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在汽车空气动力学研究中的应用

作者:188金宝搏的网址 发布时间:2020-09-22 06:21 点击数:

  在汽车空气动力学研究中的应用_交通运输_工程科技_专业资料。·FI。UENT在汽车空气动力学研究中的应用· 文章编号:1002-4581(舵)一∞38一惦 FLUENT在汽车空气动力学研究中的应用 冯宜彬,过学迅 FENG Yi—bin,GUO Xue—x

  ·FI。UENT在汽车空气动力学研究中的应用· 文章编号:1002-4581(舵)一∞38一惦 FLUENT在汽车空气动力学研究中的应用 冯宜彬,过学迅 FENG Yi—bin,GUO Xue—xun. (武汉理工大学汽车工程学院,湖北武汉430070) 摘 要:文中简要介绍了汽车的空气动力学特性以及FLUENT软件的主要特点,并对汽车外流场数值分析中的有 关理论基础进行了探讨。着重讨论了FLUENT软件在汽车空气动力学研究中的应用.并给出了应用实例。 关键词:FLUENT;k-£模型;汽车;空气动力学 中图分类号:U461.1 文献标识码:A 0引 言 构造节约型、环境友好型社会,是目前我国 面临的一项重大课题,节能、安全与排放是当今 玉玉亚圈口卜q[i巫圈巫口q№]亟函巫固Hj卜巫[互 !塾堡堕J r1塑塑丝堕丛l H!墨璺塞壁l H望垦:墼垫 汽 汽车工业的三大课题。众所周知,在研究汽车空 尘土污染 叫有效空间 气动力学时风洞实验既费时又昂贵,而随着计算 机和计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的计算流 体力学(CFD Computational Fluid Dynamics)则 为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。 FLUENT软件集三维实体造型、空气动力学计 算、计算结果图形化等功能于一身,可以对复杂 几何外形建立准确的三维实体模型,并对其进行 空气动力学计算,得到可视化的图形结果,用来 指导产品的开发、设计。 车身上产生一个气动力F。通过大量的实验研究, 可以用下面较简练的式子来表示这个气动力[1]: 1 ’ 户q.sc,=下1 PtJ=,sC, (1) ‘ 式中:F为气动力;P为空气密度;口一为汽 车与空气相对速度;S为汽车迎风面积;c,为气 动系数。气动力的作用点也称风压中心,通常用 C.P表示(Center ofPressure,简称C.P)。 汽车空气动力学特性 为了便于分析,需将这些力的作用都放在汽 车的重心(C.G)上来。这样就产生了气动力 1.1汽车空气动力学的研究内容 汽车空气动力学对汽车性能有广泛的影响, 寻求这十几项(如图1所示)的改善正是从事汽 车空气动力学研究的主要目的。 矩[1]: 气动侧倾力矩:恤=兄·Y。-F,·zc=qSICq(2) 气动横摆力矩:Mr=兄·zc.Fz·X。=qSlCA(3) 气动纵倾力矩:%=目·Xc-Fx·Yc=qSIC脚(4) 式中:q、CN、C村分别为气动侧倾力矩系数、 1.2汽车气动力和气动力矩 气动横摆力矩系数、气动纵倾力矩系数;X。、y“ 汽车与空气相对运动并相互作用,会在汽车 磊为风压中心到重心的坐标值。 ·38· 万方数据 2 FLUENT软件简介 FLUENT软件的最大特点是具有专门几何 模型制作软件Gambit模块,并可以与CAD连接 使用,同时备有很多附加条件和附加方程添加接 口,使用了目前较先进的离散技术和计算精度控 制技术,如多层网格法、快速收敛准则以及光滑 残差法等,数学模型的离散化和软件计算方法处 理较为得当。实际应用中发现,该软件在模拟单 相流动或进出口同向或反向流动时,可以得到较 好的模拟计算结果,且具有一定的计算精度。 FLUENT软件包主要具有常用的6种湍流数学 模型、辐射数学模型、化学物质反应和传递流动 模型、污染物质形成模型、相变模型、离散相模 型、多相模型、流团移动模型、多孔介质、多孑L泵 模型等。 FLUENT软件的核心部分是纳维-斯托克 斯(Navier-Stokes)方程组的求解模块。用压力 校正法作为低速不可压流动的计算方法,包括 SIMPLE、SIMPLEC、PISO三种算法。采用有限体 积法离散方程,其计算精度和稳定性都要优于传 统编程中使用的有限差分法。而对可压缩流动采 用耦合法,即将连续性方程、动量方程以及能量 方程联立求解。 FLUENT软件主要由前处理、求解器以及后 处理3大模块组成。采用自行研发的GAMBIT 前处理软件来建立几何形状及生成网格,然后由 FLUENT进行求解。FLUENT软件进行流体流动 与传热的模拟计算流程如图2所示。 图2 Fluent软件的程序结构 ·FLUENT在汽车空气动力学研究中的应用· 3 FLUENT在汽车空气动力学研究 中的应用 3.1 FLUENT在汽车外流场数值模拟中的应用 3.1.1控制方程与湍流模型 汽车外流场为等温、不可压、定常流场,控制 方程为不可压平均N-S方程,可用线性或非线性 方法进行求解。其中,非线性方法雷诺平均N—S 方程组法,被广泛应用于汽车外流场分析中。由 于引入了未知的附加雷诺应力项,需要采用湍流 模型来解决RANS平均方程组封闭问题。通常 引入相应的湍流模型为k一£二方程模型,该模 型是由Launder-Spalding(1974)和Rodi(1980) 建立的,在工程中得到了广泛地应用。 鲁+质量M守华恒方+程v:警乒切华=o(5) 掣+d动iv量(守P/恒z方u程 )=:di、r(/卫grad/z)-鲁+sp 掣+div(舢)=diV(/z (6) grad秽)一鲁峨 (7) ≈}+div(pwu)2diV(/比grad训)一誓峨 P } }北 乐 汽 车 (8) 上式中p是动力粘度,grad()习()/诜+方()/ 3y+a()/az,符号s。S和&是动量守恒方程的 广义源项。 湍流动力能方程(k方程)和耗散能(£方 程): 在FLUENT中,关于k一£方程如下: 。。嚣。戥戤。毓。豁嚣~ p誓+P历鲁2毒[(肛+告)普卜 pt等(等+等h8 P-跳Ti-+p五鲁=奇【(p+也tYt’瓦tge卜 孚p。等(等+丑Oxi)-C2p}2 L yJ 万方数据 -FLUENT在汽车空气动力学研究中的应用· 湍流粘性系数p。如下定义:pI.PCp}, 6 C,是经验常数。 采用五-8模型来求解湍流问题时,控制方 程组包括连续性方程、动量方程、后方程、£方程 以及式肛。。湍流方程组中引入了3个系数(c0, C。,Cz)及2个常数(盯t,tlr。),通过一系列对液 体和空气的试验,经验值为: Co=0.09,Cl-1.44,C2=1.92,or严1.0,tr,=1.3 3.1.2汽车外流场数值模拟的步骤 (1)建立所研究问题的物理模型,再将其抽 象成数学力学模型。 (2)用CAD软件建立汽车形体及三维流场 区域,形成计算区域的CAD模型。 (3)将计算域进行空间网格剖分。 (4)CFD软件调用前面形成的模型及数据 文件。 (5)确定边界条件,包括人口与出口处的边 界条件、壁面边界条件。边界条件在数学上要满 足适定性,在物理上要具有实际意义。要注意在 考虑了相对运动和地面效应等之后的边界条件 的确定,不要矛盾和重复。 (6)设定具体的求解过程和精度的一些控 制参数和条件,对需要分析的问题进行求解,结 果以数据文件保存。 (7)进入后处理,读取计算结果文件,可以 用图形表达出来。观察其结果,若与真实情况不 符,则重复上述步骤直到得到满意的数值解。 3.1.3应用实例 使用FLUENT软件对小货车和电动客车外 形进行设计、对外流场进行数值模拟。对流场分 块,各个分区用手动划分和自动划分相结合进行 网格划分。使用_|}一E模型的流场进行模拟,得到 相应的对称面上的流线所示)、 气流速度矢量图和压力矢量图。对图中反映的情 况进行分析,对于小货车,从而得出加装导流罩 后,驾驶室上方与车厢之间存在的涡区几乎消 失,这对于减小阻力无疑是有一定作用的,事实 上计算的结果也是如此,加装导流罩后,货车受 到的阻力大小、气动阻力系数、气动升力系数,分 ·40· 别是未加装导流罩的89.4%,89.6%和81.7%,由 此可见,导流罩对减小气动阻力系数有不错的效 果。对于客车,可以改进客车的风窗玻璃倾角、顶 部和侧部的过渡、头部下缘向底部过渡的流线型 设计,得到更好的气动分量、阻力系数和升力系 数,提高了客车的性能。 图3未装导流罩小货车对称面上流线加装导流罩小货车对称面上流线 FLUENT在轿车空调风道设计中的应用 轿车空调风道自出风口至仪表盘散热器前 的一段风道是连接制冷系统与轿车车室的中间 环节,对整个轿车空调系统的性能有着重要的影 响。车室内的舒适性要求仪表盘各送风口的风量 按一定的规律分布,因而风道内气流的流动特性 显得非常重要。传统风道设计方法存在设计周期 长,复杂三维流场测试花费高等缺点,所以利用 CFD方法进行风道优化设计成为目前的主流。 利用FLUENT对轿车空调风道进行优化设 计[51,在建立风道系统中的空气模型时,对几何 模型作如下简化:风道系统密封良好,除进风El 和出风VI外没有空气泄漏;空气为不可压缩流 体,且密度为常数;吹脚风门和除霜风门关闭, 只有仪表板送风口开启。在网格划分时采用区 万方数据 域扩充法,在风道外部某些区域扩充计算区域, 使整个计算区域尽量趋于规则。计算采用k一8 紊流模型,进口边界条件为压力进口,出口边界 条件假定3个出风El均为大气压力,风道壁面 无滑移。 经计算发现,驾驶员一侧和中央出风口的出 风量偏大,考虑到乘坐室内各个位置的舒适性, 应尽量使出风量分布均匀,不宜集中。于是在这 个计算结果的指导下,在中央风道处加导流板, 得到新的计算模型,经FLUENT再次计算,图5、 图6为改进后模型的空气压力与速度分布图【5]。 ·FLUENT在汽车空气动力学研究中的应用· 时汽车超车过程的空气动力特性具有十分重要 的意义。 对汽车超车过程外流场的研究,可采用稳态 研究和瞬态研究相结合的方法。采用有限体积 法、二阶迎风格式和SIMPLE算法进行稳态模 拟。采用网格变形和局部网格重构相结合的动网 格技术,并耦合刚体动力学方程和PISO算法进 行瞬态模拟。图7、图8为瞬态模拟过程中的两 个典型的压力分布图[6]。 图5新模型的空气压力分布图 图7瞬态模拟初期压力分布图 l北 ’.乐 j汽 i车 图6新模型的空气速度分布图 研究发现经过改进,各个出风口出风量的分 配基本满足了设计要求,达到了期望的优化目 标。 3.3 FLUENT在汽车超车过程中空气动力特性 研究中的应用 汽车高速超车时,车身周围的空气流场之 间将会产生强烈的气动干扰,不仅严重影响汽 车的气动特性而且危及汽车的操纵稳定性和行 驶安全性。目前,针对汽车超车过程外流场的研 究较少,难以控制超车不当引发的交通事故。因 此利用CFD方法,利用FLUENT软件研究高速 图8 瞬态模拟两车平行时的压力分布图 然后将稳态与瞬态模拟结果进行比较,可以 得出超车过程中汽车之间的纵向相对位置对气 动特性的影响规律以及气动力对汽车行驶稳定 性的影响,从而为汽车智能控制和交通安全系统 的研究提供理论依据。 4结束语 在汽车空气动力学研究领域,由于FLUENT 具备强大的计算能力,能够得到精确的计算结果, 目前它正在被大量地应用于汽车空气动力学以 及整车和零部件的设计开发中。文中讨论的三个 ·4l· 万方数据 ·FLUENT在汽车空气动力学研究中的应用· 应用方向只是FLUENT在汽车空气动力学研究 中的冰山一角,诸如气动噪声、车轮轮辐开孔对 汽车外流场影响等方面的研究均是FLUENT所 能完成的。 尽管我国在汽车空气动力学实验和理论研 究方面起步较晚,但汽车空气动力学的计算机仿 真为我们在该领域尽快赶上发达国家的研究水 平提供了新的契机。因此,为提高我国汽车自主 开发的能力,开展汽车空气动力学的计算机仿真 理论和方法的研究具有极为重要的现实意义和 重大的战略价值。 参考文献 [1]谷正气.汽车空气动力学[M].人民交通出版社,2005. [2]王森,等.FLUENT在汽车外形设计中的应用[J].机械 设计与制造,2005。(4):71~73. [3]莫乃榕.工程流体力学[M].武汉:华中科技大学出版 社,2000. [4 J韩占忠,等.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用 [M].北京:北京理工大学出版社,2004. [5]尚明,等.CFD在轿车空调风道优化设计中的应用 [J].汽车科技,2005,(3). [6]傅立敏,等.汽车超车过程的空气动力特性研究[J].空 气动力学报,2007,25(3). [7]许涛,过学迅.FLUENT在汽车工业中的应用[J].北 京汽车,2006,(5). [8]姜乐华。谷正气.CFD在汽车空气动力学研究中的应 用[J],湖南大学学报(自然科学版),1997。24(4). [9]李勇,等.介绍计算流体力学通用软件-FLUENT[J]. 水动力学研究与进展,2001,16(2). [10]张杨军,等.汽车空气动力学数值仿真研究进展[J]. 汽车工程,2001,23(2). 收稿日期:2007·12·18 望望望ZXIXXXXXXIX!!l!篁篁!¥Ⅺ螋篁Z!篁望望望望望望望XXXXlIIIIIXIIIX望篁篁!!l篁l!!!!l女! (上接第10页) 说明前排乘客的舒适性要好于后排乘客。 图6是车室某纵剖面的稳态温度分布,进一 步论证了上面的论述。 图6 车室某纵剖面的稳态温度分布 4结束语 空调车室内瞬态流场和温度场的数值模拟 是一复杂热边界条件流动与传热数值计算问题。 采用FLUENT软件来进行分析,考核空调系统 能否达到预定的设计要求并计算特定位置到达 设计温度的时间,能够合理地得到车室内气流的 .42. 组织情况、温度分布和进行舒适性评价。为空调 系统的设计及改进提供有利的参考。 参考文献 [1]Ham J,Fujitani k et a1.Computer Simulation of Passenger Compartment Air-flow[C].SAE paper 881749,1988. [2]Tohru Komoriya. 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