整车CAS外流场仿真分析规范

Q/SZJ191001-2017整车CAS面空气动力学分析规范SpecificationOfVehicleCASAerodynamicsSimulation20XX20XX-06-30实施20XX-05-29发布XXXX汽车工程技术有限公司发布Q/SZXX-X-2017整车CAS面空气动力学分析规范范围本标准规定了术语和定义、汽车外造型CAS面空气动力学分析方法及结果处理方法。本标准适用于CAE部门汽车外造型CAS面空气动力学CFD建模及分析。规范性引用文件无。术语和定义无。摘要Abstract无。流程图ProcessFlowDiagram图1流程图Fig1ProcessFlowDiagram工具描述ToolDescription仿真分析过程中需要用到的如下软件:Thefollowingsoftwarefacilitatestheanalyticalsimulationprocess:前处理(Preprocessors):Hypermesh求解器(AnalysisCode):STAR-CCM+后处理(Postprocessors):STAR-CCM+建模和分析过程Modeling/AnalysisProcedure单位Units分析中所用单位制如下所示:Theunitsusedintheanalysisareasfollows:力(Force) 牛顿(N)质量(Mass) 千克(Kg)长度(Length) 米(m)时间(Time) 秒(Second)几何数据处理GeometryDataTreatment对车身CAS的空气动力学进行评估和优化，并不考虑详细的底盘系统对空气动力学性能的影响，几何数据是由造型表面（车身A级外表面或CAS面）组成，包括车身、后视镜、轮胎、地板，几何模型如图1、2所示。ForthebodyCASaerodynamicsevaluationandoptimization,noneedtoincludingthechassissystem’sinfluenceonthevehicleaerodynamicsattribute.Thegeometrydataiscomposedofthevehicleexternalstylingsurfaces(bodyA-surfaceorCASsurface),includingbody,externalrearviewmirror,tiresandfloor,asfig.1andfig.2show.图1车身表面数据图2车身地板Fig1BodysurfacedataFig2Bodyfloorsurfacedata部件分组ComponentsDividing为了便于模型管理，将几何数据划分成以下几何部分：底盘、车身、发动机、冷却系统和电器元件。在每一部分中应单独定义组，以便定义尺寸、边界条件、防接触和进行后处理等操作，然后利用Hypermesh或Ansa软件对相应的几何表面进行处理。Inordertomanagethegeometrymodel,wedividethemodelintoservalparts:chassis,body,engine,coolingsystemandelectricelectronics.Eachpartshoulddefineassemblyindependently,betterformeshing,boundaryconditionsandcontactpreventiondefining,andpost-processing,thencleanthegeometrysurfacebyusingHypermeshorAnsa.外部计算域建立ExternalZoneCreating为模拟环境风洞试验环境，需要在车的外部建立长方体空腔。外部计算域尺寸大小见下图。Inordertosimulatetheenvironmentalwindtunnelexperimentconditions,weneedtocreatthecuboidboxontheexteriorofvehicle.Theexternalcomputationzonedimensionsisshowedinthefigurebelow.图3计算区域的确定Fig.3Externalcomputationzone网格质量要求MeshQualityRequirement在造型阶段的空气动力CFD分析中，体网格采用TRIM网格；为了能准确的模拟车体表面的粘性阻力，需要在车体壁面附近增加边界层。InthestylingstageaerodynamicsCFDanalysis,thevolumemeshchoosestrimmesh;inordertosimulatetheviscousresistancecorrectly,weneedtogenerateboundarylayersonthewallofvehiclebody.车体附近的气流受车体的影响会产生速度梯度，为准确模拟出相应的速度梯度，需要对空间网格进行加密。加密区域见下图。Theairflowclosetothebodyalwayshasvelocitygradients,inordertosimulatethevelocitygradientsprecisely,weneedtomakesomevolumemeshmoreintensive,asshownbelow.图4车尾部加密区域示意图(L为车长)Fig.4Meshzoneatbodytail(Lislength).图5计算域空间加密区域Fig.5Theintensivemeshzone三个加密区域内体网格尺寸：Threeintensivezonevolumemeshsize:BOX1体网格尺寸：25mm*25mm*25mmBOX1volumemeshsize:25mm*25mm*25mmBOX2体网格尺寸：100mm*100mm*100mmBOX2volumemeshsize:100mm*100mm*100mmBOX3体网格尺寸：200mm*200mm*200mmBOX3volumemeshsize:200mm*200mm*200mm坐标系CoordinateSystems整车坐标系Globalcoordinatesystem建模技巧ModelingTechniques无。假设和限制Assumptions/Limitations无。载荷和边界条件Loads/BoundaryConditions计算模型的设置ComputingModelSetting模型设置完成后应该如下图所示：Themodelsettingcompletedshouldbeshownasbelow:图6计算模型选择示意图Fig.6Computingmodelselection边界条件的设置BoundarySetting进口Inlet进口速度设置见表1。Theinletboundaryconditionssettingasshowninsheet1.表1设置为速度进口velocityinletSheet1TheinletboundaryshouldbesetasvelocityinletVelocityMagnitude27.77778m/s出口Outlet出口参数设置见表2。Outletboundaryconditionssettingasshowninsheet2.表2设置为压力出口PressureoutletSheet2TheoutletboundaryshouldbesetaspressureoutletPressure0Pa壁面条件Wallboundaryconditions整个计算模型除进口、出口外，其余全部设置为壁面Wall（见图9），具体参数全部采用默认值。Thewholecomputingmodelshouldbesetaswallexcepttheinletandoutletboundary,theconditionsasdefault.进口Inlet进口Inlet出口Outlet图7边界条件示意图Fig.7Boundaryconditionssetting结果Results主要包括气动参数的评估、压力场分析、速度场分析。气动参数评估AerodynamicsEvaluation对于整车模型，需要计算以下计算参数：迎风面积、阻力系数、侧力系数、升力系数、气动阻力、气动侧力、气动升力、侧倾力矩、纵倾力矩、横摆力矩。对于半车对称模型，只需要计算迎风面积、阻力系数，气动阻力便可。其中气动阻力为主要评估参数。气动阻力系数需要与设计目标值做对比，如果基础模型风阻系数大于目标值，应该根据流场结果找到减小气动阻力的方法；如果是优化模型，或者修改模型，气动阻力系数应该与基础模型对比，找出气动阻力变化的原因。Forthewholevehiclemodel,weneedtocomputethefollowingparameters:frontalarea,Cd,Cl,Cs,dragforce,liftforce,sideforceandthethreemoments.Forthehalfvehiclemodel,onlyneedtocomputethefrontalarea,Cdanddragforce.Thedragforceismainevaluationparameter.TheCdresultshouldcomparewiththetargetvalue,iftheCdofbasemodelislargerthantarget,weshouldfindoutthemethodtoreducethedragaccordingtoairflowfieldresults;ifthemodelisoptimizedmodelorchangedmodel,theCdresultshouldcomparewiththebasemodel,tofindoutthereasonwhydragforcechanged.压力场分析PressureFieldAnalysis为获得更好的气动性能，应该尽量减小迎风面压力的大小，加大尾部压力，分析发动机舱进风口和空调进风口应该于高压区内。如果是包括底盘与发动机舱的模型，应当尽量避免底盘零部件迎风面出现高压区域。如图8所示。Inordertohaveabetteraerodynamicsperformance,weshoulddecreasethefrontalsurfacepressure,andincreasethebackpressure,theengineairintakeandHVACairintakeshouldbeinhighpressurezone.Ifthemodelincludeschassisandunderhoodparts,thenwemusttrytopreventthechassisandunderhoodpartsbeinhighpressurezone.图8车身表面压力分布Fig.8Bodysurfacepressuredistributions速度场分析VelocityFieldAnalysis截面速度场分析SectionVelocityAnalysis对于截面速度场，主要保证气流贴体流动，避免流动与壁面分离。尽量保证尾涡低速区域能形成较为规则的形状。如图9所示。Forthecentersectionvelocityfield,weneedtokeeptheairflowattachtothebody,andpreventtheairflowdetaching.Trytomaketherearwakezoneformregularstructure.图9截面速度分布Fig.9Sectionvelocitydistribution流线分析StreamlinesAnalysis主要通过流线来分析尾涡流动情况，为获得更好的气动性能，应当尽量减少尾涡的紊流情况。如图10所示。Wecananalysistherearwakeflowbystreamlines,trytoreducetherearwaketurbulenceflow.图10车体流线Fig.10Streamlines分离区域DetachZone分离区域指总压为0的等值面所形成的区域。主要通过分离区来查看车体表面分离情况，尾涡形状。为获得更好的气动性能，应该尽量避免车体表面出现分离区域，同时减小尾涡区域，或者使尾涡区域形成更为规则的形状。如图11所示。图11分离区形状Fig.11Detachzoneshape性能要求PerformanceRequirementsCASThevehicleCASaerodynamicsdragcoefficientCdshouldsmallerthanthestylingstagetargetCd.分析要求ANALYSISREQUIREMENTS求解器设置CalculatorSetting各求方程的差分格式要求使用默认值（二阶迎风格式）。如果遇到计算发散或者不收敛，可以尝试调小各控制方程的松驰因子，或者降低差分格式级别。待收敛性变好后，差分格式需要改为默认值再计算。Thediffe