流线型轿车外流场的数值模拟

０ 前 言 汽车空气阻力主要由压差阻力 、 内流阻力 、 诱导阻力和摩擦阻力等 构 成 ． 压差阻力对空气阻力影响最 大， 约占 ８ 要减小汽车的空气阻力 ， 必须对汽车的空气动力学特性进行较为详细的研究 ． 汽车的空 气 ５％． 动力学性对汽车行驶的动力性 、 燃油经济性和操纵稳定性有非常重要的影 响 ． 与 风 洞 试 验 法 相 比， 运用计 方法研究汽车行驶中的外流 场 周 期 短 、 费 用 低， 因 此 得 到 了 越 来 越 广 泛 的 应 用． 算流体动力学 （ Ｃ Ｆ Ｄ） Ｃ Ｆ Ｄ 方法对于预测和改进汽车的气动性能 、 指导汽车产品设计具 有 重 要 意 义 ． 用Ｃ Ｆ Ｄ 技术研究汽车流场不仅 周期短 ， 而且对流体运动的认识在某种意义上比实验更深刻 、 更 细 致， 不 仅 可 以 了 解 运 动 的 结 果， 费用低 、
图 ４ 对称面上的压力分布云图 图 ５ 车身表面的压力分布云图 图 ６ 为流线型汽车模型对称面上的气流速度分布云图 ． 图 ７ 为流线型 汽 车 模 型 对 称 面 上 的 速 度 矢 量 图．
图 ６ 对称面上的气流速度分布云图 图 ７ 对称面上的速度矢量图 从图 ６ 中可以看出汽车前部和汽车尾部气流速度均接近于零 ． 汽车顶部的气流速度值最大 ， 汽车底部 但是比顶部气流速度要小 ． 在挡风玻璃和发动机罩的 转 折 处 气 流 速 度 较 小 ， 因为气 气流速度值也比较大 ， 流受到了挡风玻璃的阻挡 ． 从图 ７ 可以看出 ， 远方来流首先遇到汽车头 部 顶 点 ， 在 此 处， 气 流 大 量 阻 塞， 来 流速度变为零 ， 形成了一个比较大的阻滞区 ． 然后气流分成上下两部分 ， 一部分流向车顶 ， 一部分流向车底 部． 上部气流在车发动机盖前缘开始提速 ， 但很快受到挡风玻璃的阻挡形成 了 一 个 小 的 阻 滞 区 ， 然后又不 到前风窗后缘与顶盖前缘的交界处达到最大值 ， 之后气流速度下降 ， 但是维持在一个比较大的数 断加速 ， 值上 ． 顶盖附近气流经过后风窗上时 ， 由于后风窗倾斜度及表面曲率较大 ， 导致逆压梯度过大 ， 因而使气流 很快发生了分离 ， 同时在尾部形成了一 个 涡 流 区 ． 在 车 尾 部 有 负 的 速 率 分 布 区， 即 回 流 区． 本车身流线清
ｕ ２（ ｋ 珋 ｕ ′ ｕ ′ ２ ｓ ｋ） δ ＋ρ ｉ ｉ ｉ ｔ ｉ ｊ ＝－ ｊ＋ ｊ ρ μ ３μ ｘ ｋ
式中 μ 由下式给出 ： ｔ 为湍流粘性系数 ，
（ ） ５
ｃ κ μ ρ ｔ＝ μ ε 它们的输运控制方程为 ： κ、 ε 分别为湍动能和湍能耗散率 ，
２
（ ） ６
（ ） ｕ ｕ ｕ ｕ ２ ε ε μ ｓ ｃ ε｛ ＋κ － （ ＝ －ｃ ρ ＋ｃ ρ ε ρ με － σ ｘ ρ） ｘ） ３μ ｘ ｘ｝ ｘ（ ｘ κ μ κ
５ ／ （ （ ） ， 在Ｆ 计算区域入口处的边界条件为 Ｖ ＝５ 对应雷诺数为 ８． ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ中选择 ３ Ｄ 求解器 ． ０ｍ ｓ ６×１ ０
出口处的边界条件给定压力边界条件 ，即出口相对于远方流处的压力为 ０． 通道壁面 、 地面和车身 表 面 均 为无滑动墙面 ． 流动能 Ｋ 取 ０． ０ ２ ４，流耗散率取 ０． ０ １． ２． ３ 计算结果分析 通过计算模拟 ，可以得出流线型汽车模型的外围流场情况 ，包括任意截面上的流速矢量图和压力分 布图 ． 通过表面积分计算可得出气动力的 ６ 个分量 ， 并且可以得到汽车模型的阻力系数和升力系数等空气 动力特征参数 ． 图 ４ 为汽车模型对称面上的压力分布云图 ． 图 ５ 为车身表面 压 力 分 布 云 图 ， 从图中可以发 ， 现流线型汽车模型的前部表面压力最大 ， 为１ 车身正向迎风面基本处在范围在 ６ ９ ５ ０Ｐ ａ ０ ０～１ ９ ５ ０Ｐ ａ的 正压区 ， 因为气流在汽车前部受到了很大的阻碍 ． 另外发动机罩与前风挡玻璃的转折处也出现了一个比较
陕西科技大学学报 第２ ·６ ９卷 ４· 晰、 稳定 、 层次分明 ， 这说明本车外流场层流多 、 湍流较少 ， 此车的整体气动造型较为成功 ． 汽车前部与顶部 但是在尾部还是发生了气流分离 ， 形成了一个湍流区 ． 经过 计 算 得 出 该 模 型 的 阻 力 系 数 的流场比较稳定 ，
№． ５ 陕西科技大学学报 Ｏ ｃ ｔ ． ２ ０ １ １ Ｖ ｏ ｌ ． ２ ９ Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｓ ＨＡＡＮ Ｘ Ｉ ＵＮ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ Ｏ Ｆ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ＆Ｔ Ｅ ＣＨＮＯ Ｌ ＯＧ Ｙ · ６ １·
ｅ ｆ ｆ ε ｉ ｉ ｉ
２
ｕ ｕ ｕ ２ ｅ ｆ ｆ ｉ ｉ ｉ κ ｓ κ －μ κ ＋ρ ε－ ＝μ －ρ ｔ ｔ ｉ ｊ ｊ ρ μ ｘ ｘ ｘ ｘ ３μ ｘ σ ｉ ｉ κ ｊ ｊ ｊ
（
）
（ ） ７ （ ） ８
ｉ ｉ
ｊ
１ ε
ｔｉ ｊ
ｔห้องสมุดไป่ตู้
２ ε
４ ε
ｊ
ｊ
ｊ
为 ０． 升力系数为 －０． ２ ８， ０ ３ ５． ３ 结 论 （ ） 汽车前部的正压和汽车尾部形成的负压之差就是压差阻力 ， 气流分离形成涡流是产生压差阻力的 １ 主要原因 ， 减小气流分离是减小阻力的主要手段 ． （ ） 汽车车身上表面和汽车底部的压力之差形成了汽车升力 ． ２ （ ） 利用 Ｃ ３ Ｆ Ｄ 方法研究汽车的空气动力学特性可以为优化汽车的气动特性提供理论和直观依据 ．
陕西科技大学学报 第２ ·６ ９卷 ２· ｕ ｕ １（ ｉ ｊ ） （ ） ｓ ４ ＋ ｉ ｊ＝ ２ ｘ ｘ ｉ ｊ
１． ２ 湍流模型 采用标准的κ 即有 ： － ε 模型计算雷诺应力来封闭上述流动控制方程 ，
第５期 许建民等 ： 流线型轿车外流场的数值模拟 ·６ ３· ， 大的正压区 ， 压力为 ５ 因为气流在 此 处 形 成 了 较 强 的 涡 流 ． 车身顶部出现了非常明显的负压区， 负 ８ ９Ｐ ａ ， 汽车底部的压力处在 －１ 汽车底部与汽车顶部的压力差 压最大值为 －２ ４ ２ ０Ｐ ａ ２ ６ ０～ －１ ３ ３ ７Ｐ ａ的范围 ，
ｉ
ｉ
、ｋ 、 式中 ， ｃ ｃ ｃ σ ｅ ｔ； １、 ２ 和ｃ ４ 各项经验系数按表 １ 确定 ． ε、 ε ε ε ｆ ｆ ＝ μ σ μ μ＋μ 表 １ 经验系数
ｃ μ σ ｋ σ ε ｃ １ ε ｃ ２ ε ｃ ４ ε
２ 计算结果分析 ２． １ 计算模型的建立及网格划分 汽车外流场数值模拟 是 一 个 非 常 复 杂 的 过 程 ， 它包括
０． ０ ９ ０ ２ ２ ４ ４ ９ ２ －０． ３ ３ １． １． １． １．
很多方面的内容 ， 如几何物理模型的准确性 、 网格系统的质量 、 湍流模型 的 选 取 、 差 分 格 式 的 构 造、 边界条 在不改变流体轨迹整体走向的情况下 ， 将几何模型进行了 合 理 的 简 化 ， 如 车 灯、 后 视 镜、 门把 件的添加等 ． 手凹陷处等部件 ， 并以平整面替换车底的真实凸凹形状 ． 流线型汽车三维模型如图 １ 所示 ． 首先 利 用 三 维 软 件 ＵＧ 建 立 流 线 型 汽 车 模 型 ， 导入 Ｃ Ｆ Ｄ 软件 ， 建立数值模拟计算域空间后进行网格 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ的前处理软件 Ｇ ａ ｍ ｂ ｉ ｔ 化． 网格力求简单 ， 便 于 求 解， 网格复杂时则可能导致求解不精确甚 至不稳定 ． 计算网格的划分是数 值 模 拟 过 程 中 最 为 耗 时 的 部 分 ， 同时 网格的质量在很大程度上决定了 数 值 模 拟 结 果 的 精 确 程 度 甚 至 数 值 在本 次 数 值 模 拟 中， 为 了 实 现 对 网 格 的 疏 密 控 制， 对 模拟能否收敛 ． 图 １ 流线型汽车的三维模型图 每一条控制线单独 进 行 一 维 的 网 格 划 分 ， 再对各个面和体用手动划 分和自动划分相结 合 进 行 网 格 划 分 ． 轿车的外流场计算区域划分单
， 摘 要： 用 ＵＧ 对一流线型轿车进行了三维实体建模 ， 将其导入前处理软件 Ｇ 建立计算 ａ ｍ ｂ ｉ ｔ 域后网格化 ， 并用 Ｃ Ｆ Ｄ 软件 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ ＮＴ 对 汽 车 模 型 的 外 流 场 进 行 了 三 维 稳 态 流 动 数 值 模 拟 ， 得出了汽车模型的三维速度场和压力场 ， 为获得最佳空气动力性的轿车设计提供了直观依据 ． 关键词 ： Ｃ Ｆ Ｄ；汽车外流场 ；速度场 ；压力场 中图法分类号 ： Ｕ ４ ６ １． １ 文献标识码 ：Ａ
］ １ ４ － 而且可以了解整体的与局部的细致过程 ， 因此越来越受到了人们的重视 ［ ．
１ 流动数学模型 ５
［］
１． １ 流动控制方程 任何流体运动的动力学都是由质量守恒定律 、 动量守恒定律和能量守恒定律所确定的 ， 由它们可以分 别导出连续性方程 、 动量方程和能量方程 ． 即 Ｎ－ 对稳定可压多维流动 ， 有以下雷诺平均的质量 、 Ｓ 方程组 ． 动量恒方程 ： （ ｕ ＝０ ｊ） ρ ｘ ｊ （ ） １ （ ） ２
珋 式中 ， 由 ｒ ｏ ｎ ｅ ｋ ｅ ｒ数 ； ｕ ′ ｕ ′ ｓ δ ｉ ｉ ｉ ｊ 为Ｋ ｊ 为流体变形速率张量 ， ｊ 为雷诺应力张量 ； μ 为分子动力粘性系数 ； ρ
下式给出 ：
２ ０ １ １ ０ ８ ２ １ ＊ 收稿日期 ： － － ， 作者简介 ： 许建民 （ 男， 湖南省邵阳市人 ， 讲师 ， 硕士 ， 研究方向 ： 汽车 Ｃ １ ９ ８ １－ ） Ａ Ｅ 及关键零部件设计 ） 基金项目 ： 厦门市科技计划项目 （ ３ ５ ０ ２ Ｚ ２ ０ １ ０ ３ ０ ４ ０， ３ ５ ０ ２ Ｚ ２ ０ １ １ ３ ０ ３ ９
＊ （ ） １ ０ ０ ０ ５ ８ １ １ ２ ０ １ １ ０ ５ ０ ０ ６ １ ０ ４ 文章编号 ： － － －
流线型轿车外流场的数值模拟
许建民 ，易际明 ，赵 军 ，丁 涛
（ ） 厦门理工学院机械工程系 ，福建 厦门 ３ ６ １ ０ ２ ４
ｐ （ ｕ ｕ τ ＝－ ＋ｓ ｉ－ ｉ ｉ ｊ ｊ） ρ ｘ ｘ ｉ ｊ ｊ 其中ｓ 这里表示催化器载体阻力 ； 对牛顿流有 ： τ ｉ 为源项 ， ｉ ｊ 为应力张量 ，
２ ｓ τ ｉ ｉ ｊ＝ ｊ－ μ（
ｕ １ ｋ 珋 ｕ ′ ｕ ′ δ －ρ ｉ ｉ ｊ） ｊ ３ ｘ ｋ
（ ） ３
形成升力 ． 流线型汽车模型尾部的压力值在 ４ 它和汽车前部表面压力之差即为压差阻力 ． 这部 ５ ０Ｐ ａ左右 ， 分阻力占总阻力的主要部分 ， 要想降低汽车的气动阻力 ， 必须设法使尾部的压力升高 ， 以此降低压差阻力 ．
图 ２ 计算区域对称面网格图 图 ３ 风洞模型网格图
元总数最终为 ３ 计算区域对称面网格图如图 ２ 所示 ． 根据经验 ， 流场仿真计算所取的计算域到达一 ６ ４ ０ ９ ７． 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 ３ 侧面取 ４ 上部取 ４ 汽车后部取 ６ 风洞模型网格图如图 ３ 所示 ． Ｌ， Ｗ， Ｈ， Ｌ． ２． ２ 边界条件设定