汽车外流场fluent仿真设计与分析

汽车外流场Fluent仿真设计与分析

SC12013043 高志谦

摘要：汽车车型是汽车的重要特性之一,它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性与安全性。而汽车外流场的压强分布则是比较各车型优劣的一项重要参考依据。本文通过Fluent软件对不同外形的车辆进行外流场仿真计算，并得出其外流场压强分布。通过比较分析得出各种车型的优势与劣势。

关键词： Fluent，汽车外流场，压强分布，车型

1、引言

近几十年来，汽车工业迅速发展，除了在发动机等内部器件方面进展迅速以外，对汽车外形的设计也有了很大的突破和提高。汽车的外形设计一方面是为了满足消费者对汽车的美观要求，另一方面也可以通过外形设计减小汽车运行时的空气阻力，从而提高速度；与此同时，汽车运行时会由于空气作用产生升力，是汽车运行时稳定性大大下降，因此也可以通过外形设计减小升力，使得汽车行驶时稳定性安全性大大提高。

而Fluent公司是目前世界上最大的计算流体力学(CFD)软件供应商。在全球众多的CFD 软件开发、研究厂商中，Fluent独占了大约40%以上的市场份额。而汽车领域更是Fluent 公司最为重视的行业之一。几乎全球所有知名的汽车厂家都是Fluent的用户。因此，本设计中，主要通过Fluent对汽车外流场的压力分布进行仿真设计与分析。

如今最常见的汽车类型有三种：四人小轿车、面包车和小货车。因此本文主要通过对这三种类型的汽车进行gambit建模，并划分网格。再用fluent进行迭代计算，得出相同条件下三种汽车的外流场压力分布图。并通过分析，得出各种车型的优点与劣势。

2、四人小轿车的建模和计算

1、建立汽车模型

本设计中，四人小轿车长宽高依次为3.6m*2m*1.5m,（其中，车高是从地面到车顶距离）。轮胎直径为0.7m，胎宽为0.2m。并将汽车套在一个尺寸为10m*4m*4m的长方体中，作为待分析的汽车外流场区域。汽车以60km/h的速度行驶（16.67m/s），具体汽车模型如图所示：

2、划分网格

对汽车外流场区域划分网格，网格尺寸为0.15。其余设置如下图所示。

3、定义边界层类型

该模型中，我们近似地认为汽车静止，而风从左边的面中灌入，从右边的面中逸出，地面以和风相同的速度向右移动，而中间其余三个面以及汽车表面都是固壁。

因此，入口壁面定义为velocity_inlet（命名为inlet），出口壁面定义为pressure_outlet（命名为outlet），其余面均定义为wall，为了后面方便将地面和汽车表面取出来，分开定义，并命名为ground和car。

4、fluent条件设置

1）、将msh文件导入fluent中，check之。由于该过程运动速度较大，且气体可压缩，因此选用耦合求解器（具体在后面设置）。

2）、上文中已经提到，假定汽车速度为60km/h(16.67m/s)。

考虑雷诺数：Re=vd

υ=16.67∗2

14.8∗10−6

=2.25∗106

因此该模型显然是湍流模型，故选用k-e求解模型。

3）、定义材料为空气，参数默认

4）、设置操作条件，重力存在，方向为z方向向下。

5）、设置边界条件，空气入口速度为16.67m/s。同时，相对车而言，地面也以16.67m/s 的速度运动。其余保持默认。

6）、选用耦合求解器

将pressure-velocity coupling一栏中原本的simple改为Coupled，其余参数均保持默认。

7）、初始化设置为从inlet开始计算

8）、设置残差值为10−5。

9)、设置迭代，并预计迭代500次。

如图，迭代到100次以后各项残差基本保持稳定，但continuity曲线残差值相对还是较高，故通过报告中的质量流量观察连续性方程是否收敛。

显然进口质量等于出口质量，连续性方程没有问题，故认为质量残差值收敛。

5、四人小轿车外流场压力分布图

通过上面计算，可以得到四人小轿车的外流场压力分布云图。具体图像如下所示：从前往后看：

从后往前看：

车身压力分布等值线：

车身中心面上压力分布图（车子在向左行驶）：

3、面包车的建模和计算

1、建立面包车模型

建立长宽高尺寸为3.6m*2m*1.8m，轮胎直径为0.7m，轮胎厚度为0.2m的面包车模型。如图所示：

2、划分网格

以0.15为网格尺寸划分网格，其余设置见下图：

3、设置边界层类型

与上面的四人小轿车边界层类型类似，风从左边面进入，从右边面出，地面以16.67m/s 的速度向右运动，其余面均为静止的wall。

因此左面设为velocity-inlet，右面设为pressure-outlet，其余均是wall。为后面使用方便分别将地面命名为ground，汽车表面命名为car。

4、fluent参数设置

Fluent具体参数设置与上文中四人小轿车完全相同，在此就不多做赘述，直接进行迭代，得到残差图如下所示：

收敛得不是很稳定，尤其是continuity曲线，同上文所述，查看流量报告。

显然进出口流量相同，因此认为continuity曲线收敛成功。

5、面包车外流场压力分布图

从前往后看：

从后往前看:

车身压力分布等值线：

车身中心面上压力分布图（车子在向左行驶）：

4、小货车的建模和计算

1、建立小货车模型

如下图所示建立长宽高尺寸为6m*2m*2.5m，轮胎直径0.7m，轮胎厚度0.2m的小货车模型。

2、划分网格

与上面类似，划分尺寸为0.15的网格，其余参数设置如图所示。

3、定义边界层类型

与前文所述完全一样，风从左边面进入，从右边面出，地面以16.67m/s的速度向右运动，其余面均为静止的wall。

因此左面设为velocity-inlet，右面设为pressure-outlet，其余均是wall。为后面使用方便，分别将地面命名为ground，汽车表面命名为car。

4、fluent参数设置

与前面一样再次不多做解释。给出计算残差图：