汽车外流场分析报告

目录

1 概述 (1)

2 计算流体动力学（CFD）软件——FLUENT简介 (1)

3 模型前处理 (1)

3.1CATIA模型的前处理 (1)

3.2有限元模型的前处理 (2)

4 模型求解及结果分析 (3)

4.1模型求解设置 (3)

4.2求解结果分析 (3)

5 空气阻力系数的计算 (6)

6 结论 (6)

1 概述

汽车行驶时，周围的空气与其产生相对运动，形成对流。汽车行驶的速度越快，该气流对汽车影响的作用越大。所以，现代汽车设计中必须考虑空气动力对汽车的作用，要研究其对汽车主要作用性能的影响，以此指导汽车新产品的造型和结构设计工作。

空气动力特性影响着汽车的经济性、动力性、操纵稳定性、视野、污染、振动、汽车噪声、车身内室的通风换气、汽车空调及汽车重要部位的热状态。随着高速公路的发展，汽车高速行驶是汽车的常用工况，汽车的空气动力特性成为汽车主导地位的特性。例如，汽车行驶车速超过100km/h，汽车的行驶阻力主要就是空气阻力，决定了汽车燃料消耗、加速性能、最大车速等。

为了达到设计要求，往往需要进行大量的实验，而大量的测试手段需要耗费的成本很高。为了减小试验成本，在早期车型开发中，应用CFD数值模拟可为车身气动外形的初选提供依据，方便、直观地了解汽车各部分的分离情况和尾部涡系结构及分布情况，初步计算出整车的风阻系数，为进一步细化设计提供依据。

2 计算流体动力学（CFD）软件——FLUENT简介

这里使用计算流体动力学软件FLUENT进行车身外流场的分析，下面对该软件作一简要介绍。

FLUENT是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用CFD软件。FLUENT提供了灵活的网格特性，用户可方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。对于二维问题，可生成三角形单元网格和四边形单元网格；对于三维问题，提供的网格单元包括四面体、六面体、棱锥、楔形体及杂交网格等。FLUENT 还允许用户根据求解规模、精度及效率等因数，对网格进行整体或局部的细化和粗化。对于具有较大梯度的流动区域，FLUENT提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。

3 模型前处理

汽车车身表面存在大量细小特征，要精确地模拟所有这些特征，经常会导致生成的网格单元数目巨大，从而使得求解时的计算量也成倍增加，所以对模型进行必要的简化和几何清理就显得尤为重要。

3.1 CATIA模型的前处理

在CATIA中将汽车模型作合理的简化：为减少网格量，从而减小求解规模，认为整车几何左右完全对称，取驾驶员侧半车模型作为求解模型；保留轮胎、后视镜等部件；底盘的模拟较困难，模型中用分段平面来近似实际的凹凸形状；将车身表面的碎面缝合起来，形成若干个大的特征表面，即将整个汽车简化为封闭的壳体；在汽车四周形成一适当大的空气域（如45m×8m×6m）。几何简化后模型如图1所示。

图1 半车几何模型

3.2 有限元模型的前处理

网格生成采用贴体网格，由于主要关心车身周围的流场变化，特别是由于车身的影响使得车身周围的流体有分离与再附着现象，为了较合理的模拟车身表面附近的空气流动，在车身外做边界层网格，边界层以外随着远离车身外表面网格逐渐变大。本模型中车身的外表面生成为非结构化的三角形网格，单元大小为10~20mm左右；车身外的空气域生成为非结构化的四面体网格，长度为20~500mm左右。单元总数约70万，网格总体连续、均匀、美观，过渡平缓。

图2 整车外表面有限元模型图

4 模型求解及结果分析

4.1 模型求解设置

1)采用有限体积法（FVM）进行数值计算，把计算区域分为n个小的区域，分别进行

积分，以求离散化，用差分的形式导出离散式，兼备了有限元法和差分法的性质。

2)考虑汽车的速度，流动属不可压流体力学范畴，计算中采用的数学模型是N-S（纳

维尔-斯托克斯）方程组，离散后求解。

3)计算中根据汽车的最大车速128km/h，确定仿真的进口风速为35.5m/s（进风速度为

128*1000/3600/=35.5m/s，试验一般要求试验风速至少不低于汽车的最大车速）。

4)设风洞入口边界条件为

035.5/

u m s

=，出口边界条件为自由条件；空气的密度为

1.2253

/m

kg；计算中不考虑温度的影响；由于计算机硬件条件的限制，采用Realizable ε

-

k湍流模式和non-equilibrium wall functions壁面函数；紊动能

in

k和

紊动能的耗散率

in

ε选用默认值；计算选择二阶迎风格式。

5)速度与压力之间的耦合采用SIMPLE算法，从连续式中导出的压力修正式求压力修正

量，从修正量中求速度。

6)收敛判断条件的所有物理量的容差为1.0E-4，各个方程的松弛因子采用默认的设置。

4.2 求解结果分析

根据上述模型及边界条件进行外流场计算，现将计算结果整理如下：

图3 车身表面压力分布

车身表面压力分布体现车身局部及整体的气流流态，对改善汽车空气动力性能、减小车身表面污染、确定通风换气进出口位置并避免废气及灰尘进入等方面提供许多有益的启

示，车身外表面压力云图见图3。

图4 车身前部速度分布图

尾部漩涡区

图5 车身后部速度分布图

图4和图5反映的是该车车体前后的表面速度分布，通过观察可以发现：车体前方的来流，由于车体的阻碍，一部分向车底部流去，大部分向顶部和侧面流去，并且基本上呈