汽车外流场的数值模拟

汽车外流场的数值模拟

宁燕，辛喆

中国农业大学， 北京 （100083）

E-mail ：rn063@

摘 要：利用CFD 方法，运用FLUENT 软件对斜背式车型的外流场进行了数值模拟，并对结果进行了处理与分析。研究了车身周围涡系的三维结构和车身表面分离流的情况，表明由于车身前后的压力差和主流的拖拽作用等，在汽车尾部形成了极其复杂的涡系。

关键词：汽车空气动力学；CFD ；车身外流场；FLUENT

1. 引 言

汽车空气动力学的研究主要有两种方法[1]：一种是进行风洞实验，另一种是利用计算流体动力学（CFD ）技术进行数值模拟。传统的汽车空气动力学研究是在风洞中进行实验，存在着费用昂贵、开发周期长等问题。另外，在风洞实验时，只能在有限个截面和其上有限个点处测得速度、压力和温度值，而不可能获得整车流场中任意点的详细信息。

随着计算机技术和计算流体动力学的发展，汽车外流场的计算机数值仿真由于其具有可再现性、周期短以及低成本等优越性而成为研究汽车空气动力学性能的另一种有效方法。

2. 控制方程和湍流模型

汽车外流场一般为定常、等温和不可压缩三维流场，由于外形复杂易引起分离，所以应按湍流处理。汽车外流场的时均控制方程式[2]如下：3,2,1,=j i ；z x y x x x ===321,,；，：

u u =1w u v u ==32,平均连续方程：0=∂∂i

i x u 平均动量方程：⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+∂∂∂∂+∂∂−=∂∂i j j i eff j j j i j x u x u x x p x u u µρ κ方程 ρεκσµµκρκ−+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂+∂∂=∂∂G x x x u j t j

j j )( ε方程 κερκεεσµµερε221)(C G C x x x u j t j j j −+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣

⎡∂∂+∂∂=∂∂ -1-

其中， j

i i j j i t x u x u x u G ∂∂⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+∂∂=µ ε

κρµµ2

C t = µ为动力粘性系数，t µ为湍流动力粘性系数，它的提出来源于Boussinesq 提出的涡粘假定，是空间坐标函数，取决于流动状态，满足：

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+∂∂=−i j j i t j i x u x u u u µρ 其中，j i u u ρ−是由于对动量方程式平均化后得到的雷诺应力项。

εκ−方程中应用的常数值分别为：

09.0=µC ，，44.11=C 92.12=C ，0.1=κσ，3.1=εσ

但在近壁面区，由于流动情况变化很大，特别是在粘性底层，流动几乎是层流，湍流应力几乎不起作用，即上述的εκ−湍流模型是针对充分发展的湍流才是有效的。为了解决近壁面问题，目前有两个解决办法，一是不对粘性影响比较明显的区域（粘性底层和过渡层）进行求解，而是用一组半经验的公式（即壁面函数）将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量联系起来；另一种途径就是采用低数Re εκ−模型来求解粘性影响比较明显的区域，要求在壁面区划分比较细密的网格。越靠近壁面，网格越细。

壁面函数法是FLUENT 选用的默认方法，它对各种壁面流动都非常有效。它避免了在速度梯度很大的近壁区运用精细网格，从而节省了计算开销。

3. 有限体积法和SIMIPLE 算法

有限体积法是S.V .Patanker 提出的一种有限差分离散方法。其基本思想是将计算区域划分为网格，并使每个网格周围有一个互不重复的控制体积；将待解微分方程（控制方程）对每一个控制体积积分，从而得出一组离散方程。

由于本文计算车身外部流动问题可简化为不可压缩流动问题，对压力项没有独立的方程存在，因此要对速度和压力的耦合问题进行处理。SIMPLE 系列算法[3]是处理该问题的较为成熟的一类方法。这种算法的基本思想是：由假设的速度场得到通过单元表面的单位质量对流流量，然后，通过假设的压力场来求解动量方程和由连续性方程导出的压力校正方程，得到的压力校正场又来更新原来的速度与压力场。这样反复迭代直到收敛。

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4. 汽车模型的建立

进行汽车外流场仿真，首先要做的工作就是车身模型的建立。我们采用图1所示的车型作为仿真模型，建模比例为1：20。这种车型的原始模型首先在UG上建立，因为造型软件UG具有多种功能，而且提供了与多种软件的接口。然后把车身几何模型文件的.cpt格式转化成.igs格式，再传到GAMBIT上去进行网格划分。

图1 车体模型

该模型对汽车实体表面作了简化处理：省略了车灯、门把手、后视镜等。同时，还对底部作了平整处理。这些改变对流场总体特性并没有大的影响，却反而能提高计算的经济性。

5. 网格的划分和计算域的建立

本文使用GAMBIT软件划分网格。网格力求简单并贴体，网格简单时求解方便，网格复杂则可能导致求解不精确甚至不稳定。对于复杂表面的网格生成而言，贴体则是至关重要的。

为了解决汽车几何形状复杂，求解域大，网格数目多的难点，要对整个求解域进行分区，车身周围的局部求解域为内部区域，其余的为外部区域。按照离车身的距离不同，网格的数量和大小也不同：离车身近的区域网格划分比较密，同时对车身以及车身底部地面附近的区域进行网格加密，使之能够清楚的表现车身表面附近和地面边界层附近的细致情况。而远离车身的区域，网格可以适当的稀疏，以减少网格的数量，减少计算量，节约计算时间。

由于汽车尾流对汽车的气动性能影响很大，并且在汽车后部很长一段距离内存在，为了更好地仿真尾流，在汽车后部取很长一段距离。同理，为了再现汽车行驶状态，在汽车的前部、上部和侧面都取大于汽车几倍尺寸的距离。根据经验[4]，流场仿真计算所取的计算域到达一定的大小时，汽车的流场就不再受计算域大小的限制。假设汽车模型长为L，宽为W，高为H，则计算域的取法为汽车前部取3L，侧面取4W，上部取4H，汽车后部取6L。

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