汽车车身外流场计算模型及仿真

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2013 年第 36 期

科技创新与应用
平均动量方程：
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(1)
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e2 (m mt ) e C G e rC 1e 2e e X j k k ve
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(5)
求， 记录的数据能够清晰地记录到地球固体潮变化及地震波。 （2） M2 波潮汐因子 及 误 差 是一 项 用来 评 定固体潮 观测内 在 质 （即中误差） 量优劣的定量指标。使用 M2 波月序列潮汐因子离差值 （或相对误差） 在正常情况下， 波月序列潮汐因子离散误差 可以反映 仪器观测精度及其稳定性。 仪器标定的重复性是选择观测仪器的重 要指标。从以上统计可看出， 荥阳浅井竖直摆倾斜各项观测指标完 符合地倾斜观测的要求。 全能够满足正常的观测需要， 该仪器 在荥阳浅 （3） 从映 震能力来统计 分析 和震 后 效应 来 看 ， 井中的映震效能比较理想。 由于钻孔倾斜仪检测的是地壳局部性形 变的过程。一般说来， 地壳形变的大小或形式与外力的作用时间的 或变形力的变化很快， 区域 长短有关， 如果变形力的作用时间很短， 局部地壳的形变是弹性的， 这意味着一旦撤除作用力， 即恢复 原样。 表现在震后 2-5 天形态恢复正常变化。 （4） 从竖直摆钻孔倾斜仪标定精度、 内在质量评价， 映震效应和 震后效应的分析统计来看， 浅井观测能够满足地质较好地区的观测 要求。 参考文献 地震 [1]国家地震局科技监测司援1995援地震地形变观测技术[M]援北京： 出版社援3-10援 张雁滨， 等.2002.地震前兆信息与软件系统 EIS2000 [2]蒋骏， 李胜乐， [M].北京:地震出版社. 北京： 海洋出版社， [3]陈德福.地壳形变动力学观测与研究， 1993援 苏泽云援2001援常熟地倾斜固体潮调和分析及预报 [4]范桂英， 丁建国， 效能[J]援地震学刊， 21(1)： 4-8援 [5]韩育平等： CZB-2 型竖直摆钻孔倾斜仪用于地震预报的检测能力 分析.53. 作者简介 ： 李海峰， 45， 男， 工程 师 ， 河南省郑州地震台， 从事台 站地震监测和分析。
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脉动运动方程： __ U U U
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（k 方程） ： 湍流运动方程
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(3) (4)
（e 方程） ： 湍流耗散率方程
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科技创新
汽车车身外流场计算模型及仿真
许莉娟 江苏 盐城 225009） （江苏联合职业技术学院盐城生物工程分院盐城生物工程高等职业技术学校，
基于 Fluent 软件平台分析研究汽车的空气动力性能。 通过对作为边界的车身外表面以及流 摘 要： 文章利用计算流体力学方法， 场的网格划分， 并采用适当的矩阵代数算法， 得到汽车外部流场的近似数值解， 从而了解汽车周围流速、 压力等的分布情况， 进而 确定汽车的气动特性与参数。 关键词： 计算流体力学； Fluent； 外流场； 网格划分； 数值模拟 引言 汽车在行驶的过程中不可避免的要与周边空气发生相互作用， 随着车速的增加， 这种相互作用会愈加的剧烈。空气对在行驶中的 在 汽车 开 发 过 程 汽车施加力和力矩 ， 从而 影响汽车 的行 驶。所以， 另外， 汽车的空气动 中， 研究并优化汽车的空气动力性能非常重要。 力学性能不仅影响着汽车的燃油经济性，同时也对汽车的动力性、 所以现代汽车设计越来越 稳定性和操作性等方面有着巨大的影响， 关注汽车的空气动力性能研究。 随着计算机技术的迅猛发展， 对汽车结构分析的技术已基本成 其中 计 熟， 且对 更为 复杂的流 动问题 的模 拟计算也在不 断的 发展， （Computational Fluid Dynamics 简 称 CFD） 算 流 体力 学 受 到了 越 来 其 越多的关注。计算流体力学已从定性的分析发展到定量的计算， 应用也从最初的航空领域不断的扩展到包括汽车在内的多个领域[13] 。新车型的开发过程中， 空气动力性能分析是必不可少的。利用数 值模拟的方 法对 汽车行驶中的外 流场 进行分析能够用 来 预 测 或 解 并能取代部分实验 决一些理论及实验都无法处理的复杂流动问题， 才能建立合适的数 环节。但要求对问题的物理特性有足够的了解， 这 些都离不开实验和理 论 方 法 学 方程 及 相 应 的 初 始 、 边界条件等， 的支持。目前，数值方法主要是应用欧拉方程和纳维-斯托克斯方 数值方法与传统的研究方法相结 程。在汽车设计的研究分析领域， 提高研究效率。汽车 合, 能够有效地改善汽车性能、 节约研究资金、 车身外流场 计算 模型及仿真是计算流 体力学在汽车 外 流场 分析方 面的应用研究之一[4-8]。本文通过建立汽车车身外流场的计算模型， 基于 Fluent 仿真平 利用计算流体力学方法和适当的矩阵代数算法， 台， 分析研究汽车车身的空气动力性能。 1 汽车车身绕流的数学模型 流场运动中，流场运动基本方程 是 根据 基 本物 理 定 律 质 量 守 介 质物性 发生变化 ， 潮 应变积累到一定程度， 力学状态明显改变时， 地球对引潮力 汐就会发生明显变化。日月引潮力持续作用于地球， 形变潮汐观测值可反映地壳在潮 的响应反映了其内部的物性特征。 通过对 地壳介质 物性 参 数 （潮 汐 因 汐作用下发 生的 微形变场变化， 判定其 由线性 进入 子等） 的计算， 分析地震前地壳岩石弹性的变化， 非 线性 状态的短期阶段。潮汐因 子特征的物理本 质上 和 空间 距离 从 时间上 给 上， 反映 了震 源区域地 壳介质 在不 同方向的 受力变化， 出了震源的 短临 前兆信息。这种变化过程 可归 纳 为趋势 性 背 景 变 （或减小） 化—增大 —达到极值—恢复—平静等待—发震。 潮汐参数 反映了岩石介质 在地震前呈趋势性变化和突变性非稳定扰动变化， 应变积累进入了非弹性变化的失稳阶段和突变过程， 应为震前短期 异常信息。 地震研究关注的是从实际观测资料中分离出与地震孕育 有关的非潮汐因素所引起的倾斜变化， 实践初步表明地震平静期时 值相当稳定， 而在 5 级以上地震前， 近台 （震距中 100km） ， 发生 值 的 越出置信区间时， 可视为短期异 变化是经常的。 当值出现系统偏离， 本 常。 临近发震时， 可能出现潮汐因子值的急剧增大或不稳定跳动。 （图 3d、 文以 2 倍均方差潮汐因子变化 图 3e） ， 结果发 现潮 汐 因 子 变 化均在 1-2 倍均方差之内， 说明了荥阳附近地区区域性水平倾斜变 化系统偏离不明显， 这也与郑州地区没有发生地方震相吻合。 3 思考和认识 由于社会经济的发展， 大部分台站观测环境遭到了不同程度的 仪器由地面观测 破坏， 地面干扰源较多， 严重影响了台站观测质量， 但深井观测也 转到地下深井观测是今后地震观测的发展方向之一， 维护等方面 都受 到一定的 制 存在 一些 条件 制 约 ， 包括资 金、 技术 ， 约。本文通过对 CZB 竖直摆倾斜仪 在地 质条件较好地区浅井 地倾 斜潮汐形变观测资料的精度、 映震效能做出正确的认识和客观的评 价， 对形变台网未来的发展和台网布局具有一定的现实意义。 （1） 该仪器灵敏 度为 0.0015寓/mV 左右， 符 合地形变观测规范要 对于空 恒、 动量守恒、 能量守恒定律按一定的流体流动模型推导的。 也 就是风速 小于 408km/h， 可 气来说， 当风 速小于 三分之一声速 时， 以 认 为 是 不 可 压 缩 气 体 。 而 对 汽车 来 说 ， 最 高 速 度一般 都 小 于 400km/h，因此汽车空气动力学研究可以把周围的气体考虑成不可 等温、 不可压缩的三维流场， 由 压缩的。轿车绕流问题一般为定常、 目前还 不 于 复杂 外形会引起气流 的分 离， 由于计算机 技术的限制 ， 能实现， 现在工程中应用最 广泛的方程是雷 诺时 均 N-S 方程 ， 为使 方程封闭这里采用可实行的 K-着 模型。 汽车外流场的控制方程如下: 平均连续方程：
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湍流动能： k 1 m ' m '' i j
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(6) (7) 图 2 基于 Fluent 的小轿车外流场压力分布 (8)
湍流长度： I 0.07 L 0.07 3.916 0.27412 湍流耗散率： eC
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3 Fluent 求解 选择基于压力 在 Fluent 中选择合适求解小车外流场的求解器。 同时选择隐式求解器， 网格单 的求解器， 这适合于不可压缩的流动。 每个 未 元内的未知量用临近单元的已知量和未知量来计算。因此， 知量会不只在一个方程中出现， 这些方程必须同时求解才能解出未 速度场 知量。另外， 通过设置， 确定选择的是三维稳态的计算模型， 是绝对的， 并且按压力梯度计算。 然后设置求解控制 参数，进 一步 确定使用 SIMPLE 型求解 器， 求解方法采用 “求 解 压力 在求 解过 程中联立流动方 程和 湍流方程， 耦合方程组的半隐式求法” 。 为了提高计算结果的可靠性， 我们选择 二阶离散精度。 事实上， 为了使结果尽快收敛， 前半部分使用一阶离 散精度， 迭代 330 次后， 使用二节离散精度， 继续求解。对于欠松弛 图 3 基于 Fluent 的小轿车外流场流速分布 因子， 选用默认值即可。 选中 Check Convergence 复选框 ， 设置收敛判据， 表示 当每个变 正压 区； 同 时， 在挡风 玻璃 与汽车顶 盖以 及汽车 顶 盖与 后 窗之 间 存 量的值到达 Convergence Criterion 文本框中的规 定的值时，求解器 在一个绝对值比较大的负压区； 而汽车底盘下面为一个变化缓慢的 就认为计算已经收敛。 不过面积不大。 负压区域。 前轮外侧边缘有一绝对值很大的负压区， Fluent 在车顶盖的最大流速为 26.4m/s， 求得的 速度最 小值都 在 车头和车尾， 约为 0。 接近流场速度的数值模拟求得的极值。 由于汽 车底部的气流离开尾部后， 就迅速上扬和来自汽车后挡风玻璃的气 流相互冲撞， 导致汽车尾部形成漩涡， 产生能量耗散。 6 结束语 使用 Fluent 软件平台分析研究了 本文利用计算流体力学方法， 压力 等的分布 情况， 从而 汽车的空气动力性能， 包括汽车周围流速、 确定了汽车的气动特性与参数。 仿真分析结果表明该方法在分析研 究汽车空气动力特性， 辅助和优化汽车车身设计方面的有效性。 参考文献 杨国权.基于 CFD 的汽车外流场数值模拟的发展概 [1]张奇， 赵又群， 述[D].南京： 南京航空航天大学能源与动力学院， 2005. 贾建伟援CFD 简介及其应用 研究 [J]援北京 ： [2]师奇威， 贾代勇， 解放军 理工大学， 2007援 图 1 Fluent 的求解的收敛过程 王靖宇 援CFD 软件 及 其 在 汽车 领 域的应用 [3]沈俊 ， 傅立敏 ， 黎妹红 ， 继 续求 [D]援吉林:吉林工业大学,2000. 图 1 中， 在 迭 代 到 330 次时 ， 改 为 二 阶 迎 风 离散 精度， 解。最终在 445 次迭代时收敛。 [4]黄向东援汽车空气动力学 与 车身 造 型[M]援北京 ： 人民交 通出 版社 ， 4 汽车风阻系数和升力系数 2000援 该辆小轿车在 20m/s 的速度下行驶，受到的空气阻力由 Fluent [5]宁燕， 辛喆援汽车外流场的数值模拟[J]援北京:中国农业大学,2004. 计算 得 到 F蒯=170.28N， 其 迎 风面 积 S=2.25m2， 根据 求 解 空 气 阻 力 系 [6]吕明忠， 傅立敏援计算机数值仿真在 汽车外流场分析方面 高敦岳， 数的公式： 的应用研究[N]援北京： 人民交通出版社， 2002援 王成玲援汽车流场数值模拟[J]援北京： [7]贾海庆， 国家计算流体力学实 F= 1 c籽sv2， 得到 Cd=0.31。 2 验室,2007. 同样， 由 Fluent 计算得到， 该辆小轿 车在 20m/s 的速度下行驶， [8]李萍锋， 李红渊， 武玉维援FLUENT 在某轿车外流场中的应 张翠平， 受到的空气升力为 FT=14.95N。 根据如下求解空气阻力系数的公式： 用[D]援山西:太原理工大学,2009. 1 （1983-） 随机控制 、 鲁棒控 作者简介： 许莉娟 ， 硕士， 研究方 向 ： F cr sn 2 ， 得到 CL=0.027。 制、 汽车电子。 2 5 车外流场的后处理及分析 对 Fluent 求解器得到的数据， 只是对应于每个网格的相关物理 量的数值大小和方向等信息。 为了整体的把握小轿车外流场的特点 转化为图像来描 和直 观地 呈现出计算结 果， 需要对 其进行后处理， 述结果。 由图 2 可知， 在汽车头部， 气流受到垂直方向的阻滞， 速度降 为 零， 气流压力升高。在发动机罩和挡风玻璃之间存在一个比较大的