基于ADINA的轿车外部流场计算

基于ADINA的轿车外部流场计算
袁小慧;归文强
【摘要】对汽车外部流场进行计算流体力学(CFD)分析已成为现今车身设计的必要环节.计算轿车的外部流场,将计算流体力学软件ADINA与CATIA相结合,利用CATIA软件获得轿车三维模型,将其导入ADINA软件中,采用RNG K-ε模型,对两
种不同车速40m/s和20m/s情形进行计算机仿真和后期处理,获得轿车外部流场
的压力分布、流速分布云图、空气阻力和空气升力,进而得到该轿车模型的空气阻
力系数为0.59,20m/s和40m/s速度载荷下的空气升力系数分别为0.013和
0.133,依此为汽车车身设计提供依据.
【期刊名称】《西安航空技术高等专科学校学报》
【年(卷),期】2017(035)005
【总页数】5页(P77-80,96)
【关键词】空气动力学;外部流场;轿车
【作者】袁小慧;归文强
【作者单位】西安航空学院车辆工程学院,西安710077;西安航空学院车辆工程学院,西安710077
【正文语种】中文
【中图分类】U461.1
汽车(特别是轿车)的空气动力学特征直接影响其动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性等重要特性[1]。

因此，研究轿车的外部流场对于轿车的研发与评
价至关重要并将逐步完善。

目前，主要采用数值模拟与风洞试验相结合的方法进行研究。

相对后者，前者方便改善性能，节约研究资金，提高研究效率，省时省工[2]。

计算流体力学在汽车中的应用始于20世纪80年代的欧美地区，现已发展到包括倒车镜、扰流板、复杂底板、移动地面、发动机舱、横风过度特性等多样化计算模拟。

国内起步较晚，目前出现的由我国自主开发的应用于三维流场汽车的计算软件，是胡善龙等提出的数字样车(DMU)技术中前期设计的一个重要组成部分[3]。

多物理场耦合方面的几大软件，诸如ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC都可以
做到结构、流体和热的耦合分析。

ADINA可以直接流固耦合，但其它三个软件必
须与其他软件联合使用，进行迭代分析。

汽车周围流场的典型流动特征为三维、粘性、分离和非定常。

本文将研究空气视为“连续介质”的理想气体，只考虑外力作用下的宏观运动，因流速与声速相比足够小，且马赫数Ma=U/α≤0.25，可认为汽车周围流场不可压缩。

假设汽车周围流
场温度不变，具有各向同性，且不考虑粘性，而流场中任一质点介质具有定常流动特点，可采用K-ε数值分析方法。

由汽车雷诺数Rei=v∞l/v>104及上述分析，汽车外部流场为定常、等温和不可压三维流场，因流场中各物理量在随时间和空间变化时都符合统计规律，采用时均法对汽车周围流场的三维湍流进行数值模拟，其控制方程为
平均连续方程 =0
平均动量方程
方程式(2)除包含时间平均值和外，还有雷诺应力ρ，因此，方程组不封闭。

为获
得涡粘性系数，使方程组封闭，可补充两个偏微分方程：
湍流动能方程(即K方程)
湍流耗散方程(即ε方程)
湍流动能k为湍流中单位流体的平均脉动动能，即
湍流耗散ε为湍流中单位质量流体的脉动粘性耗散，即
其中，K表示流体的弹性模量，即体积弹性模量；V表示来流速度；ρ表示流体密度[4]。

考虑到湍流中涡流因素的影响和雷诺数效应时RNG K-ε模型比标准K-ε计算精度更高，需要的内存少，较适用于汽车外部复杂流场的计算，本文采用RNG K-ε模型，将高雷诺方程与壁函数结合起来使用。

CFD方法求解汽车周围三维湍流流场是采用计算数学的算法，将其控制方程离散
到一系列网格节点上并求其离散的数值解。

按其采用的数值解题方式可以归纳为有限差分法(Finite Different Method，FDM)、有限元法(Finite Element Method，FEM)和有限体积法(Finite Volume Method，BEM)三大类[5]。

有限体积法计算效率高，近年来发展迅速，目前广泛应用于CFD领域，大多数商
用CFD软件，包括ADINA软件，均采用这种方法。

ADINA具有强大的非线性求解能力，能够解决包括结构、流体、热等的很多耦合场问题。

在针对流体流动模拟仿真时，基本假设如下：流场计算采用 Navier-Stokes 方程或者欧拉方程；认为
流体为不可压缩或完全可压缩；分析时可进行稳态或者瞬变分析；流体类型可根据实际情况选择层流或者湍流；流体流动时可设置为热传递或者无热传递条件下的流动；此外，还有质量传递。

根据ADINA计算需要，建立简化轿车模型，并将其转换成于Parasolid格式，导入ADINA中，定义外部流场，划分单元网格，生成有限元模型；定义材料及边界条件，进行求解，获得外部流场压力分布、流速分布及空气阻力系数，并与实际相比较，分析所得结果。

本文采用RNG K-ε模型进行计算，除去其本身自带物理量外，还用到的物理量如下：空气密度ρ=1.225kg/m3，动力粘性系数μ=2×10-5Ns/m2，速度载荷
40m/s和20m/s。

查阅资料，得到奥迪A5的CAD图，确定其原始几何模型参数
4625mm×1854mm×1372mm，并将上述CAD图导入三维建模软件CATIA中，得到豪华轿车奥迪A5的CATIA模型。

在实际应用中，可以先建立CATIA模型，导入分析软件，根据计算结果对其进行优化设计；或者将现车CAD图导入CATIA 中建立三维模型进行计算，分析其优化可能性及主要方向。

仿真分析的模型为1：1模型，并对实车模型作了如下简化。

忽略车身外部突起物如刮雨器、后视镜等部分，将车轮与车身做成一体；对车身底部进行平整处理。

这些改变对流场没有太大影响，并且降低了计算的强度和对计算机的要求，提高了计算经济性，符合计算要求。

图1所示为CATIA中建立的1：1模型的截图。

汽车周围的流体即空气，在一个标准大气压、海平面高度下，15℃时的空气密度
ρ=1.225kg/m3，动力粘性系数μ=1.7894×10-5Ns/m2，运动粘度
v=μ/ρ=1.4607×10-5m/s。

由于本文数值模拟风速为40m/s和20m/s，可以认为汽车绕流不可压缩。

据本文第1节，将汽车绕流简化为定常、等温、不可压缩的三维流场。

考虑到气流的分
离影响，按湍流处理，采用RNG K-ε模型，将外部流场视为15m×5m×5m的长方体除去轿车模型所占空间。

定义模型控制参数，将得到的三维模型导入分析软件ADINA中，如图2所示。

设汽车行驶方向为Y轴正方向，垂直于地面向上的方向为Z轴正方向。

建立流场
模型，定义约束与载荷，输入边界条件。

其中，车辆外部上下表面为wall类型，
其他边界条件如表1所示。

定义材料(选择RNG K-Epsilon，密度1.225，粘度为2×10-5)与单元组类型(网格类型为3-D Fluid，单元组为1，单元节点数为4)，并根据流场复杂程度进行网格划分，网格数为70683，如图3所示。

本文主要对多数轿车正常行驶速度范围内的两个速度(二倍关系速度)下的压力分布和流速分布进行对比分析。

进口边界条件见表1，求解，进行计算流体力学CFD
分析以及后处理，获得其外部流场流速分布图和压力分布图，见图4-图7。

由图4和图5可知，负压区(蓝色区域)主要出现在下壁面以下、车顶以及车尾部分；正压区主要出现在车头以及发动机舱盖与前挡风玻璃交接处。

其中，保险杠附近出现正压最大值，下壁面下边的最前端出现负压最大值，这是由于作为迎风面的车头直接受到气流的冲击作用而出现正压的最大值，而汽车下壁面则由于离地面距离小出现负压的最大值。

由图6和图7可知，汽车前部气流分布比较均匀，而汽车尾部的气流较为紊乱，
形成明显的漩涡，流速达最大值，在远离壁面区域流速接近速度载荷，仿真结果见表2。

将所得结果与一般轿车外部流场压力分布图进行对比说明，并对比40m/s与
20m/s对应的压力分布图与流速分布图，分析其中的差异，针对建立的模型提出
改进方案。

其中，一般轿车外部流场压力分布图如图8所示[6]。

凹向车内的区域即为正压力分布区域，车外的区域即为负压力分布区域。

由此可见，上述压力分布计算结果(图4与图5)正确。

对比两种不同速度载荷下的流场压力分布与流速分布可知：两者压力分布与流速分布图相似，只是对应数值有差异；速度载荷为20m/s的流场压力最大值203.2N，最小值-211.5N，与速度载荷为
40m/s的流场压力的最大值813.4N，最小值-844.4N相比，约是1/4倍数关系，而速度载荷仅是1/2倍数关系，可见压力变化幅度是速度变化幅度的平方关系；
速度载荷为20m/s的流场流速最大值39.69m/s，与速度载荷为40m/s的流场流速最大值78.61m/s相比，约是1/2倍数关系，与速度载荷变化相同。

对比两者
空气阻力即1388.1N与348.9N可知，速度载荷为二倍关系，对应空气阻力即为
四倍关系。

根据空气阻力公式Fy=0.5·ρ·v2·S·CD和空气升力公式Fz=0.5·ρ·v2·S·CL，可得空
气阻力系数CD=2Fy/(ρ·v2·S)和空气升力系数CL=2Fy/(ρ·v2·S)，其中ρ为空气密度，v为相对速度(车速)，迎风面积S为2.4m2。

根据仿真结果，可得该汽车模型在不同速度载荷下的空气动力学性能数据，如表3所示。

本文模型为简化模型，两种速度载荷下空气阻力系数均为0.59。

对比20m/s和
40m/s速度载荷下的空气升力系数值，可得20m/s速度载荷下的升力系数仅为
40m/s速度载荷下的升力系数的0.1，因此，车辆在高速行驶时，空气升力对车辆的操纵稳定性影响很大。

将空气阻力系数和空气升力系数作为汽车空气动力学性能的评价指标，优化汽车模型，可以通过兼顾美学要求，改变汽车前风窗玻璃角度、前围板结构、前后车灯结构、后车窗玻璃、尾部造型等，达到优化车型的目的。

本文基于奥迪A5的CAD图建立CATIA模型，获得了轿车外部流场在速度载荷分别为40m/s与20m/s下的压力分布和流速分布云图，进而得到该轿车模型的空气阻力系数为0.59，20m/s速度载荷下的空气升力系数为0.013，40m/s速度载荷下的空气升力系数为0.133，为获得理想空气动力学特性的车型提供了参考。

另外，本文在简化模型基础上进行了理论探讨，仅考虑了40m/s与20m/s的稳态情况，未对来流大小、方向和湍流度等随时间的变化情况进行瞬态模拟，在实际应用中还需要进行风洞试验，考虑诸多因素以接近路面的真实情况。

【相关文献】
[1] 傅立敏.汽车空气动力学[M].北京:机械工业出版社,1998:15.
[2] 闫江.汽车外流场数值模拟研究[C]//中国汽车工程学会.2013中国汽车工程学会年会论文集,北京,2013:4.
[3] 胡善龙,钱榕,牛胜福，等.数字样车技术在现代轿车开发中的应用及发展前景[J].上海汽
车,2009,35(2):32-35.
[4] 李毓洲.基于ANSYS的汽车空气动力学特性分析[J].机械设计与制造,2010,47(2):113-115.
[5] 曲震,薛澄岐,韩飞听.基于CFD方法的轿车车身外围流场分析[J].电子机械工程,2009, 25(1):33-
41.
[6] 杜广生.汽车空气动力学[M].北京:中国标准出版社,1999:132.。