计算流体力学实例

汽车外部气体流动模拟

振动和噪声控制研究所

1.模型概述

在汽车外部建立一个较大的长方体几何空间，长度约为30m，宽度和高度约为5m，在空间内部挖出汽车形状的空腔，汽车尺寸参照本田CRV为4550mm*1820mm*1685mm。由于汽车向前开进，气体从车头流向车尾，因此将汽车前方空间设为气体入口，后方空间设为气体出口，模拟气体在车外的流动。另外为了节省计算成本将整个模型按1:100的比例缩小，考虑到模型和流体均是对称的，因此仅画出几何模型的一半区域，建立对称面以考虑生成包含理想气体的流体域。在Catia中建立的模型如图1.1所示。

图1.1几何模型

2.利用ICEM CFD进行网格划分

a)导入有Catia生成的stp格式的模型；

b)模型修复，删除多余的点、线、面，允许公差设为0.1；

c)生成体，由于本模型仅为流体区域，因此将全部区域划分为一个体，选取方法可以

使用整体模型选取；

d)为了后面的设置边界方便，因此将具有相同特性的面设为一个part,共设置了in，

out，FreeWalls，Symmetry和Body；

e)网格划分，设置Max element=2，共划分了1333817个单元，有225390个节点；

f)网格输出，设置求解器为ANSYS CFX，输出cfx5文件。

3.利用ANSYS CFX求解

a)生成域，物质选定Air Ideal Gas，参考压强设为1atm，浮力选项为无浮力模型，

域运动选项为静止，网格变形为无；流体模型设定中的热量传输设定为Isothermal，流体温度设定为288k，湍流模型设定为Shear Stress Transport模型，壁面函数

选择Automatic。

b)入口边界设定，类型为Inlet，位置选定在in，质量与栋梁选定Normal Speed，设

定为15m/s，湍流模型设定类型为Intensity and Length Scale=0.05，Eddy

Len.Scale=0.1m。

c)出口边界设定，边界类型为Outlet，位置选out。质量与动量选项为Static

Pressure，相对压强为0pa。

d)壁面边界设定，边界类型为Wall，位置选在FreeWalls。壁面边界详细信息中指定

WallInfluence On Flow为Free Slip。

e)对称边界设定，边界类型为Symmetry，位置选在Symmetry。

f)汽车外壁面设定，边界类型为Wall，位置设在Body，壁面详细信息选项中指定Wall

Influence On Flow为No Slip，即汽车壁面为无滑移壁面。

g)初始条件设定，初始速度分量设为U方向为15m/s，其他两个方向的速度为零。

h)求解设置，残差类型选为RMS，残差目标设定为1e-5，当求解达到此目标时，求解

自动终止。求解之前的模型如图3.1所示。

图3.1求解之前的模型

4.结果后处理

从图4.1中可以看出计算收敛。

图4.1残差随计算的变化图

4.1创建对称

由于前处理中设置了对称面，为反应整体几何图形，创建场景转换，对称几何模型。如图4.2所示。

图4.2镜像几何模型

4.2生成车头附近区域气体速度矢量图

在车头附近创建平面，创建速度矢量图如图4.3所示。

4.3车体表面压强云图

4.4创建汽车外表面空气流线

图4.5汽车外表面空气流线

5．总结

本文建立了汽车外部气体流动的流域模型，实现了外流场模拟，得到了车头附近区域气体速度矢量图、车体表面压强云图和汽车外表面空气运行轨迹的流线图。完成了仿真的整个过程。

但是由于流体力学知识的限制以及初次接触ANSYS CFX，没有进行网格无关性检验，而且由于计算机计算量的限制，对模型进行了缩小，没有考虑模型缩小对仿真的影响。

[参考文献]

[1]谢龙汉，赵新宇，张炯明.ANSYS CFX流体分析及仿真[M].电子工业出版社，北京，2012.