（工程热物理专业论文）厢式货车附加装置减阻节能技术的数值模拟和试验研究.pdf

厢式货车附加装置减阻节能技术的数值模拟和试验研究 、 摘要 本课题主要采用了国内外比较流行的厢式货车减阻节能研究方法：理论分 析、数值模拟和试验研究。( 其中，理论分析渗透于数值模拟和风洞试验中，并 对计算和试验起指导和补充作用；数值模拟是利用p h o e n i c s 3 3 程序对厢式 货车实车模型进行了三维数值模拟；厢式货车实车模型的风洞试验在山东大学 风洞试验室的低速风洞中进行。本文通过数值模拟计算和风洞试验的方法对厢 式货车加装减阻附加装置前后周围流场进行了分析和探讨，以从理论上明确影 响气动阻力的流场结构和条件，为厢式货车气动减阻节能技术的研究提供具有 较高参考价值数据和结论。一 本文通过试验和计算分别研究了厢式货车加装导流罩和井字型格栅前后不 r 同的驾驶室和车厢间隙、车体高度等参数对阻力系数的影响。斛算和试验获得 了大量具有重大参考价值的数据和货车外流场的计算图谱，得出了货车及附加 减阻装置的几何参数与气动阻力系数之间的定量关系。通过对计算和试验结果 及计算图谱的综合分析，弄清了厢式货车外部流场的流动机理以及附加装置导 流罩和井字型格栅对厢式货车外部流场的优化性能和减阻机理，为厢式货车的 气动造型的设计和改进提供了必要的理论依据。文 本文首次使用r n g 缸s 紊流模型计算了加装导流罩和井字型格栅前后厢式 货车周围的三维流场，并用试验的方法验证了计算结果的正确性及r n gk - e 紊 流模型在计算存在分离流的货车外流场中具有较高计算精度。陋过对各种车体 f 和附加减阻装置几何参数的货车外流场的计算发现，r n gk - s 紊流模型相对标 准k - f 紊流模型使计算误差下降5 2 6 1 。 货车加装导流罩或井字型格栅后，能够较好地优化厢式货车的气动造型， 有效地降低货车所受到的气动阻力。根据试验和计算的结果，加装导流罩最大 第1 页 可以降低阻力系数达2 1 5 ；而加装井字型格栅后，根据计算结果阻力系数可 以降低1 6 2 。经过理论分析和研究，导流罩和井字型格栅之所以能有效地降 低货车受到的气动阻力，是因为它们使货车尾流中处于负压的漩涡和车厢前部 处于正压的漩涡区域减小，使货车受到的总的压差阻力降低，从而减小了气动 阻力。 货车车体和附加减阻装置的几何和位置参数的选取，应该认真研究，取值 得当会减小阻力，取值不当会使阻力增加。在货车气动造型的设计中，满足其 他要求的情况下，间隙应尽可能大，车体高度尽可能小；导流罩的高度采用其 最佳高度，而井字型格栅应取其最佳尺寸和位置参数。当车体参数变化时，导 流罩的最佳高度和井字型格栅的最佳尺寸和位置参数与本文计算和试验值会有 所不同，在缺乏试验和计算数据时，可以参考本文的结果。 本课题的研究方法和研究结果可以为其他减阻节能附加装置的研究给予指 导并提供参考。本文的计算方法在适用于加装其他附加装置的厢式货车的数值 模拟时，只需改变货车模型：而模拟试验时则需改换货车模型和取压点的位置， 其它条件可以不变，本文中的试验方法和试验步骤仍然适用。j 关键词：厢式货车；数值模拟；风洞试验；导流罩；井字型格栅 第2 页 坐垒叁兰堡：三耋堡坠塞 n u m e l u c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l s t u d yo nt h et e c h o ft h ea e r o d y n a m i c d r a g r e d u c t i o na n de n e r g ye c o n 0 l m i z e do n v a n b o d yt r u c kw l t ht a g g e r a b s t r a c t i nt h i s p a p e rt h ew a y so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s f l u m e r i c a i s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d ya th c m ea n da b r o a d ，w h i c h a r eo f t e nu s e dt os t u d yt h er e d u c i n g a e r o d y n a m i cd r a g a n d e c o n o m i z i n ge n e r g y , w e r e u s e d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s r e i n f o r c e da n d s e e p e d i nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dw i n dt u n n e l e x p e r i m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sa3 - do n eb yu s i n gp h o e n i c s 3 3a n de x p e r i m e n tw a s d o n ei n l o w s p e e dw i n dt u r m e l o fs h a n g d o n 2u n i v e r s i t y t h ef l o wf i e l do fa v a n - b o d yt r u c kw i t ht h et a g g e ro r n o tw a sa n a l y z e da n ds t u d i e db ym e a n so f c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n ti no r d e rt ot a k ei nt h es t r u c t u r e sa n dc o n d i t i o n sw h i c h a f f e c tt h ea e r o d y n a m i cd r a g ，a n dt op r o v i d eh i g hv a l u a b l ed a t aa n dc o n c l u s i o n sf o r t h es t u d yo nt h et e c h n o l o g yo f r e d u c i n ga e r o d y n a m i cd r a ga n de c o n o m i z i n ge n e r g y o f av a n b o d yt r u c k a n db yt h ec a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n ti nt h i sp a p e rt h ei n f l u e n c eo fd i f i e r e n t g a pb e t w e e nt h e d r i v ec a b ，a n dt h eb o xa n dh e i g h t so ft h et r u c ko nt h ed r a g c o e m c i e n t w a ss t u d i e d ag r e a td e a lo fv a l u a b l ed a t aa n dc a l c u l a t i o np l o t so ft h e f l o wf i e l da r o u n da v a n b o d y t r u c kw a so b t a i n e df r o mt h ec a l c u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t s ，a l s ot h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng e o m e t r i cc o e f f i c i e n t so f t h e t r u c ka n dt h et a g g e r s ，a n da e r o d y n a m i cd r a gc o e f f i c i e n to b t a i n e d b yt h ei n t e g r a t e d a n a l y s i so f r e s u l t sf r o mc a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n ta n dt h ep l o t so b t a i n e df r o m c a l c u l a t i o n s ，t h ef l o wa n dr e d u c i n ga e r o d y n a m i cd r a gm e c h a n i s m sa r o u n dt h et r u c k a n dt h ep e r f o r m a n c et h a tt h et a g g e r s ，d o m ea n d 撑s h a p ef r a m e ，o p t i m i z et h en o w f i e l da r o u n dav a n - b o d yt r u c k ，w a sc l a r i f i e d ，w h i c hp r o v i d e dn e c e s s a r yt h e o r yf o r t h ed e s i g na n di m p r o v e m e n to f a e r o d y n a m i c s h a p ei f av a n b o d v t r u c k a l s oi nt h i sp a p e ri tw a st h ef i r s tt i m et ou s er n gk - ft u r b u l e n c em o d e lt o c a l c u l a t et h e3 一df l o wf i e l da r o u n dav a n b o d yt r u c kf i x e dad o m eo ra # s h a p e f l a m e ，a n dt h ee x p e r i m e n th a dv a l i d a t e dt h ee x a c t n e s so fc a l c u l a t i o nr e s u l t s i tw a s p r o v e dt h a tt h ec a l c u l a t i o n su s i n gr n g k ft u r b u l e n c em o d e lw e r em o r ea c c u r a t e u n d e rc o n d i t i o f l so fe x i s t i n g s e p a r a t e df l o ws u c h a s v a n b o d yt r u c k w h i c ht h e 第3 页 些垒叁耋堡圭耋：丝丝圣 c a l c u l a t i o ne r r o rw a s5 2 - - - 6 1 l o w e rt h a ot h a t u s i n gs t a n d a r d k ft u r b u l e n c e m o d e l a t i e ra v a n b o d yt r u c kw a s f i x e dad o m eo rt h ea e r o d y n a m i c # s h a p ef l a m e t h e a e r o d y n a m i cs h a p eo ft h e t r u c k0 p t i m i z ew e l la n dt h e a e r o d y n a m i cd r a g w a s d e c r e a s e de f f e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fc a l c u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s ，t h e a e r o d y n a m i cd r a gc o e f f i c i e n tr e d u c e s2 1 5 w i t hd o m ea n d16 2 w i t h # s h a p e f l a m e t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds t u d y , t h er e a s o nw h y d o m ea n d # s h a p e f l a m er e d u c et h ea e r o d y n a m i cd r a gi st h a tt h e ym a k et h et a i lv o r t e xa n dt h ef r o m v o r t e xi nw h i c ht h ep r e s s u r ei sn e g a t i v ea n dp o s “i v er e s p e c t i v e l ys m a l l e r s ot h a tt h e t o t a lp r e s s u r ed r a go f t h et r u c kd e c r e a s e sa n dt h ea e r o d y n a m i c d r a gi sl o w e r t h eg e o m e t r i ca n dp o s “i o nc o e f f i c i e n t so ft h et r u c ka n dt h et a g g e rm u s tb e c h o s e nc a r e f u l l y , i ft h e yw e r ei m p r o p e rt h ed r a gw i l li n c r e a s er a t h e rt h a nd e c r e a s e d u r i n gt h ed e s i g no f t h ea e r o d y n a m i cs h a p eo ft h et r u c k ，t h eg a pm u s tb ew i d ea n d t h eh e i g h ts h o r ta sp o s s i b l e a n dt h ed i m e n s i o no f d o m e o r # s h a p ef l a m eb e s t w h e n t h eg e o m e t r i cc o e f f i c i e n t sv a r y , t h eb e s td i m e n s i o no ft h et a g g e r m a y b ec h a n g e b u t t h er e s u h si n t h i s p a p e r c a nb ea sr e f e r e n c ef o ro t h e r t a g g e r i n s h o r t a g e o f e x p e r i m e n t a lo r c a l c u l a t i o n a ld a t a t h er e s u l t sa n dt h ew a y st o s t u d yi nt h i sp a p e rc a ng i v eh e l pt ot h es t u d yo f o t h e rt a g g e r s i ft h et r u c km o d e lw a sm o d i f i e d ，t h es i m u l a t i o nw a y su s e di nt h e p a p e rc a na p p l yt ot h ec a l c u l a t i o n so f o t h e rt a g g e r s ；i f t h ep o t sf r o mw h i c hm e a s u r e p r e s s u r es h i f ta d d i t i o n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lw a y sc a l la p p l yt oo t h e r sd i r e c t l y k e yw o r d s ：v a n - b o d yt r u c k ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , w i n dt u n n e le x p e r i m e n t ， d o m e ，拌s h a p ef i a m e 第4 贞 1 前言 1 1 课题背景 随着能源问题的日益突出，以及国际石油价格暴涨，各种节能技术的研究 成为世人注目的重要课题。而汽车减阻节能技术便是节能技术研究领域中重要 的基础课题之一。但是，由于种种原因，人们对汽车减阻节能研究的重点放在 了轿车和客车上2 ，3j ，而货车特别是厢式货车的研究却被人们所忽视。近几年 来，由于我国交通设施的不断完善，公路交通等级的不断提高，以及国内汽车 工业技术水平飞速发展，使货车的实用车速有较大的提高，而作用在汽车上的 气动阻力与车速平方成正比，气动阻力大大增加，由此而引起的燃油耗量也大 幅度增加，致使汽车货运耗油量在全国耗油总量中占有很大的比例，因而载货 汽车的气动减阻节能问题日益突出。 随着经济的发展和人们对货运要求的日益提高，优质、快速的货运服务对 货车的设计提出了更高的要求。而货车单车载重量和平均行驶速度的大幅提高， 使货物与环境的干扰急剧增加，这不符合货运清洁卫生的要求。因此，货厢的 设计由挡板船式货箱向整体封闭式货厢( 即厢式货车) 转化成为必然。可以预见， 在不久的将来绝大多数挡板船式货车将被厢式货车所取代。但是，由于厢式货 车特殊的结构特点，气动造型较差郾l ：厢体高出驾驶室较多，具有较大的迎风 面积，造成整车的气动特性较差，气动阻力较大，行驶稳定性也较差。在车速 不高的情况下，厢式货车的这种缺点表现不很明显，气动特性的改进对货车减 阻节能和行驶稳定性的提高效果甚微；但在高速行驶时，与车速的平方成正比 的气动阻力急剧增大，耗油量剧增，甚至达到了不可忍受的程度。因此，改善 厢式货车的气动特性，以提高厢式货车的行驶稳定性，降低厢式货车的耗油量， 成为节能技术研究的一个重要课题，也是我国汽车技术的发展对汽车减阻节能 第5 页 技术研究领域提出的必然要求。 目前。国际上在汽车空气动力学方面的研究主要途径有：理论分析、数值 模拟和风洞试验。在实际研究中，理论分析是融合在数值模拟和风洞试验中的。 其中数值模拟的研究对象目前还主要放在轿车上，对货车的模拟计算也主要是 针对经过简化的厢式货车基本形状模型的模拟，对货车实车模型外部三维流场 的数值模拟h 1 计算也刚刚起步，而对货车加装减阻装置后的模型外部三维流场 的数值模研究拟尚未见有报道。风洞试验对货车的研究主要集中在针对不同车 型进行气动减阻附加装置的选型设计和如何获得最佳减阻效果上【3 ，4 ，5 1 。山东大 学流体力学教研室近年来利用小型低速风洞对厢式货车作了系列试验研究，得 到了许多有价值的结论，为进一步的深入研究厢式货车减阻节能技术提供了重 要的试验基础。厢式货车外部流场的数值计算和试验分析已经成为厢式货车减 阻节能技术研究最为重要的方法，两者互为补充，对于气动减阻节能技术的开 发和改进都具有重要的指导意义。 1 2 厢式货车减阻节能技术研究进展 由于厢式货车货物运输的要求，不可能对货厢的设计进行大的改动，仅靠 货厢基本外形的优化设计很难大幅度改善其气动特性。根据厢式货车表面的气 动特性分析，针对产生气动阻力的主要因素，在厢式货车表面的相应部位安装 一定的气动减阻附加装置是目前国内外比较流行的减阻节能措施p ，7 ，引。目前国 内外应用比较广泛的减阻节能装置有车顶导流罩、涡流稳定器、前部扰流器、 底部填充护板和侧裙等等，各种附加装置的安装部位、减阻效果以及其他详细 情况见表1 1 。 第6 页 坐奎查耋堡圭耋堡堕塞 表1 1 厢式货车各种减阻节能附加装置的安装部位、减阻效果及减阻机理 装置名、称安装部位气动减阻效果。减阻机理 板罩式2 a 吗似 将迎风气流导向车顶和侧围，消 顶部导流罩驾驶室顶部 立体式 2 孓3 5 除货厢高出驾驶室顶部以及驾 涡痢吲赋 l5 _ 2 名 驶室与货厢刁刚窝喇倚影响 车身6 欷帽流罩车身的部l 口1 5 改善车身部分的流型 前呗惧板车身前部5 - 1 0 涡流稳定器货厢厢体的后部l m l 5 破坏尾部的漩涡俯翳医锻 使流 车下的气流不与车下部 底部冼勰s装在保雠 e5 _ 1 伊名 突出部分相互作用 减少车身两坝驸j i | 5 嘏沤韵形髋 角倒流皈前呗0 围立柱前部5 - l o 使气流平j 顿的流过驾驶室侧壁 后切 车厢呗蛙 牵引车和挂车身两侧的下 消除两侧冈对汽车底部构件的 车侧挡板前、后蝴 孓l o 影响 锥型分流器驾驶室和厢孓l o 部分或全部挡住驾驶室和货厢 密封板体间隙处1 0 _ 1 s 间的间除消除坝崛嘭响 尾翅1 0 加 部分或全部消除货车尾部的负 加长板货厢的后端面t1 名 压区 后侧翼板1 0 _ 1 5 井字型格栅货厢前e 部 2 眠( 正在明究中)堆积气流形成“导流罩” 注：表中的数字为单独使用各种附加装置时降低气动阻力的百分比。 其他降低厢式货车气动阻力的方法还有很多，如挂车气流罩、挂车前斜 体等，部分已经广泛应用，大部分尚处在研究阶段。可以断言各种附加装置对 气动阻力的降低效果都是比较可观的，但以导流罩的减阻效果最为明显，应用 也最为广泛。需要特别引起注意的是，虽然各种附加装置配合使用减阻效果会 第7 页 查垒奎兰堡圭兰堡篁塞 更好，但是其综合效果并不是各种附加减阻装置减阻效果的叠加，其综合效果 受到各种复杂因素的制约，各种附加装置的配合情况便是最为重要的一个因素。 1 3 主要研究内容 本文稿：i j 尔大学流体力学教研室对厢式货车风洞测压试验研究的基础卜， 通过数值模拟计算和风洞测力试验的方法对厢式货车加装减阻附加装置前后周 围流场进行分析探讨，以期从理论上了解影响气动阻力的流场结构和条件。 尽管已经知道阻力系数。与车体高度h 、车厢与驾驶室间隙d 之问复杂 的定性关系1 4 l ，但厢式货车周围流场结构对其关系的影响，以及流场的变化情 况还未有深入的研究。对于二维情形，欧阳鸿武等人曾经做过数值模拟的研究， 获得了加装导流罩前后长头厢式货车简化模型表面压力系数的对比关系【引，如 图1 1 、图1 2 所示。虽然二维模拟可以预测厢式货车表面流场的真实情况，但 与三维模拟相比在与真实流场的接近程度上仍然有不小的差距。因此，要想更 好的反应厢式货车外部三维流场的真实情况必须进行实车模型的三维流场模 拟。流场显示试验只能显示局部流场的变化情况，而车体外部的整体速度场及 压强场的变化情况只能通过数值计算来得到。通过对厢式货车外部流场的速度 场、压强场结构变化的分析就可以从流动机理上明了气动阻力系数变化的规律， 从而更加有效地研究气动减阻措施。 图1 1 加装导流罩前图1 2 加装导流罩后 第8 页 本课题以s t e y r 邮政车为原型，利用p h o e n i c s3 3 计算软件采用r n g 缸s 紊流模型对厢式货车外部流场进行三维数值模拟计算。首先模拟风洞试验条 件下，实车模型在不同间隙d 和高度日等参数下进行总计十二种状态的计算， 计算结果与试验结果和其他紊流模型计算所得的结果比较 4 1 ，以验证计算结果 的正确性和r n gk - e 紊流模型用于货车外部紊流计算的优越性。然后，在不同 间隙d 和高度日的厢式货车模型上加装导流罩，不改变其他计算条件重新计算， 对计算后得到的速度场、压强场进行分析，考察流场结构对气动阻力的影响。 再取间隙d 和高度日为固定值，改变导流罩的高度，其他条件不变重新进行模 拟计算，得到导流罩的高度和阻力系数的之间的变化关系。第三步，根据计算 的结果再进行风洞测力试验进行校核，弥补以前试验的不足。最后，根据文献 8 中提供的减阻方法和试验条件，运用前面的计算方法对厢式货车加装井字型 格栅前后的流场进行简单的模拟，以获取井字型格栅的减阻机理并进一步说明 其减阻效果。综合计算与试验的结果，对其进行综合分析，探讨厢式货车外部 流场的流动机理以及附加装置导流罩和井字型格栅对厢式货车外部流场的优化 性能，为厢式货车的气动外形设计提供必要的理论依据。 第9 页 当壅查耋堡圭堂堡墼苎 2 汽车空气动力学概述 2 1 汽车空气动力学的研究的内容和意义 汽车空气阻力的研究是传统而有重大经济意义的研究课题，与汽车的综合 节能是密切相关的。众所周知，当车速较高时，汽车空气阻力迅速增加，当车 速大于7 0 k m h 时，汽车空气阻力占行驶阻力的一半以上，减小空气阻力节能， 不仅对轿车而且对商用汽车都有很大的意义。试验表明，商用汽车的阻力减小 1 0 n 燃油消耗量可降低3 3 1 5 【1 0 】。 在汽车节能研究的各种方法中，节能效果较为明显的是减小汽车的空气阻 力。减小汽车空气阻力的应用范围及前景非常广泛，无论汽车结构如何变化及 采用何种形式的原动机和替代新能源，减小空气阻力的研究都是非常必要的。 特别是近几年，随着高等级公路的迅速发展，道路状况的普遍改善，汽车车速 的大幅度提高，通过减小汽车空气阻力来节约能源的要求已经变得十分迫切， 因此，汽车空气动力学的研究已成为汽车领域重要研究方向之一。 高速行驶时间的百分比的大大增加要求公路车辆具备良好的高速性能，尤 其是较好的空气动力特性。较好的空气动力特性不仅对汽车经济性有重大的影 响，而且对行驶的安全，改善操纵稳定性、改善发动机冷却和车内通风以及降 低汽车噪声也有及其重要的意义。 在汽车空气动力学的研究方法中，理论分析是用流体力学和气体动力学基 础理论和概念来分析绕过汽车的流动，并作为试验研究和数值模拟的基础，起 指导作用；试验研究是实用研究的主要手段，也是发现和验证理论和计算方法 的重要方法。近几年来，由于科学和工艺的发展，新型汽车设计和制造所要求 提供的数据已超出了试验的能力，随着新型设计规模的增大，试验费用几乎成 指数地增长。因此，人们在不断地探索更为经济有效的方法。由于电子计算机 第1 0 页 当堑查堂堡圭耋堡墼苎 的费用的降低和应用的普及，以及用于流体分析的数值计算技术的迅速发展， 使计算流体力学在实际的设计和分析中得到广泛的应用【1 1 1 ，部分费用大的试验 将由高速而经济的数值模拟所代替，设计过程主要依靠试验方法的长开发周期 状况将逐渐有所改变，而有限的试验和大量的数值模拟之间的协调应用将成为 解决问题行之有效的方法。目前理论分析、试验研究和数值模拟互相渗透， 互相补充，共同促进了汽车空气动力学的研究。 2 2 汽车流场数值模拟 1 0 , 1 2 汽车流场数值模拟是计算流体力学( c f d ) 在汽车工程领域的具体应用， 也就是运用数值方法根据汽车周围流场的特点求解控制微分或积分方程组。由 于描述流体运动的方程具有特别强的非线性性质，并且可能有各阶的数学奇点 以及未知的或无穷远的边界，而现有的非线性问题的数值解法的数学理论也不 是很完备的。现在尚无严格的稳定性分析、误差估计和收敛性的证明。虽然在 解的存在性和唯一性方面取得某些结果，但还不足以对我们所感兴趣的问题给 予肯定的回答。因此在计算流体力学中，仍然是一方面要依靠对比较简单的线 性问题进行严格数学分析，另一方面也要依靠物理直观和力学试验的启发以及 在计算机上的数值试验。这种数值试验可以做到无论是理论分析还是实物模型 试验所不能办到的事情，它对流动参数的选择具有巨大的灵活性，它能检验流 动现象对理论分析中所做的各种近似的敏感性，它还能检验新的流体模型的本 构方程的合理性。 汽车流场数值模拟中的有限的数值模型只有在网格尺度为零的情况下，才 能精确地模拟连续介质，而这种极限是永远无法达到的。离散化的结果不仅在 数值上影响计算的精度，而且在性质上还会改变流动的特征。在有限的数值模 型中也无法反映小尺度或短波长的流动现象，如滑移线和拐角处的极小涡流等， 而这些现象可能影响着流动的大尺度特征。因此汽车流场数值模拟不同于试验 第1 1 页 些壅查堂堡主耋堡篁塞 方法和理论分析，而有着自己的特点、自己的方法和自己的困难。汽车流场模 拟计算的理论基础是流体力学，而计算数学是建立数值模型和解决有关问题必 不可少的一部分内容。由此可见，汽车流场数值模拟正处在试验方法、理论方 法和计算数学的汇合点上，它的有成效的发展历史说明，必须把这二者紧密地 有机地结合起来。 由于汽车流场数值模拟，特别是厢式货车外部流场的数值模拟的发展历史 比较短，还有许多问题有待进一步地研究。三维流场数值模拟的精确性便是诸 多问题中最为棘手的一个。可喜的是，现在已经开发出了可以用于汽车外部三 维流场数值模拟的十分优秀的软件，如s t a r c d 、以及本文中使用的p h o e n i c s 等。 汽车流场数值模拟方法与理论方法和试验方法相比有许多优点：数值模拟 方法速度快，它不需要设计模型和加工模型的周期。对于已有的通用计算程序， 只改变初始数据，就可随时得到流场特性及效果，从而缩短了汽车开发周期。 数值模拟方法可节省因大量模型试验而花费的巨大财力、人力和物力。数值模 拟方法应用范围广，不受象模型试验那样的风洞边界条件的影响和湍流、风速、 风向、气温、气压、温度、密度的影响，以及马赫数、雷诺数的限制。它还可 避免风洞试验的支架干扰、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。数值模拟方法机动性大，可以根据计算机终端的设置而随时更换 算题，而试验方法却要受到准备周期的制约。数值模拟便于解决许多实际问题， 而理论分析只能解比较简单的模型。数值模拟可以计算用试验方法难以测量的 场合，如细微湍流结构。它还可以研究不可能进行试验的场合，如汽车同向近 距离行驶及对开时气动干扰问题。 当然，汽车流场数值模拟方法也存在一些缺陷，如：数值模拟需要有数学 模型，如果没有数学模型就不能进行计算、数值模拟需要有合适的数值计算方 第1 2 页 法：而现有的数值方法都存在收敛性和精度上的不足，还有待改进；数值模拟 受到计算机速度和容量的限制；对于一些复杂问题，其计算费用也是很高的；由 于数学模型的简化、计算机的精度以及数值处理的误差都会导致计算结果的不 可靠：数值模拟计算难以知道计算误差，且难以解释计算结果的物理意义，以 及在计算过程中很可能出现不稳定性而导致不收敛。因此，还不能用数值模拟 代替模型试验，只能部分地代替风洞模型试验。因此，本文在厢式货车附加装 置的研究中使用了试验和计算两种方法。 2 3 汽车流场模拟数值方法 计算流体力学的方法很多，但适用于汽车周围流场计算的方法主要有面元 法、有限差分法、有限元法等1 1 3 】。 面元法：面元法( p a n e lm e t h o d ) 是求解低速无粘流的一种数值方法，它的理 论基础是r a n k i n e 于1 8 6 8 年提出的把直匀来流叠加到由源、汇、偶极子和涡组 成的系统之上的奇点法。它的基本思想是用一些形式简单且在流动区域内满足 拉普拉斯方程的一些解析函数，如源、汇、偶极予和涡作为基本解( 也称作奇点) ， 再将它们与直匀来流叠加，以满足任意形状车身表面的边界条件。更进一步地 说，面元法首先是将所研究的车身表面用数量有限的小面积( 即面元) 加以覆盖， 在每一面元上布置以某种特定密度的源、涡等奇点。布置这些奇点的作用是将 来流偏转，以使来流沿车身表面流动。通常在无升力物体表面上，采用源或偶 极子面元，在升力物体表面上，采用涡面元。因车身表面为有升力的表面，常 采用涡或偶极子面元。 面元法是首先用于解汽车气动力的数值方法。近年来，这方面的研究工作 仍在进行。目前，主要用于外形理想化的车身形体。关于湍流的处理问题是目 前面元法的主要问题。 第1 3 页 当奎查耋堡圭耋堡垒塞 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，记为f d m ) ：属于应用数学的范畴。 它是利用差分直接代替微分方程的偏微分，从而得到差分方程。差分方程是用 网格节点的函数值与周围节点的函数值来表示的联立一次方程，再考虑边界节 点所给定的边界条件，从而得到一系列迭代格式。一般地说，流体力学中的差 分法包含三方面的内容：流体力学这一物理问题用数学来描述，即得到偏微分 方程组和初边值问题，属于流体力学基本理论的内容：求解代数方程组得数值 解，纯属于数学中线性代数或数值方程求解的内容；把问题的数学描述有限差 分格式化，即用有限差分法将流体力学方程组离散化，从而转化为代数方程组 问题，它是在流体力学有限差分法中应重点解决的问题，并且应针对各种差分 格式分析其收敛性、相容性和稳定性，而且还要分析其截断误差。 有限元法( f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ，记为f e m ) ：是随着电子计算机的问世而 应用及发展起来的一种新的数值方法。它是数值方法与解析法互相结合，互相 渗透而形成的一种数值计算方法。有限元法的基本原理就是：首先将求解区域 进行离散化，剖分成有限个互相连结而不重叠，具有一定几何形状的子区域， 称这些子区域为单元( e l e m e n t ) ，称单元之间的连结点为节点( n o d e ) 。然后，用 单元中基函数的线性组合来逼近单元中的真解，进而利用单元物理特性根据变 分原理或加权余量法对单元进行分析，最后再根据所有单元的总体物理特性进 行整体分析，总体基函数可以看作是由单元基函数所组成，这样就可通过求解 基函数来得到节点上的离散解。从某种意义上讲，有限元法是有限差分法的一 种特殊形式。 虽然有限元法有诸如便于处理不规则边界和三维问题、求解精度较高等一 系列优点，但是由于流体力学中对流项的处理困难，而且流体力学的运动学条 件，如不可压条件等，在近似方程中是很难准确满足，因此，应用有限元法来 求解非线性的粘性流问题仍然处于发展阶段，还需要做许多研究工作。 第1 4 页 坐奎查耋堡圭兰堡：堕耋 本文计算使用的软件p h o e n i c s 采用的数值方法是介于有限差分法和有 限元法两者之间的一种方法有限区域法，它与有限差分法的不同在于后者 多采用泰勒级数展开法，与有限元法的不同在于离散化的数学工具和网格形式 不同，但它几乎具有两者的一切优点，就其本质来说，它更接近于有限差分法。 有关有限区域法的特点将在后面的章节中讨论。 2 4 厢式货车外部流场的气动特性 4 , 5 , 6 , 1 4 , 1 5 j 在进行厢式货车外部流场的模拟之前，我们有必要了解厢式货车外部流场 分布情况，一方面可以指导数值模拟的进行，使模拟的条件更符合实际流动情 况；另一方面可以预测和验证计算结果的正确性。 货车属钝体结构，在地面上行驶产生地面效应。风洞试验及流谱观察均表 明，汽车周围的流动大多为较强的大小涡混杂的湍流，而且汽车底部与地面的 边界层干涉也出现湍流。因此进行汽车周围流场的数值模拟必须通过求解粘性 流体湍流方程才能使模拟精度提高。此外，汽车车身横向尺寸较窄，侧流、底 部流和尾流相互干扰较为明显，利用二维流动模型求数值解很难得到理想的结 果。因此，必须应用三维湍流理论来进行汽车空气动力场的数值模拟计算。 作用在汽车上的气动阻力，与气流流经汽车表面的整个历程是有关的。当 气流流经汽车表面时，将不可避免地产生边界层、气流分离区及三元效应诱发 的漩涡。所以，气动阻力是由边界层反应出的摩擦阻力，气流分离反应出的压 差阻力以及漩涡反应出的诱导阻力构成，但以压差阻力为主，减小压差阻力是 该类汽车减阻节能的主要着眼点。 由此可知，汽车的气动力除与气流从前部到后部的整个流动过程的摩擦有 关外，还与汽车表面各部位气流分离形成的漩涡有关。因此，改善汽车气动特性 的重要措施之一应当是尽量减弱或消除气流在各个部位的分离，避免形成较大 的气流分离区。 第1 5 页 生奎叁耋堡主耋堡堡兰 3p h o e n i c s3 3 程序介绍 可以用于货车外流场数值模拟的计算软件有很多，本文计算使用的计算软 件是由斯波尔h ( s p a l d i n g ) 领导- 的c h a m 公司研制开发的大型通用计算软件一 - - p h o e n i c s3 , 3 。它能对一维、二维或三维，稳定或非稳定，可压或不可雎， 理想或粘性，层流或紊流，均相或多相( 主要是两相) 的流动、传热传质和燃 烧过程进行计算机模拟。由于该程序是建立在坚实的物理学基本原理的基础上 的数学推理，所以它的结果不但能给工程设计提供所需要数据，而且还可以帮 助人们对所研究的问题加强理解。 3 1p h o e n c i s 3 3 程序对物理现象的描述方法 p h o e n i c s3 3 对物理现象的描述方法与以前版本p h o e n i c s 是一致的， 即物理空间取为由三个空间坐标x 、y 、z 和一个时间坐标t 组成的四维空间。 p h o e n i c s 程序使用交错网格系统。为了描述方便，定义网格单元的六个 边界分别为：东( e ) 、西( w ) 、南( s ) 、北( n ) 、高( h ) 和低( l ) ，如图 3 1 所示，图中未表示出平行纸面的高、低两个边界面。温度、压强和密度等变 量的值位于n 、s 、e 、w 这些网格中心，但由西向东的速度值位于主网格的边 界w 、e 上，由南向北的速度值位于边界s 、n 上。 图3 1 交错网格示意图 第1 6 页 些查叁耋堡圭耋堡坠塞 3 2p h o e n i c s 3 3 程序中的数值方法 数值方法包括微分方程的离散方法和离散方程的求解方法。微分方程的离 散，是把微分方程的连续解用分布在积分区域的有限个网格内的非连续解来取 代。p h o e n i c s 中采用的数值方法为有限区域法。有限区域法是通过把微分方 程在控制容积上的积分来建立有限区域方程，实际上是用微元体的概念来推导 微分方程的逆过程。该方法假设在任一网格内函数均匀，即可以用网格点上的 函数值来代表，一般情况下网格面两侧的函数值不连续，网格面上的函数与网 格点上的函数值的关系可以有多种形式1 1 3 l ：斯波尔汀倾向于采用交错的速度网 格系统、上风差分格式和全隐方案。p h o e n i c s 采用的离散方法就是这种方案。 离散方程的求解方法也有很多种，比较常见的有逐点校正法、逐线校正法、部 分消去法、s i m p l e 法和s i m p l e s t 法等。p h o e n i c s 采用的数值求解方法为 在s i m p l e 基础上发展起来的s i m p l e s t 方法。s i m p l e s t 方法与s i m p l e 之 间的不同在于：两者对有限区域方程系数的处理方法不同，并且在求解动量方 程时，前者采用雅克比逐点校正法，而后者采用交替方向迭代( a d i ， a l t e r n a t i n g - d i r e c t i o ni m p l i c i t ) 方法。因此，求解方程组的收敛性和求解压力场 的准确性得到了改善。 为了便于编制程序，p h o e n i c s 把控制微分方程表示成如下统一形式： 掣砌( p 衲= d i v ( f # g r a d # ) + 墨( 3 - 1 ) 时间导数项对流项扩散项源项 其中，旷为速度矢量，p 为密度，表示待求的因变量，r 为对应于矿的 交换系数，e 为相应的源项。 p h o e n i c s 程序中控制方程经离散的到如下统一形式( f v e ) ： 第1 7 页 ；生奎查堂堡主堂堡墼塞 多p a ，= n e 垂e + n 旷咖咿七n n 咖n + a s 谚s 七d h 咖h + a l 母l + d r 审r 七s 口口= a e + 口矿+ o n + d l s + a h + 1 7 1 l + a t ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 式中，巧表示变量，其下标p 、e 、w 、n 、s 、h 和工表示该变最所处的位 置。下标丁表示前步时间的值。a 表示系数，暂时把它们当作常数处理，那些 有下标、s 、e 、日、三的量表示相邻的网格通过扩散和对流发生的相互作 用，a t 表示非定常性。s 和o p 表示西的源项的影响。系数g t 具有质量流量的量 纲，因而它们是随网格几何尺寸的大小而发生变化。源项对网格中变量谚的贡 献是s 一郎弗，称为源项线性化公式，它有助于加速收敛。 在p h o e n i c s 程序中迭代方式主要有“逐面求解”、“整场求解”和“抛物 型求解”几种，分别使用于不同的问题。一般说来，不同的迭代方式求解的过 程和从最低面到最高面的扫描次数不同，只要循环次数取得合适，求解的精度 就没有什么不同。 3 3 边界条件和源项的处理 p h o e n c s 程序把边界条件处理成方程中某种类型的“源项”，并把源项 ( 边界条件) 表示成特定的形式，用“系数”( c ) 和“值”( v ) 表达。这样，对同 一个网格可能会有许多源，每个源都表示一种物理影响或边界条件。 如果存在好几个对方程中源项s 和口，有贡献的项，则这些项可以表示成和 的形式，即： s = s l + s 2 + 墨+ ( 3 - 4 ) 口p = 口p l + 口p 2 + 口p 3 + ( 3 - 5 ) 第1 8 页 当垄奎兰堡圭耋堡篁塞 这里墨和口，可能表示一个“真正”的源，如摩擦生热；s ：和口，：可能表 示某边界网格和边界外的相互作用；s ，和口，可能表示通过该网格另一个边界 的相互作