基于的汽车外流场数值模拟

Numerical simulation of flow field for cars based on fluent
·36·
齐 齐 哈 尔 大 学 学 报
2014 年
MENG Sheng-cai1，CHEN Qian-yun2
(1. Ma'anshan Department of Mechanical Engineering of Vocational- Technical College, Anhui Maanshan 243031, China； 2. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China)
（4）
其中：Gk 为平均速度梯度引起的湍动能；Gb 为浮力引起的湍动能；YM 为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散 率的影响； µt 为湍流的粘性系数； C1ε ， C2ε ， C3ε 为经验常数；σ k 和 σ ε 分别为湍动能 k 和耗散率 ε 对应 的普朗特数。
2 建立数值计算模型
[8]
2.1 计算流域模型的建立 文中所使用模型经过了简化，在不改变流体轨迹整体走向的情况下，将几何模型进行合理的简化如车 灯、后视镜、 及轮胎等部 替换车底的真 建立的几何模 示。 门把手凹陷处 件，以平整面 实凸凹形状。 型如图 1 所
[9]
图 4 残差变化
图 5 汽车外流场压力云图
图 6 为汽车外流场的速度云图，图 7 为汽车外流场速度矢量图。从图中可以看出气流在汽车前部受到 汽车的阻挡，气流速度接近于零。在汽车前部气流分为两部分，一部分沿着发动机罩向上流，一部分流向 汽车的底部。汽车的底部速度明显小于汽车顶部气流速度，在汽车顶部出现了一个气流速度最大区域。在 汽车尾部气流出现了分离并且产生了轻微的涡流。
第4期
基于 CFD 的汽车外流场数值模拟
·35·
图 6 汽车外流场速度云图
图 7 汽车外流场速度矢量图
4 结束语
本 软件得出了汽车外流场的压力云 图、速度云图和速度矢量图。根据数值模拟的结果与汽车外流场的实际情况的比较可以发现，利用 CFD 方 法研究汽车的空气动力学特性可以为优化汽车的气动特性提供理论和直观依据。 参考文献
2014 年
迭代 300 步之后可发现计算已收敛，图 4 为残差变化情况。通过计算模拟，可以得出汽车模型的外围 流场情况，包括压力云图、速度云图、以及速度矢量图。图 5 为汽车模型外围流场的压力云图。从图中可 以看出，汽车前部压力较大，车身正向迎风面基本处在范围为正压区，气流在汽车前部受到很大的阻碍。 另外发动机罩与前挡风玻璃的转折处也出现了一个比较大的正压区，气流在此处形成较强的涡流。车身顶 部出现了两处非常明显的负压区，负压最大值为-19 Pa，汽车底部与汽车顶部的压力差形成升力。而汽车 模型尾部的压力值与汽车前部的压力值之差就是压差阻力 。
[1] 邓亚东,江贤军.电动客车外形设计与外流场数值模拟[J].武汉理工大学学报：信息与管理工程版,2003,25(1):61-64 [2] 赵又群,张群.高速轿车车身前部外流场数值模拟[J].中国机械工程,2007,18(15):1886-1889 [3] 严鹏,吴光强,傅立敏,等.轿车外流场数值模拟[J].同济大学学报,2003,31(9):1082-1086 [4] 许志宝.汽车外流场 CFD 模拟[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2007,30(12):162-164 [5] W. F.休斯, J. A.布赖顿. 流体动力学[M]. 徐燕侯,过明道,徐立功等. 北京：科学出版社,2002 [6] 贺礼清.工程流体力学[M]. 北京：石油工业出版社,2004 [7] 王福军.计算流体动力学分析[M]. 北京：清华大学出版社,2004 [8] 丁源,王清.ANSYS ICEM CFD 从入门到精通[M]. 北京：清华大学出版社,2013 [9] 许建民,戴腾清,刘金武.基于 CFD 的轿车外流场数值模拟[J].西华大学学报,2010,29(6):46-58
数控机床床身导轨防水防护罩结构设计与应用
由于伸缩式防护罩使用时间长了后，防护密封胶条与前后节 防护罩之间的反复磨擦运动会产生缝隙，以及防护密封胶条材质 为橡胶，使用长了也会老化，故其防水效果非常不好，不能严格 防止水及其它冷却液的渗入，经常有冷却液及水渗入到机床导轨 面及滚珠丝杠等外表面上， 致使润滑油和冷却液及水混合在一起， 导致导轨面及滚珠丝杠等其它零部件的外表面受到锈蚀，严重地破坏了机床的各项加工精度、性能和使用寿命等。为了克服 以上所述的不足，本创新结构设计的目的在于：利用在伸缩防护罩内部增加封闭的 U 型导水槽结构的设计，使机床切削时的 冷却水直接导入防护罩内部的 U 型导水槽内， 由导水槽将水及冷却液等导入到床身两侧的回水槽内。 这样即可以实现机床伸 缩防护罩的防水功能，此创新结构的设计既简单，又易制造；而且纯属于钣金结构件焊接结构，成本低，实用性能很强。从 而解决了多年来用户非常困扰的现场难已处理的难题，大大地提高了机床的整体性能。本结构的创新设计为了解决其技术问 题所采取的技术方案是： 利用每相邻的两节伸缩防护罩接缝处设置了一周 U 型导水槽， 把通过导轨伸缩防护罩每两节之间的 缝隙渗入到导轨面或滚珠丝杠外表面上的水或冷却液导入到导轨两侧面的 U 型导水槽中， 这 样冷却液及水就不会渗入到导轨面及丝杠等外表面上， U 型导水槽中的冷却液积水会经过此 槽两侧导入机床导轨两外侧的回水槽内， 使机床机床导轨面及其它零部件得到了完全彻底的 防护，从而实现了机床导轨整体防护罩的防水功能。它包括前节罩（1） 、防护胶条（2） 、后 节罩（3）导水槽（4）组成。当有冷却液浇注到防护罩上时，前节罩（1）与后节罩（3）之 间有防护密封胶条（2）来防止大部冷却液或水进入机床导轨防护罩内，但此种伸缩式防护 罩使用时间长了后，防护密封胶条（2）与前节罩（1） ，后节罩（3）之间的反复磨擦会产生 缝隙，以及防护密封胶条（2）材质为橡胶，使用长了也会老化。所以难免会有部份冷却液 或水渗入到伸缩防护罩内腔，使导轨面和滚珠丝杠等零部件受到锈蚀。此防护罩结构在后节 罩（3）与前节罩（1）联接处增加一封闭的 U 型导水槽（4） 。如有部分冷却液及水通过 防护罩渗入入防护罩内腔时， 必需经过此 U 型导水槽（4） ，由此 U 型导水槽（4）可以 聚集渗入的冷却液和水等， 再导入床身导轨 两侧的回水槽内。 这样就充分地实现了机床 导轨防护罩的防水性能。 此结构的创新设计 成功地改善了以往机床导轨防护罩的传统 结构， 使机床导轨面等重要零部件得到了充 分有效的保护， 而且此内置的 U 型导水槽结 构紧凑，外观整洁，既解决了防护难题又保 持了原有的整洁大方的机床外观。 （周桂兰，崔宏枫；齐齐哈尔二机床有限责任公司技术中心设计院，黑龙江 齐齐哈尔 161005）
numericalsimulation数控机床床身导轨防水防护罩结构设计与应用由于伸缩式防护罩使用时间长了后防护密封胶条与前后节防护罩之间的反复磨擦运动会产生缝隙以及防护密封胶条材质为橡胶使用长了也会老化故其防水效果非常不好不能严格防止水及其它冷却液的渗入经常有冷却液及水渗入到机床导轨面及滚珠丝杠等外表面上致使润滑油和冷却液及水混合在一起导致导轨面及滚珠丝杠等其它零部件的外表面受到锈蚀严重地破坏了机床的各项加工精度性能和使用寿命等
2.3 边界条件 采用速度进口，速度大小为 5 m/s。出口设为自由出流边界条件。 2.4 求解方法 基于 ANSYS FLUENT 选用标准的 k − ε 模型，计算收敛残差设为 1e-3。由于是不可压缩气体，故选择 分离式求解器，不激活能量方程。
3 计算结果与分析
·34·
齐 齐 哈 尔 大 学 学 报
其中： σ ij 为流体微元体上的压力； Bx , By , Bz 为微元体 x, y, z 方向上的体力。 对汽车的外流场模拟采用标准的 k − ε 模型。标准的 k − ε 模型中的湍动能和耗散率方程如下式
（1）
（2）
[7]
ρ=
收稿日期：2014-04-20
dk dt
∂ ∂xi
µt ∂k µ + + Gk + Gb − ρε − YM ∂ x σ k i
第 30 卷第 4 期 2014 年 7 月
齐 齐 哈 尔 大 学 学 报 Journal of Qiqihar University
Vol.30,No.4 July,2014
基于 CFD 的汽车外流场数值模拟
孟生才 1，陈倩云 2
（1.马鞍山职业技术学院 机械工程系，安徽 马鞍山 243031； 2. 江苏大学 机械工程学院图形技术研究所，江苏镇江 212013）
图 1 计算流域几何模型
2.2 计算流域网格的划分 基于 ANSYS ICEM 对汽车外部流场进行网格的划分，在不影响精度的前提下，对网格进行局部加密处 理。车身外部最大网格尺寸为 50，其它区域最大网格尺寸为 500。建立的网格划分如图 2，3 所示。
图 2 计算流域网格的划分
图 3 局部网格加密
（3）
作者简介：孟生才（1968-），男，安徽马鞍山人，副教授，硕士，主要从事机械制造技术及有限元分析。
第4期
基于 CFD 的汽车外流场数值模拟
·33·
ρ
µt ∂ dε = µ + σε dt ∂xi
∂ε ε ε2 ρ + + − C G C G C ( k 3ε b ) 2ε 1ε k k ∂xi
Abstract：CFD software has been widely used in vehicle dynamics because of economy, the method of which has a profound effect on the prediction and improvement of aerodynamic performance, as well as the car designing. A 2d model was built and the mesh was presented based on ANSYS ICEM. The pressure contour, velocity contour and velocity vector graphic were obtained by the numerical simulation of flow field for cars based on FLUENT. Therefore, from the current situation of flow field, an intuitive understanding was received and the theory evidence was provided for the optimization of car's aerodynamic performance. Key words：CFD；cars；flow field；numerical simulation
汽车空气阻力主要由压差阻力、内流阻力、诱导阻力和摩擦阻力等构成。压差阻力对空气阻力影响最 大，约占 85%
[1-4]
。要减小汽车的空气阻力，必须对汽车的空气动力学特性进行较为详细的研究。汽车的空
气动力学特性对汽车行驶的动力性、燃油经济性和操纵稳定性有非常重要的影响。与风洞试验相比，应用 CFD 软件对汽车的外流场进行数值模拟经济型高且实验周期短，因而，CFD 在汽车行业的应用越来越多， 也得到了行业专家越来越多的关注。CFD 方法对于预测和改进汽车的气动性能，指导汽车产品设计具有重 要意义。
∂µ ∂µ ∂µ ∂µ ∂σ11 ∂σ12 ∂σ13 +µ +ω + + + Bx +ν ρ = ∂x ∂y ∂z ∂x ∂y ∂z ∂t ∂ν ∂ν ∂ν ∂σ 21 ∂σ 22 ∂σ 23 ∂ν +µ +ω + + + By +ν ρ = ∂x ∂y ∂z ∂x ∂y ∂z ∂t ∂ω ∂ω ∂ω ∂ω ∂σ 31 ∂σ 32 ∂σ 33 ρ +µ +ω + + + Bz +ν = ∂x ∂y ∂z ∂x ∂y ∂z ∂t
摘要 ：CFD（计算流体力学）软件由于其经济性在汽车动力学上得到了广泛的应用，其方法对于预测和改进汽车 的气动性能，以及对于指导汽车的产品设计都具有重要的意义。利用ANSYS ICEM 对汽车外流场进行二维建模并 对其进行网格划分，基于ANSYS FLUENT对外流场进行数值模拟，得出其压力云图、速度云图和速度矢量图。从 直观上对汽车外流场的气流情况有了了解，通过数值模拟的数据对汽车外流场的实际情况进行分析，为优化汽车 的气动性能提供了理论依据。 关键词：CFD；汽车；外流场；数值模拟 中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：1007-984X(2014)04-0032-05
1 CFD 基本控制方程
汽车外流场流体的流动符合质量、动量以及能量守恒定律。本研究主要分析风速，不考虑热量交换， 因而可以用质量守恒方程和动量守恒方程来描述模型的流体动力学特性 ，在笛卡尔坐标系中，其一般的 形式如下式
[6] [5]
∂ρ ∂ ∂ ∂ + ( ρµ ) + ( ρν ) + ( ρω ) = 0 ∂t ∂x ∂y ∂z 其中： ρ 为密度； t 为时间； µ ,ν , ω 分别为 x, y, z 方向上的速度分量。