后扰流板对轿车气动特性影响的数值模拟仿1

后扰流板对轿车气动特性影响的数值模拟仿真 摘 要空气动力学特性参数作为汽车最重要的性能参数之一对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性等有着极其重要的影响。随着道路、交通条件的不断改善，轿车在行驶中高速行驶的时段越来越多。随着车速的提高，车身周围气流作用于轿车的气动升力也会相应增大，这样就降低了轿车的地面附着力，严重影响轿车的操纵稳定性和行驶的安全性。为了解决高速行驶轿车升力过大的问题，可以在轿车尾部加装后扰流板，通过扰流板产生的下压力来减小轿车的气动升力。汽车后扰流板在轿上不同的位置以及它的不同形状对轿车气动特性的影响是不相同的，因此，如何选择汽车后扰流板的位置参数和形状参数就成为通过加装扰流板改善高速行驶轿车气动特性的关键 本文阐述了汽车空气动力学特性研究的背景和意义，以及进行空气动力学模拟研究的发展和应用现状，研究了汽车外流场数值模拟的理论基础。以某款轿车模型为研究对象，以计算流体力学软件FLUENT为工具，利用移动边界条件进行三维数值模拟，分析了模型加装后扰流板前后的外流场，研究了后扰流板的攻角对汽车空气动力学特性的影响情况。计算结果表明，后扰流板的合理安装可以改善尾流结构，优化汽车空气动力学特性。 本文主要工作如下： 1分析后扰流板对汽车空气动力学特性影响的背景和意义，研究汽车外流场数值模拟的理论基础。 2在 20m/s 和 40m/s 两种车速下，研究汽车的空气动力学特性，分析汽车模型在加装后扰流板前后空气动力学特性的变化。 3研究汽车后扰流板不同攻角重要参数变化对汽车的空气动力学特性的影响。研究结果表明，后扰流板的合理安装对于改善汽车空气动力学特性具有重要意义。 关键词：计算流体动力学，空气动力学，外流场，汽车，后扰流板 AbstractThe aerodynamic characteristics is one of the most importantparameters for road vehicles (especially for passenger cars and racing car),which has a great effect on the performance, fuel economy and handlingquality. As the roads condition improved, vehicles have more and moretime driving in high velocity With the increase of vehicles velocity, theaerodynamic lift produced by this kind of varies will become heavier, whichwill reduce the ground adhesion and can do harm to the performance and lower the passengers security. To reduce the aerodynamic lift of the car with high velocity, we could set a tail wing on the rear hood of the car. Because different position of the tail wing to set and different shape of the tail wing have different influence in aerodynamics. So, it is important to choose the suitable location parameter and shape parameter to improve the aerodynamics characteristics of the car with high velocity. The background and the meaning of automobile aerodynamics were introduced firstly by this thesis,and it can be concluded that Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis is an important method inautomobile aerodynamics research. The theory basic of the car external flow field was studied. Theaerodynamic characteristics of a simplified car model were studied with numerical simulationmethods of moving ground boundary condition with the CFD software FLUENT. The external flowfield was analyzed, and the aerodynamic characteristics of the car with rear spoilers at differentpositions, different angles of attack and different sectional shapes were researched. The result can beconcluded that the rear flow field and the aerodynamic characteristics can be improved by reasonablemethods of fixing rear spoiler. The main works of this thesis are: 1. The background and the meaning of automobile aerodynamics were introduced, and the theorybasic of the car external flow field was studied. 2. The aerodynamic characteristics of the models without rear spoiler and with rear spoilier were studied at two speeds of 20m/s and 40m/s. 3. The aerodynamic characteristics of the models with rear spoilers at different positions, different angles of attack were researched at two speeds of 20m/s and 40m/s. The study result can be concluded that, the meaning of improving the automobile aerodynamic characteristics by reasonable methods of fixing rear spoiler is great. Keywords: Computational Fluid Dynamics, Aerodynamics, External Flow Field, Automobile, Rear Spoile第一章 绪 论 1.1 汽车空气动力学研究的内容意义与方法 1.1.1研究的内容与意义 1.1.2研究的方法 1.2选题背景 1.3 相关领域国内外研究现状 1.4本文研究的主要内容 第二章 汽车外流场数值模拟的理论基础 2.1 汽车外流场模拟的特点 2.2 CFD 理论在汽车行业中的应用 2.2.1 数值计算的基本理论 2.2.2 计算流体力学 2.2.3 流体动力学控制方程 2.2.4 湍流模型理论 2.2.5 计算流体力学在汽车行业中的应用 2.3 本章小结 第三章 后扰流板对汽车空气动力学特性影响的数值模拟 3.1 三维几何模型 3.2 计算域的确定 3.3 计算网格的类型与生成 3.3.1 模块划分 3.3.2 网格划分 3.4 流场模型与计算方法 3.4.1 流场模型 3.4.2 计算方法 3.5 边界条件 3.6 本章小结 第一章 绪 论 1.1 汽车空气动力学研究的内容、意义和方法 1.1.1研究的内容与意义 汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及其与汽车之间相互作用的一门学科1。也是汽车工程的一个重要研究领域。汽车空气动力特性是汽车的 重要特性之一，它直接地影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性等性能，还影响着汽车的外观款式及审美的流行趋势。在汽车尤其是轿车车身造型设计的过程中力求取得最佳的空气动力学性能是非常有意义的。随着人们对汽车性能要求的不断提高，车辆的汽车空气动力学特性日益受到汽车制造商的重视，空气动力性能的优劣已成为汽车市场竞争的重要方面，因此，加强对汽车空气动力学的研究不仅对提高汽车的驾乘性能 、安全性、节约能源、保护环境有重要意义，而且对交通安全性也有重要的指导意义。研究内容归纳如图1-1所示。 图1-1汽车空气动力学的研究内容 汽车空气动力学的重要性在于：在确定汽车外形初步方案阶段，就需要汽车的空气动力学特性进行估计，在进行汽车造型设计和确定汽车的样式时，应当综合考虑美学造型和气动造型，在实验样车进行结构设计和试制之前，应先解决空气动力学特性问题，并在全尺寸模型上进行验证。否则很难，甚至不可能预言汽车的性能和一般道路特性。 1.1.2研究的方法 汽车空气动力学的研究方法主要有风洞试验法、道路试验法以及随着计算机技术的发展而产生的数值模拟法。 1.1.2.1试验研究 风洞试验法 汽车风洞试验是汽车开发或已有汽车变型发展过程中内外形设计的重要手段。 汽车风洞试验分为整车风洞试验和模型风洞试验。整车风洞试验除了可研究汽车承受的气动力外，还可以完成汽车外部和内部细节的空气流场，发动机和制动器的冷却、室内通风、灰尘积垢、刮水器性能和车身对雨流的封闭性等专项风洞实验研究。整车风洞要求有较大的实验截面，因此设备投资和实验费用巨大，但是为了提高汽车在国际市场上的竞争力，国外几家大汽车公司都具备用于实车试验的专用风洞。近年来，随着国家对空气动力学研究的重视，我国也开始建立了自己的汽车风洞实验室，例如吉林大学汽车风洞实验室就是其中之一。 汽车模型风洞具有实验截面小、投资低、实验方便等优点，因而广泛用于前期开发阶段的汽车造型方案、空气动力学特性比较以及方案选定工作，即研究基本型模型、样车车型模型的空气动力学特性。汽车模型风洞实验要求根据相似性原则制作与汽车原型几何相似的模型，在风洞中测量空气作用在模型上的气动力和力矩，模型表面的压强分布，并观察气流流经模型的流动状态，依此来分析实验汽车的空气动力学特性。 道路实验法 (1)滑行实验法测空气阻力系数 在平坦的路面上，把汽车加速到一定的速度，然后挂到空档，把发动机传动系与离合器脱开，让其自由滑行，记录车速和时曲线，根据车辆的瞬时加速度值，得出对应的总阻力。其阻力分量包括轮胎滚动力、传动系阻力和空气阻力。总阻力中去掉轮胎滚动阻力、传动系阻力值，最后利用求出汽车的空气阻力系数。 (2)侧向风稳定性实验 采用侧向风发生器人工模拟自然侧向风。用喷射推力法、垂直操作法及降落伞法等模拟自然侧向风。实验主要测定车速、汽车通过侧向风带后偏离行驶基准线的侧向加速度等。 数值模拟法 数值模拟，是指利用计算机，通过对流动控制方程的数值求解，达到对汽车流场特性以及汽车气动性能研究的目的。通过计算汽车周围的绕流，将结果可视化显示，可以看到流场的各种细节，进而分析流动的分离、表面压力分布、受力大小等。 CFD 在计算汽车外形的变化对流场特性的影响方面是很准确的，非常适合汽车外形的优化分析和改进。数值模拟还能模拟风洞试验中难以完成的一些情况，如风洞中难以模拟的两辆汽车并列行驶或是超车时的气动特性。 概括来说，数值模拟法具有以下优点： （1）数值模拟方法设计周期短。车身造型在计算机中完成以后，提取已有的车身表面数据，在 CFD 软件中生成表面网格，再生成计算网格，就可以添加边界条件进行数值计算。它不需要设计加工油泥模型。对于车身造型设计前期很多改动，能快捷地加以再计算再验证。这样就能够缩短产品设计周 期，尽早抢占新产品市场。这对于汽车工业发展的重要性是不言而喻的。 （2）数值模拟方法可节省大型实验而花费的巨大人力、财力和物力。而且可在新车设计初期的造型阶段进行空气动力性能及其它有关性能预测，为选型及造型修改提供依据。从而可以较早地得到较理想的产品，并较早地避 免产品缺陷。 （3）数值模拟方法应用范围广，不像实验那样受风洞边界条件的影响和湍流、风速、风向、雷诺数等的影响和限制。还可避免风洞试验时的支架干扰、模型弹性变形等技术问题以及道路试验条件、交通状况的影响。 （4）数值模拟可以计算用试验方法难以测量的场合，从而得到更加丰富的数据，如细微湍流结构。 它还可以研究难以进行试验的场合，如汽车同向近距离行驶及对开时的气动干扰问题。 然而数值模拟方法也存在一些缺点，如因没有完全搞清楚湍流等气流流动状态特性，对有些问题还没有普遍适用的数学模型。在数值计算上收敛性和精度也有待改进。另外，RANS（RegnoldsAveraged Naviel Stokes）代码中包含了经验的输入参数、截断误差、网络相关近似、湍流模型等因素，数值模拟结果与试验结果存在着差异。因此，数值计算不能完全替代试验。试验结果对于校正 CFD 方法和检验 CFD 结果是非常必要的。 在国外，很多大的专业软件公司开发出了各种各样的计算流体力学软件，这些软件把很多的湍流模型都纳入其中，作为工程技术人员，目前最需要做的就是发展更加合理的适用汽车空气动力学需要的湍流模型。 1.2选题背景 近年来，随着汽车新技术在汽车行业中的应用，现代的汽车性能有了极大的提高，路面上行驶的车辆速度也越来越快。相应的也带来了越来越多突出的问题，汽车工业中行车安全已经成为人们关心的头等大事。 汽车行驶时受到气动六分力的影响，在高速行驶过程时，汽车会产生较大的气动升力，气动升力的出现对于汽车的行驶安全是不利的。首先它会降低汽车对路面的附着性能，使汽车保持预定路线行驶的能力和可操纵性明显下降。这会严重地影响汽车高速行驶的操纵稳定性和安全性。其次，它会产生诱导阻力。从安全性方面考虑，减少汽车的气动升力比减少气动阻力更为重要。 好的路面附着性能对行车安全是极为重要的保证，汽车行驶稳定性能和操纵性能都与之直接密切相关；对于具有高吨功率比（发动机功率/车重）的汽车它还是使汽车即便在高速行驶时也能将全部功率通过路面车轮接触区发挥出来的保证。至于减少诱导阻力的意义当然是不言而喻的，特别对于在高速公路上运行的乘用车和长途货车，气动阻力成为运行中功率消耗的重要部分，而诱导阻力又占据了其中不可忽略的比重。因此，在某些情况下，不仅需要使汽车升力为零，甚至要使其变为负升力（向下的垂直的气动力），以提高汽车的高速附着性能和操纵稳定性。在竞赛汽车上常用的负升力翼型装置就是一个典型的例子。 通过安装空气动力学附加装置产生负升力，从而可使轮胎获得更大的附着力，来实现高速汽车更好的驾驶性能。通常没有安装空气动力学附加装置的普通轿车，甚至无法产生 1g（重力加速度）转弯力，而对于一级方程式赛车则能产生 4 个 g（重力加速度）的转弯力。目前，在性能较好的高级轿车，特别是跑车和规范赛车配置减小气动升力的附加装置较为普遍。减少气动升力的一个非常有效的附加装置就是负升力翼。对于赛车来讲，一般都加装负升力翼来增加汽车所受到的下压力，从而增大车轮的地面附着力以改善高速汽车的动力性和操纵稳定性。 本文就是基于以上背景，选取马自达RX8模型来进行仿真研究，所用的后负升力翼倾角分别为00 100300 和450四种。我们可以更清楚地了解扰流板力特性方面的作用。这对于我们今后合理的利用、安装和设计空气动力学附加装置具有重要的指导意义 1.3相关领域国内外研究现状 国内外主流在空气动力学方面的研究在近几年里得到了迅猛的发展。内燃机的改进在近十年步伐明显放缓，要想改善汽车的动力表现只有从改善空气动力学和提高动力传输效率两方面入手。新的量产车在空气动力学方面的表现也越来越好，这也就是说新车的空气动力学设计越来越严谨2。 国际卡车和发动机公司（International Truck and Engine Corporation）和 FLUENT 公司合作对一款铰接式集装箱卡车进行外流场数值模拟分析，中间运用不同特征的网格、分块划分模式和多种湍流模型，最后在 550 万左右网格数的情况下模拟汽车外流场，得到了在不同速度下的车身周围的等压分布图，在00角和60角迎风情况下瞬时的车头流场情况，通过和风洞模型试验比较，误差很小，结果可信。 福特公司的 2005 福特 GT 车型使用 1968 年的 GT40 原型，首先提出所需要的气动目标要求，包括气动阻力系数、气动升力系数和气动升力前后分布比例等。然后通过对已有的原始车模型的改进，进行数值模拟分析，对汽车底部的复杂形状进行修改，控制流场高速低压区出现在车头和后轴，提高了汽车的行驶性能。 吉林大流体动力学(CFD)软件 FLUENT 首先对轿车模型的外流场进行数值模拟，然后在其尾部加装不同间隙和攻角的尾翼，通过它们之间模拟结果的对比，可以清楚地了解尾翼在改善汽车气动特性方面(产生负升力，提高车辆的地面附着力、改善尾流)所发挥的独特作用。负升力的产生，对于高速行驶的轿车，在操纵稳定性和安全性方面具有非常重要的意义。探讨了车辆周围气流的压力分布和速度分布，分析了尾翼附近负升力的产生原理。 北京航空航天大学，以简化的斜背式轿车模型为研究对象，以商用计算流体力学软件STARCD 为工具，利用移动边界条件进行三维数值模拟,计算了加装尾翼前和加装尾翼后两种车速下的车身阻力系数和升力系数，并通过与试验结果的对比，验证了数值计算结果的正确性。计算结果表明，尾翼的加装可以改善尾流结构，从而使气动特性也得到改善。 南京航空航天大学，用 Favre 平均 N-S 方程和 B/L 代数湍流模型对 Saab900 汽车外流场进行了数值分析，分析不同车速下车尾上下气流分离位置、尾涡涡心和尾涡长度的变化，得出不同速度对气动阻力系数的影响，计算出汽车在 150km/h 下的扰流场矢量图和尾涡区速度矢量图。 武汉理工大学，使用 FLUENT 软件数值模拟电动客车外流场，对客车外形进行优化。在流场分块中，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 k 模型对流场进行模 拟，得到相应的对称面上的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，从而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。 目前由于国内汽车工业发展一直比较落后，汽车空气动力学的研究起步较晚，通过对航空器实验中的一些风洞经验的借鉴和近些年来的发展，某些成果已经达到了实用水平，但总体还处于起步阶段。 研究加装后扰流板的轿车的空气动力学特性，目前在国内外还是一个比较新的方向。对加装后扰流板的汽车的研究，计算对象仍然是车体基本形状，车身模型相对粗糙，车轮、保险杠、后视镜等都忽略了，划分的网格数目比较少，因此在计算精度上有一定影响。 1.4本文研究的主要内容 在研究汽车行驶时，动升力随着车速的提高而提高，会对汽车的操纵稳定性和动力性造成影响。实验表明，后扰流板的合理安装可以改善尾流结构，优化空气动力特性。汽车外流场是汽车外形设计和使用功能改进的关键性问题，对它的研究能帮助改进汽车的功能，增加汽车的操纵稳定性、安全性和舒适性。随着我国经济的发展，应用汽车外流场的数值模拟方法优化车辆外形降低气动阻力，可提高车辆的燃油经济性等性能，取得的经济效益将是十分巨大的。由于在汽车空气动力学研究中，CFD 技术相对于风洞实验所具有的优越性，使其正逐步成为汽车造型设计中不可缺少的基本辅助设计工具。 1.分析研究汽车外流场数值模拟的理论基础，从流体湍流运动的控制方程出发，根据汽车外流场的特点，建立汽车外流场三维湍流数值模拟的数学模型。 2.根据某款轿车的整体尺寸，利用CATIA建立简化三维汽车模型，计算的对象为车体的基本形状，车身模型忽略车轮、保险杠、后视镜等部分。对建立的各种三维汽车几何模型后，合理地网格划分，对车身和后扰流板周围进行网格局部加密，正确合理地设置边界条件和计算参数，以提高计算的精度并减少工作量。 3.究流体力学的计算软件 FLUENT为工具，计算加装后扰流板前后的汽车模型的空气动力学特性，通过比较加装后扰流板前后得出效果图，总结出后扰流板的有无对汽车气动特性的影响规律。 4.化后，改变三维模型上后扰流板的攻角模拟，得出后扰流板攻角对汽车气动特性的影响规律，同时比较了后扰流板不同攻角工况下尾部的外流场。进行数值模拟分析，得出各个模型的外流场分布特性和空气动力学数据 第二章 汽车外流场数值模拟的理论基础 2.1 汽车外流场模拟的特点 汽车状复杂的近地面行驶的钝头体。汽车表面是复杂的三维曲面，特别是底部的凹凸不平使流动参数沿汽车运动方向呈非周期性变化；底部地面效应形成了汽车特有的复杂边界条件，流动参数沿垂直方向变化剧烈。汽车的工作环境也比较复杂。侧向风使得汽车尾部周围的流场不对称，更增加了流场复杂性。这就使汽车绕流流场十分复杂，典型流动特征为三维、粘性、分离和非定常，这正是数值仿真应用于汽车空气动力学研究所面临的主要难点。 空气粘性会在车身表面产生边界层。由于车身底部外形的凹凸及车身附件如保险杠、门把手、后视镜、天线等干扰作用，粘性并不局限于车身表面较小的“边界层”范围，需对汽车周围的流场作整体考虑，由于流体的边界层在计算流体力学中对网格的要求比较苛刻，这不仅仅使计算量大大增加，且使网格生成困难。而网格系统的复杂性将直接影响数值计算的稳定性与收敛性。 分离流动是汽车外部典型的、不可避免的一类复杂流动现象，大量方法并不能直接应用于具有大尺度分离旋涡流的数值仿真。流体分离将车身壁面附近的涡量不断输送到流场中其它部位，形成大尺度旋涡。这些旋涡不断从车身壁面脱落流向下游，与此同时新的旋涡又不断形成。从能量观点看这些流向下游的旋涡带走了大量能量，其具体表现形式为作用于车身壁面上的相应附加阻力和升力。由于汽车外部流动十分复杂，至今人们还没能全面、深入掌握其规律，对汽车三维分离流动认识就更少。如何在对汽车分离流动机理和结构深入研究的基础上，提炼相应的汽车分离流动的物理数学模型，提高数值仿真的准确度，是当前汽车动力学数值仿真研究面临的最主要难点之一。如图 2-1 是轿车绕流的一般状况。 图2-1典型轿车的扰流流场 汽车流场结构的复杂性与特殊性，特别是非定常、湍流、旋涡分离等典型流动特征，使得数值仿真面临着巨大挑战，而这也是当代空气动力学研究的主要前沿。 总之，由于车身形状和车辆的行驶条件决定了汽车的外流场复杂性。 2.2 CFD 理论在汽车行业中的应用 2.2.1 数值计算的基本理论 数值模拟也称计算机模拟，它以计算机为工具，将 CFD（计算流体动力学）应用于汽车空气动力学研究的一种方法。它是在计算机上模拟吹风，将流场的控制方程离散到一系列网格结点上求其离散的数值解，达到对汽车流场特性以及汽车气动性能研究的目的。通过计算汽车周围的气流，将结果可视化显示，可以观察到流场的各个细节，进而分析流动的分离、表面压力分布、受力大小等，为指导设计获得良好的汽车车身气动外形提供理论依据，数值模拟已成为解决汽车空气动力特性问题的行之有效的方法。 2.2.2 计算流体力学 任何流体运动的动力