【《大学生电动方程式汽车大赛汽车车身空气动力学CFD仿真案例分析》1900字】

大学生电动方程式汽车大赛汽车车身空气动力学CFD仿真案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u27071大学生电动方程式汽车大赛汽车车身空气动力学CFD仿真案例分析 1290961.1CFD仿真的意义 196971.2ANSYSFLUENT软件简介 1280401.3车身CFD仿真 21.1CFD仿真的意义CFD是ComputationalFluidDynamics（计算流体力学）的缩写，它是一种运用数值计算直接对流体方程进行求解，从而分析流动现象。CFD运用计算机，将三维模型经过数值模拟计算，把计算结果通过图片等直观的方式展现出来【2】，从空间和时间两个维度上，用数值方法精确地显示出模拟外流畅情况。车身空气动力学CFD仿真分析是现代汽车造型设计过程中不可缺少的方法，在2009年湖南大学的潘小卫等通过CFD仿真F1赛车在不同风阻情况下阻力系数和升力系数，通过风洞试验在相同风速情况下得出的实际阻力系数和升力系数，两两进行对比发现阻力系数误差小于2%而升力系数误差小于4%，因此可以说明CFD仿真与风洞试验得出结论相差不大，CFD分析具有可行性和可靠性。CFD仿真不仅可以指导车身设计从而得到较理想的车身外形，并且相对于大型的风洞实验，这种方法不仅可以节约不少时间和资金，同时可以模拟任意尺寸，任意比例的物体，模拟的风速可以无限大，流体的介质可以千变万化【3】，因此，在车身设计中，赛车开发合理利用CFD仿真是非常必要且有意义的。1.2ANSYSFLUENT软件简介汽车空气动力学的研究目的是研究汽车行驶时受到的气动力情况，进行分析从而提高汽车的行驶动力性。目前常用的CFD仿真软件有ANSYS公司的CFX和FLUENT，另外一个是CD-adapco公司的STAR–CD和STARCCM+。其中ANSYSFLUENT软件可以提供灵活的网格划分类型，包括对复杂几何模型可采用非结构化网格解决流体流动问题，支持的网格类型包括三角形、四边形、四面体、多面体等【4】，它还可以基于流动情况对网格进行加密或稀疏处理。本次设计基于FLUENT在划分网格的优越性和本人知识能力的局限性，选择FLUENT进行仿真项目。仿真过程为：1）将三位模型图导入软件，进行网格划分；2）在FLUENT中进行包括定义流体性质、边界条件设置、执行计算求解和细化调整网格；3）处理查看结果，选定不同表现方式显示出各种数据情况进行分析。1.3车身CFD仿真为防止仿真划分网格的数量太多电脑无法实现操作，将车身的三维模型进行了简化处理后带入软件进行仿真操作，如：去掉悬架双横杆臂、主环等对流场干扰较小的杆件；增加驾驶员简化模型，保证圆球位置是驾驶员坐入驾驶舱后头部位置【5】；轮胎按实际尺寸和位置简化为圆柱体等一系列操作，绘制出简化模型如图3-1:图3-1仿真车身三维图带入仿真软件，建立空气域，分为加密区、粗加密区、精加密区三层，三层最大尺寸分别划分为512mm、64mm和32mm，将模型导入后通过布尔操作、空气域各个面命名、加密等一些类操作后得到划分网格，在车身边界等极端位置进行修复短边、修复尖角等操作，减少因模型中的尖角等导致的网络集中问题，减少网格划分难度。同时，为了便于流体分析，同时因为车身是轴对称的，所以只对整车一半模型进行仿真，以达到减少网格数量，缩短划分时间和后续计算求解时间的目的。网格数量最终为节点数910877个，单元数8712768，网格整体连续均匀，过度平顺。划分网格如图3-2：图3-2车身网络模型根据以往赛季的数据，直线加速测试、八字绕环测试、高速避障测试和耐久测试四项动态赛中赛车常用时速为20m/s（72km/h）左右，因此FSAE赛车流场一般为低雷诺数下的等温、三维、不可压粘性流动，因此仿真时选定适用于大多数工程湍流问题的k-ε模型。【6】控制方程如下：连续方程∂ui动量方程ρ∂ui式中：p'-修正压力；μk-ε模型中湍动能和湍动能耗散方程分别为：湍动能方程k：∂ρk∂湍动能耗散方程ε：∂ρε∂式中：μ-层流粘性系数；湍流常数：Cμ=0.09，Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1.0,σ因此，使用Viscous的k-epsilon2模型对网格进行设定，设置入口面（inlet）、对称面（symmetry）、移动地面（wall_moving）、风洞壁（wall_tunnel）、出口面（outlet），对入口面设置20m/s的速度，对其他面参考值包括流体性质密度等进行设置。在进行多次约束后，数据稳定具有参考价值，对车身整体的阻力、升力将进行计算求解。求解结果阻力值和升力值分别如图3-3和3-4:图3