部上卷气流相互作用,在车体尾部发生较大的分离;其涡形态,根据剪切层相互作用模型描述为车身尾部上下两剪切层卷起一对上下漩涡,两涡继续向下游发展,以马蹄涡的形式存在于分离区内。3)在皮卡车的外流场中,于车体背部与后厢之间存在一个明显的大涡,此为皮卡车与普通轿车外流场最大的不同点。其可能的原因是:车身尾部上下两剪切层卷起的一对上下漩涡并不能沿着车体自由地向下游发展,而是被限制在后箱内形成近似于半开的内部流动;由于底部气流的不断注入,以及顶部气流的强烈下洗,在速度梯