2 基于Ansys的汽车空气动力学特性分析

求方法在 UG 中建立某车型的车身几何造型，基于 ANSYS 的 CFD 的有限元仿真环境对该车的空气动力 学特性进行了数值模拟仿真研究，得出该车体的速度矢量图、压力分布图等，并根据模拟仿真结果对汽车 的气动造型提出一些建议，为优化汽车车型及改善汽车空气动力学特性提供参考。
关键词： 车身几何模型； 空气动力学； 数值模拟； 仿真 【Abstract】The car aerodynamics characteristic has obvious effects on the economics， safety of driv － ing and stability of side wind. It the car body model is built by the reverse engineer method in UG envi － ron ment， and the speed vector and air -pressure distribute are deduced by the numerical simulation of aero-dynamic characters by the CFD module of Ansys. In addition， the suggestions of car aero-dynamic styling are put forwards and helpful for the improving the car model and aero-dynamic characters. Key words： Car body model； Aero-dynamics； Numerical simulation； Simulation 中图分类号： TH16 文献标识码： A
LI Yu-zhou， TAN Xia-mei， LIANG Ming-ying （Faculty of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China ）
【摘
要】 汽车空气动力学特性对汽车经济性、驾驶安全性、侧风稳定性等有着较大的影响。 通过反
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李毓洲等 ：基于 Ansys 的汽车空气动力学特性分析
x3=z， u1=u， u2=v， u3=w。 δu 軈j =0 平均连续方程： 軃i δx 平均动量方程： 軈i + ρu 軈i =- δp + δ ρ δu 軈j δu δt从无粘性到有粘性的几乎所有的流动现象[7-8]。将利 用 ANSYS 中的 CFD 来研究汽车空气动力学特性。
ZC XC ZC YC
（3 ）
脉动运动方程： ui =u 軈i + u i （4 ） u δ k i k 方程： ρ δk + ρu 軈j δk = δ +G- ρε （5 ） δt δ x j δ x j σκ δ x j 2 ui δε ε 方程： ρ δε + ρu 軈j δε = δ +Gg1G ε - ρGg2 ε （6 ） δt δ x j δ x j σε δ x j κ k 軈i + δu 軈j δu 軈i μ = μ + μ 其中， G= μi δu 0 l δ xj δ xi δ xj 式中： μ0 —流体动力粘性系数； μl —涡粘性系数； 它是鲍辛涅斯提出
第2期 2010 年 2 月
文章编号： 1001-3997 （2010 ） 02-0113-03
机械设计与制造
Machinery
Design
＆
Manufacture
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基于 Ansys 的汽车空气动力学特性分析
李毓洲 谭夏梅 梁明影
（广东工业大学 机电工程学院， 广州 510006 ）
The analysis of car aerodynamics characteristic based on Ansys
1 前言
汽车空气动力学特性是汽车的重要性能， 它是指汽车在流场 中受到的以阻力为主的包括升力、 侧向力的三个气动力及其相应 的力矩的作用而产生的车身外部和内部的气流特性、侧风稳定 性、 气动噪声特性、 驾驶室内通风、 空气调节等特性。随着汽车技 术的提高和高等级公路的发展， 汽车速度的不断提高以及汽车在 行驶时与空气相互作用的各种气动力也越来越显著， 在很大程度 动力性和稳定性。 迄今为止， 国内外汽 上影响着的汽车的经济性、 车空气动力学的研究一般采取试验法、 试验与理论相结合法及数 目的是为得到准 值模拟仿真研究法。试验法主要是指风洞试验， 确反映汽车行驶状态时的空气动力学特性数据， 其研究对象主要 有汽车空气动力特性和汽车各部位的流场。 风洞试验的结果精度 高、 可靠性好， 对研究外部气流干扰件的气动作用大小比较有效， 但风洞试验成本高、 周期长、 需要制作一系列的油泥模型等局限
軈 軈
軈 軈
軈
軈
来的， 主要取决于流场的湍流特性， 是流场空间位置的函数。满足 軈i + δu 軈j ρuiuj = μi δu （7 ） δ xj δ xi 式中： ρuiuj —由对动量方程平均化后得到的雷诺应力项。
軈
軈
涡粘性系数 μl 用 k 和 ε 表示， 根据量纲分析可得 ε μl = ρ k 对于 “标准” 的 κ-ε 模型， 其常数值为： σk =1.0， σε = 1.3， Cg1 =1.44， Cg2 =1.92， Cμ =0.09 标准 κ-ε 模型相对于其他模型来说具有简单易懂， 适用范围 广的优点。 但对了它自身来说还存在一些缺点： （1 ） 标准 κ-ε 模式 假定雷诺应力和当时当地的平均切变率成正比， 所以它不能准确 ） 标准 κ-ε 模式是各向同性 反映雷诺应力沿流向的历史效应； （2 的， 不能反映雷诺应力的各项异性， 尤其是近壁湍流， 雷诺应力具 有明显的各向异性， 例如方管中的二次流是由于雷诺正应力之差 产生的， 标准 κ-ε 模式不能正确表达雷诺正应力， 因此不能预测 到方管湍流的二次流； （3 ） 标准 κ-ε 模式计算量比较大， 但是随着 计算机技术的发展是可以克服的[10]。
5 结论
（1 ） 通过使用动力学显式积分方法进行啮合分析， 可以有效 地获得齿轮齿圈的动态受力状况。 （2 ） 当齿轮齿圈定位关系准确时， 发动机运转过程中齿轮齿 圈几乎不发生接触， 其运动规律符合周转轮系运动关系； （3 ） 大齿侧间隙会提供较大的安装裕度， 在保证启动时刻齿
参考文献
1 杜发荣，吴建，卫尧. 无连杆发动机活塞侧向力分析. 洛阳工学院学报， 1996， 17 （1 ） ： 37～42 2 向建华， 廖日东， 张卫正等. 高速大功率柴油机曲轴齿轮有限元分析技术研 究. 机械强度， 2006， 28 （4 ） ： 537～542 1994 （12 ） ： 39～40 3 朱洪钢. 无连杆发动机的研究. 汽车工艺与材料， 吴克坚编. 机械原理. 北京： 高等教育出版社， 2001 4 郑文纬，
＊来稿日期： 2009-04-06
性， 这些局限性大大阻碍了其在汽车设计的应用， 并且风洞试验 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， 此外风洞试验要精确研 不能获得整个流场中任意点的详细信息。 拖曳涡的形成和 究某些复杂的流动现象， 如层流向湍流的转变、 发展、 尾部涡系结构等， 其测量截面的选取在很大程度上主要依 靠经验，这样使得精确研究这些复杂流动和机理变得非常困难。 而在模型风洞试验中，还存在着动力相似和几何相似的影响、 试 验结果与实车的换算问题， 要得到准确的结果还有一定的难度[1]。 数值模拟仿真是借助于计算机将用 CFD 应用于汽车空气动力学 研究的方法， 其是在计算机上模拟吹风， 运用数值分析的方法计 算模拟汽车的空气动力学问题， 与风洞试验相比， 其有利于 CAD/ 不受风洞试验那样的条件限制； 可以获得比 CAM 系统的相衔接； 通常风洞试验更多的信息； 有利于节省开发时间和高昂的成本[2-6]。 实践证明， CFD 可以分析从定常到不定常， 从层流到湍流， 从不可
杆发动机的齿侧间隙也不可以按照常规齿轮的零侧隙设计， 大齿 侧间隙对于保证齿轮在一定的相位偏差下的平稳啮合、 有效减少 运转过程中啮合齿的接触都是十分有利的。
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轮冲击应力满足要求的前提下， 齿侧间隙越大越好； （4 ） 齿轮齿圈在加工过程中的相对相位偏差是导致打齿的主 要原因， 当齿轮相位偏转角度为 4o 时发生了严重的咬死现象。
图 1 车身几何模型
图 2 汽车纵向中心对称截面速度矢量分布图
3 数值模拟与仿真的物理模型
轿车绕流问题一般为定常、 等温、 不可压缩的三维流场， 由于 复杂外形会引起气流的分离， 应按湍流处理。采用标准 κ-ε 模型 来模拟， 其控制方程的一般形式为： div （ρv · gradψ ） =qψ 軃 ψ - Γψ 式中： ψ， Γψ， qψ —取不同的值时， 表示不同的方程。 汽车外流场时间控制方程如下：其中 i， j=1， 2， 3； x1=x， x2=y， （1 ）
4 模拟仿真结果
4.1 三维流场纵向中心对称截面速度矢量分布图
流场在汽车纵向截面处的速度分布图， 如图 2、 图 3 所示。描 述了空气绕汽车外部流过时的部分特征。
YC
XC
ZC XC YC
ZC
YC
XC
0
4.478
8.957
13.435
17.914 22.392
26.87 35.827 31.349 40.306
（2 ） δu 軈 + δu 軈 μ軈 軈 軈 δx δx 軈
e i j j j
2 汽车车身几何模型建立
车身几何模型建立的软件采用的 UG， UG 软件能为用户提 供一个全面的产品建模系统。 其将优越的参数化和变量化技术与 传统的实体、 线框和表面功能结合在一起， 以 Parasolid 几何造型 核心为基础， 并采用基于约束的特征建模和传统的几何建模为一 体的复合建模技术。利用 UG 建立车身几何模型。在建模过程中 将车身表面上 采用 Gauss 曲率作为车身曲面光顺性的评价指标， 各点的 Gauss 非负曲率值作为曲面光顺的评价依据， 并能以彩色 云图方式显示车身表面多点的 Gauss 曲率值， 若整张曲面的颜色 比较一致， 则曲面的曲率变化较为连续， 光顺性较好， 否则需要对 所以可以通 曲面进行修改。由于曲面是在曲线的基础上生成的， 过调节曲线来使曲面达到光顺[9]。同时基于工业设计及美学的考 虑， 汽车表面在多数情况下需要满足光顺的特性要求， 即避免在 光滑表面上出现突然的凸起、 凹陷等 “缺陷” 。把这种有特定要求 和用途的产品表面定义为 A 级表面。所以在模型建立后要检查 生成的曲面是否符合 A 级表面的特性， 检查方法如下： （1 ） 检查 单个曲线曲面 G（无 ） 、 G（相切 ） 、 G（曲率 ） 连续性， 用 Spline 曲线 0 1 2 （2 ） 检查曲线曲面连接的连续性， 用 分析和 B-surface 曲面分析； 曲线分析， 和曲面分析； （3 ） 检查两曲面间连接情况， 用偏离分析； （4 ） 检查、 保证曲面的一致外凸形， 用曲面分析中的高斯等值线 （1 ） 镜像处理。 法。此外在车身几何模型建立时需注意如下问题： 由于汽车是左右对称的， 故建模时只需构造其左 （或右 ） 半部分， 然后再作镜像复制， 但要注意， 在构造特征线时， 应使其在与对称 面的交点处与对称面垂直。 （2 ） 模型的完整性和无重合性。 为了方 便以后的流动数值模拟计算中的网格划分， 几何模型必须保证完 整性和无重合性， 即模型中既不能有断开的地方， 又不能有重合 的地方。 （3 ） 模型的近似处理。 在建模过程中对一些细微部分作了 近似处理， 省略了后视镜等一些凸起部分， 车身底部也近似处理 成为一个平面。 选择了某汽车作为参考车型， 通过 “反求” 并在 UG 的环境中建立其几何模型， 并对曲面造型的曲线的光顺性及整车 的曲面造型的光顺性进行检查， 几何模型， 如图 1 所示。