流体仿真平台对汽车外流场仿真能力的对比研究

流体仿真平台对汽车外流场仿真能力的对比研究
朱晖;杨志刚;谭鹏;丰成杰
【摘要】基于同一个硬件平台和相关的参数设置,采用Fluent 12.1和Star-
ccm+8.04流体仿真平台对某车身的1/3缩比模型外部绕流场进行数值仿真.以相同模型的风洞实验数据为准,通过计算获得气动升/阻力、车身表面压力和尾迹区流场结构等相关信息,对比研究了两款流体仿真平台对汽车外流场的仿真能力,为流体仿真平台的选择提供了依据.
【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2016(038)002
【总页数】6页(P163-167,199)
【关键词】汽车外流场;流体仿真平台;仿真能力
【作者】朱晖;杨志刚;谭鹏;丰成杰
【作者单位】同济大学,上海地面交通工具风洞中心,上海 201804;同济大学,上海地面交通工具风洞中心,上海 201804;湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082;湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082【正文语种】中文
由于突出的经济性及时效性优势，计算流体力学在汽车空气动力学研究中被广泛采用；该方法对汽车外部绕流场的精细解算能力、对提高汽车空气动力学性能至关重要[1-3]。

企业调研和文献检索结果表明：目前主流的流体仿真平台为Fluent(Ansys Co.
Ltd.)和Star-ccm+(CD-adapco Co. Ltd.)；二者皆基于有限体积理论框架构建，
且内嵌的湍流模型基本相同[4-5]。

在汽车空气动力学领域，无论是研究还是产品
开发，Fluent平台和Star-ccm+平台皆得以广泛应用[6-8]。

公开发表的文献内容可概括为：基于仿真平台对流动现象进行研究所获得的规律性认知；缺乏对两款平台性能对比的研究成果。

只有明确仿真平台在主要性能方面各自的特点，才能在商业或科研工作中对其进行正确的选择。

本文中基于Fluent 12.1平台和Star-ccm+8.04平台，对某款自主设计车型的外
流场进行数值计算，并将仿真结果与风洞实验数据进行对比，以比较两款流体仿真平台针对具有分离、剪切和临地面特性绕流的解算特点。

实验及数值仿真对象统一为自主设计的某款车型的1/3缩比模型，其造型特点为：车体A柱和车头实行一体式设计；车体顶部和C柱实行一体式设计并延伸至车尾；车体侧面采用半分体式设计；尾部采用简洁的“截尾”设计；车型底部光滑。

缩比模型长L=1 562mm，宽W=591mm，高H=486mm，轴距为875mm，轮距为480mm，正投影面积为0.249 3m2；轮胎采用带辐条的仿真轮胎，具体构
造如图1所示。

采用尺度在0.4～3mm之间的三角形网格对缩比模型表面进行划分。

其原因为：(1)车身底部与地面之间间隙狭小，可能导致体网格生成困难或者质量不高，从而
加细网格；(2)在型面结合部位流动极易产生扭曲变形，需要细化网格以更好地捕
捉流场信息；(3)为保证与实验状态完全一致，保留了仿真模型的全部细节(车轮辐条、螺栓、车轴法兰等)，因此细化面网格。

体网格的制作遵从两款仿真平台各自的推荐方案：Fluent平台采用四/五/六面体
混合网格结构(四面体、棱柱体、金字塔、六面体)；Star-ccm+平台采用切块网格结构(trimmed mesh，五/六面体混合网格结构)。

具体网格结构如图2所示。

空间计算区域：长为15.0m，宽为6.0m，高为2.5m，阻塞比为1.66%。

x正向
为从左到右的空气流动方向,z正向垂直向上,y正向以右手螺旋定则确定。

为了减轻数值黏性的影响，大部分计算区域划分为大小不等的六面体网格。

为高效利用计算资源并提高计算精度，在包裹模型及流场变化剧烈的局部区域采用统一尺度对体网格进行加密。

网格总数为：Fluent平台1 800万单元；Star-ccm+平台1 100万单元。

近壁面第1层网格中心离壁面的法向高度，以y+=30～150加以控制(采用RANS 框架湍流模型)，高度为0.6mm。

在实现边界层网格全面覆盖模型及相关型面细节的条件下，体网格质量控制标准为：Fluent平台skewness<0.94；Star-ccm+平台volume change>10-4。

本文中统一采用RANS模型框架下Realizable k-ε湍流模型[9]结合2阶迎风格式(1阶格式1 000步迭代，2阶格式3 000步迭代)完成数值计算。

Realizable k-ε湍流模型引入部分雷诺应力数学约束，湍动能k和耗散率ε基本方程为
其中σk=1.0；σε=1.2；C2=1.9
；
式中：Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k产生项；σk和σε分别为与湍动能k 及耗散率ε对应的Prandtl数。

参照实验风洞的结构、气流品质和运行工况，入口处统一采用速度入口边界条件(velocity inlet)，认为速度为均匀分布，u=40m/s，v=w=0；入口湍流强度
0.2%，湍流黏性比10；出口采用压力出口边界条件，表压取为0，出口湍流强度及湍流黏性比的确定法与进口类似。

按车长计算的雷诺数Re≈3.25×106。

地面和车身(含车轮)皆采用无滑移边界条件，其目的是与实验情况保持一致(实验风洞无移动带，车轮无法实现转动，不采用MRF法)；计算域左右两侧和顶部采用对称边界条件。

计算过程中，在监测残差的基础上，对车身的阻力系数CD和升力系数CL进行监
测。

计算结束后统计出的相关数据见表1，表中相对误差计算以风洞实验值为准，其中升力系数误差取绝对值。

由表可知：在本次数值仿真中，对于阻力系数的计算，Fluent平台明显优于Star-ccm+平台，前者计算结果与实验值偏差已控制在1%以内；对于升力系数的计算，在升力方向预测准确的基础上，具体数值与实验值偏差皆大于30%。

因此，在本
次仿真中，针对气动阻力的计算，Fluent平台优于Star-ccm+平台；针对气动升
力的计算，二者的计算结果皆不理想。

通过风洞实验对车体表面压力进行测量，所使用的主要仪器为DTC电子压力扫描
阀系统(128通道)。

测压孔布置于车体上部纵向对称面、尾部水平面、车体底部区域和车身侧面。

车体上部对称面压力系数测量值和数值计算值如图3所示，图中x/L为比例长度。

由于车体造型特征有别于传统车，在发动机舱盖和前风窗衔接处未出现“死水区”，所以消除了该处的高压区。

由图3可知：Fluent平台与Star-ccm+平台对车体上部对称面处测点压力计算结果几乎完全一致；以测量值为准，在整体趋势一致的基础上，仿真平台对车体顶部气流加速及压力回升区域(Cp≤0区域)的计算结果明显偏小，即对车体上部负压预测皆不理想；因此二者对车体上部区域压力计算能力相当。

车体尾部的压力分布如图4所示，z/H和y/W分别为比例高度和宽度，其中图
4(a)显示尾部纵向对称截面压力分布，图4(b)和图4(c)分别显示尾部z/H为0.346和0.220处截面压力分布。

由图4可知：以测量值为准，在整体趋势一致的基础上，Fluent平台计算结果与
测量值更接近，且普遍大于Star-ccm+平台的计算结果；Fluent平台针对
z/H=0.220处截面压力系数的计算结果在趋势上与测量值更为接近，具体如图4(c)所示；二者针对车型尾部表面压力系数的计算结果与测量值皆存在较大差距；因此
Fluent平台针对车体尾部压力的计算能力略优于Star-ccm+平台。

在纵向对称面处，车体底部接近尾部位置的压力分布测量及计算结果如图5所示。

由图5可知：以测量值为准，在整体趋势一致的基础上，Fluent平台计算结果与
测量值更接近，因此Fluent平台针对车体底部接近尾部位置压力的计算能力略优
于Star-ccm+平台。

车体侧面布置两排测点：C柱处沿气流方向和车身处垂直气流方向各1排。

测量
和计算结果如图6所示。

由图可见：对于第1排车身侧面测点，以测量值为准，在整体趋势一致的基础上，Star-ccm+平台计算结果与测量值更接近；对于第2排车身侧面测点，以测量值
为准，在整体趋势一致的基础上，两款平台计算结果与测量值偏差相近；因此，Star-ccm+平台针对车体侧面压力的计算能力略优于Fluent平台。

在总共110个测压点中，两款仿真平台对压力的计算结果之间的相对误差(以Fluent平台计算结果为准)分布见表2。

通过风洞实验对车体外部绕流场尾迹区进行PIV测量，所使用的主要仪器为：Nd∶YGA双脉冲激光器和CCD跨帧数字相机，数字相机触发信号由同步器控制
提供，从而保持与脉冲激光器的完全同步。

图7显示了依据实验和数值结果所绘制的纵向对称截面流线图，图8为某纵向截
面实验和数值结果流线图，图9显示了车身尾部边缘实验和数值结果纵向截面流
线图[10]。

由图7可见：以实验结果为准，两款仿真平台对纵向对称面流场涡尺度描述基本
准确，但皆无法准确捕捉涡核位置；对于尾涡周围流场结构的描述能力，Fluent
平台略优于Star-ccm+平台。

由图8可见：以实验结果为准，Fluent平台计算结果能捕捉到某纵向对称面流场
结构中微小涡核的存在，Star-ccm+平台计算结果则无法描述相关流场结构；对于
尾涡周围流场结构的描述能力，两款平台能力相当；总体上Fluent平台优于Star-ccm+平台。

由图9可见：对于车身尾部侧面边缘的流场结构计算能力，Fluent平台与Star-ccm+平台几乎完全相当，在绝大部分区域符合实验测试结果。

综合图7～图9的分析可知：就针对车身尾迹区流场结构的计算能力而言，Fluent 平台优于Star-ccm+平台。

基于Fluent平台和Star-ccm+平台各自推荐的网格结构、相同量级的网格数量、一致的边界层网格厚度、相同的湍流模型及迭代格式、统一的硬件配置，以实验数据为准，通过数值仿真对比分析升/阻力系数、表面压力和尾迹区流场结构，得出如下结论。

(1) 以风洞实验气动升/阻力数据为准，针对气动阻力的计算，Fluent平台优于Star-ccm+平台；针对气动升力的计算，两款平台计算结果与实验值偏差皆较大，所以能力相当。

(2) 针对车身上部纵向对称面压力的计算，两款平台能力相当；针对车身尾部表面压力的计算，Fluent平台占优；针对车体底部纵向对称面压力的计算，Fluent平台占优；针对车身侧部表面压力的计算，Star-ccm+平台占优；总体上，针对实验所涉及的测压点处压力的计算，Fluent平台略优于Star-ccm+平台。

(3) 针对尾迹区流场结构的计算，Fluent平台对于实验涉及截面处较小涡结构的捕捉能力强于Star-ccm+平台，因此Fluent平台占优。

(4) 前处理过程中，Star-ccm+平台的网格包面及体网格生产效率和易操作性明显优于Fluent平台；在计算中，Fluent平台的并行计算效率明显优于Star-ccm+平台。

【相关文献】
[1] HUCHO W H. Aerodynamics of Road Vehicles[M]. 4nd ed. SAE Inc,2004.
[2] 谷正气.汽车空气动力学[M].北京:人民交通出版社,2005.
[3] 傅立敏.汽车空气动力学[M].北京:机械工业出版社,1998.
[4] Fluent12.1 Manual[M]. Ansys Inc.,2009.
[5] Star-ccm+8.04 Manual[M]. CD-adapco Inc.,2013.
[6] 王夫亮,傅立敏.侧风对轿车气动特性影响的数值模拟研究[J].哈尔滨工业大学学报,2006(8):1255-1258.
[7] 龚旭,谷正气,李振磊,等.侧风状态下轿车气动特性数值模拟方法的研究[J].汽车工
程,2010,32(1):13-16.
[8] 张英朝.汽车空气动力学数值模拟技术[M].北京:北京大学出版社,2011.
[9] SHIH T H, LIOU W W, SHABBIR A, et al. A New k-ε Eddy Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows-Model Development and Validation[J]. Computer and Fluids,1995,24(3):227-238.
[10] 陈细军,谷正气,等.PIV技术在汽车模型风洞中的应用[J].汽车工程,2009,31(2):170-174.。