汽车空气动力学解析教程修订版

汽车空气动力学解析教程修订版第1页/共93页目录车辆空气动力学计算概论基于STAR-CCM+的车辆空气动力学解析过程解析用数据准备几何数据准备与导入Mesh生成物理模型与边界条件设定输出设定（Cd,Cl等）解析执行与结果评价方法第2页/共93页Ⅰ．车辆空气动力学计算概论车辆空气动力学计算中具有代表性的评价指标是：Cd值，Cl值及Cp值。Cd值，风阻系数Cl值，

升力系数Cp值，压力系数车辆周边流场，车辆底部空间（underbody）与车辆尾部的流场具有强非定常特性（图示中绿色区域）．RANS模型对漩涡运动的细节不能很好的捕捉．所以在对求解精度有高要求的时候，使用DES模型进行非定常计算是必要的．第3页/共93页Ⅰ．车辆空气动力学计算概论车身阻力系数含义说明：

第4页/共93页Ⅰ．车辆空气动力学计算概论压力系数含义说明：

第5页/共93页Ⅰ．车辆空气动力学计算概论Cd值，定常计算也可以获得较好的精度．虽然车辆尾部的流场是非定常的，但使用定常计算也可获得5%的精度一般，在调整解析参数前，结果可能偏高影响Cd值的因素车辆前方的压力分布车辆的来流速度分布（profile）车辆后方的压力分布车辆上方产生的流动分离，对尾部流场的影响汽车底部的流体产生的分离，对尾部流场的影响流经两侧的流场情况，对尾部流场的影响后视镜与车轮等引起的扰动，对尾部流场的影响风洞数据存在的误差相关的讨论

车辆尾部的流场是变化的，车辆前后的压差也是变化的，通过underbody的风量是变化的，需要关注的是，①车辆上方的流场，②车辆侧方及后视镜与车轮附近的流场，③underbody附近的流场。第6页/共93页Ⅰ．车辆空气动力学计算概论Cl值，适于用非定常计算来评价．影响Cl的因素：车辆上方的压力分布车辆上方的流场分布车辆下方的压力分布underbody附近的流场分布underbody的形状一般比较复杂，流动较乱，漩涡比较多通过underbody的风量，对尾部流场影响很大第7页/共93页Ⅰ．车辆空气动力学计算概论影响车辆空气动力学计算的其他因素解析的边界条件与试验条件一致性风洞条件OpencrosssectionBlockagecorrectionfactor（=车辆投影面积/风洞入口面积） 如果该比值小于3%，这样可以不考虑风洞的影响。但通常真实试验情况下，该值达到10%的程度。若在解析中不考虑风洞的影响，则需要注意解析与试验结果的差异．地面条件地面是否移动车辆形状门把手，侧窗上面的细节可能产生流动分离。所以必须考虑试验模型与CFD模型在几何上的差别有多大。第8页/共93页Ⅰ．车辆空气动力学计算概论计算需要获得的典型结果及评价办法Cd值，Cl值，Cp值Wake(TotalPressureCoef.=0的等值面）分离位置的显示流速分布压力分布TransientVmagAveragedVmagAverageCpTransientMultiSection第9页/共93页目录车辆空气动力学计算概论基于STAR-CCM+的车辆空气动力学解析过程0.几何数据准备1.读入几何数据2.几何模型准备3.面网格生成（SurfaceWrapper）4.面网格生成（SurfaceRemesher）5.体网格生成6.解析设定7.求解8.后处理第10页/共93页0.几何数据准备风洞条件风洞形状边界条件（流速，压力，地面）车辆形状数据风洞试验时是否使用全尺寸，全细节模型是否有对CAD数据的简化试验模型的情况（对车门等处间隙的处理有无）风洞试验结果Cd值Cl值Cp值是否有油流或PIV试验的可视化数据等第11页/共93页从CAD部件输出面网格，如STL。部分几何需要简化。数据分类将CAD数据大致分为以下几类：车身上表面格栅车轮车身下表面影响气流分离的一些其它几何部件（如支柱、扰流板、后视镜等）在CAD里完成分类后，在STAR-CCM+里处理起来会省下不少工作量。使用STAR-CCM+读入各STL数据。第12页/共93页单击[File]>[NewSimulation]。[CreateaNewSimulation]对话框出现。选择单线程[Serial]。单击[OK]。1Tips!需要并行处理时，选择[Parallel]。2341.读入几何数据第13页/共93页①-②单击[File]>[ImportSurface]。出现[打开]对话框。④-⑤选择文件[star.dbs]，点击

[打开]。出现[CreateNewRegion]对话框。点击[OK]。2134567第14页/共93页几何视图显示透明几何视图显示第15页/共93页2.几何模型准备重命名读入的几何数据读入的CAD几何数据（以STL格式为例），文件会自动命名为类似“pro2stl”的Boundaries，将它们分别进行重命名。将每个Boundary重命名为便于识别的名称。第16页/共93页边界分割将读入的几何数据进行更详细的边界分割，分割的目的在于方便将来为不同的边界定义不同的网格尺寸、边界层参数、防接触设定、边界条件等。第17页/共93页利用patch分割边界读入数据时，每个文件都有不同的patch编号。第18页/共93页手动分割选择单元（按住Ctrl复选其它单元）第19页/共93页1选择面拓展方式45SharpAngles指定面拓展的打断方式23手动分割第20页/共93页肉眼观察通过肉眼观察读入的几何表面，找到诸如格栅部件、雨刷安装孔、管路开口等一些比较明显的未封闭计算域边界，准备进行修补工作。第21页/共93页使用间隔在25～50mm间的截面来检查创建2维截面大孔，有间隙的地方格栅部件发动机底部车门等部件间较大的间隙第22页/共93页截面生成第23页/共93页截面显示第24页/共93页改变截面位置值在0.025～0.05之间变化第25页/共93页封闭较大的洞和间隙由于采用包面（SurfaceWrapper）技术，较小的洞并不需要都封闭。注意：下面以缝补轮毂上的洞为例来讲解补洞操作，实际模型中轮毂上的洞可能并不需要封闭。第26页/共93页使用特征线来封闭洞的方法生成特征线第27页/共93页使用特征线来封闭洞的方法删除多余的特征线2删除多余的特征线第28页/共93页使用特征线来封闭洞的方法封闭洞第29页/共93页使用特征线来封闭洞的方法合并边界删除特征线第30页/共93页使用修补工具修补洞诊断第31页/共93页使用修补工具自由边修补洞选择含有洞的边界1关闭显示2选择边界34第32页/共93页使用修补工具自由边修补洞选择自由边3用鼠标选择4选择自由边单击右键第33页/共93页使用修补工具自由边修补洞封闭洞第34页/共93页使用修补工具采用鼠标填补方法用鼠标选择第35页/共93页此例中，采用鼠标填补方法的修补工具，封闭格栅部件、发动机底部及车头底部的漏洞和缝隙。封闭格栅漏洞封闭发动机底部漏洞第36页/共93页3.面网格生成（SurfaceWrapper）使用star-ccm+的包面（SurfaceWrapper）功能，可以快速地修复几何数据的表面干涉、重叠、搭接、错配、漏洞、缝隙等错误，得到一套封闭的汽车外形表面，用于外流模拟。第37页/共93页网格模型的设定选择SurfaceWrapper网格模型。第38页/共93页网格模型的设定将Region1的包面方式选为最大外表面。第39页/共93页网格尺寸的设定设定Mesh:Region1的网格尺寸。第40页/共93页漏洞检测工具的使用在包面操作开始前，虽然几何表面经过了检查和修补，可能还存在一些比较大的洞和缝隙，用之前的方法没有发现，还可以使用漏洞检测工具进行更加详细地检测。第41页/共93页漏洞检测工具的使用这里通过检测乘员舱内外的连通性来演示漏洞检测工具的用法。首先，将SourcePoint的位置拖动到乘员舱内部；然后，将TargetPoint1的位置拖动到车体外部。第42页/共93页漏洞检测工具的使用定义完SourcePoint和TargetPoint1的位置后，点击RecomputeTemplate+Paths，可以在输出窗口看到显示信息。检测进程完成后，在输出窗口中显示如下内容，说明在乘员舱内外部之间存在一条连接通路，也就说明了汽车外形内外两侧之间有漏洞。黄色线表示漏洞通过的路径第43页/共93页漏洞检测工具的使用将工具栏切换到RepairSurface，采用鼠标填补方法，修补黄线通过的这个缝隙。修补完成后，点击RecomputePaths，重新计算，知道输出窗口显示如下内容，说明无法在汽车内外部之间找到一条连接通路，也就说明了汽车外形是个封闭的空间。第44页/共93页ContactPrevention（防接触）设定包面操作时，可能会将原本互相分离的部件部分粘贴在一起，为了防止这种现象发生，需要设定各个部件之间的防接触。无防接触，车身部件和排气管粘贴在一起有防接触车身部件排气管第45页/共93页ContactPrevention（防接触）设定设定各部件之间为8mm的防接触。意味着当两个部件的间距大于8mm时，包面时会将两个部件严格区分开来不会粘贴在一起。第46页/共93页执行包面点击GenerateSurfaceMesh按钮，对Region1进行包面。检查结果包面完成后，通过透明显示、截面等方式检查结果，确保得到的结果是一个封闭的汽车外形表面。第47页/共93页检查结果检查Representations节点下新生成的WrappedSurface表面，确保除了“PoorQualityFaces”和“CloseProximityFaces”两项外别的都为0。第48页/共93页删除Import的几何数据将Representations节点下的Import表面删除掉，以完成了对Region1区域包面的结果作为下面操作的开始。第49页/共93页生成计算域外部空间SlipWallNo-SlipWall略高于轮胎底面第50页/共93页生成计算域外部空间分类、合并新生成的面删除不需要的面Boundary重命名0-Inlet0-SlipGround0-NoSlipGround0-Pressure0-Wall删除中间2个不需要的面把中间的FreeEdge缝合上第51页/共93页处理地面和轮胎的相交做出地面和轮胎的交线删除不需要的面做出交线删除不需要的面轮胎与地面交接处第52页/共93页网格模型的设定修改网格模型，反选SurfaceWrapper模型，选中SurfaceRemesher模型4.面网格生成（SurfaceRemesher）第53页/共93页网格尺寸的设定主流体区域因为包含大小相差很悬殊的面，所以需要重新设定网格尺寸将主流体区域网格模型里的BaseSize改为0.1m第54页/共93页网格尺寸的设定对每个Boundary设定合适的网格尺寸打开CustomSurfaceSize，设定合适的RelativeMinimumSize和RelativeTargetSizeBoundariesRelativeMinimumSizeRelativeTargetSize1-Exterior_Surface25%60%1-Tires15%30%2-Interior_Surface25%60%2-New_Patches25%60%2-Underpanels25%60%计算域外部空间面25%1000%第55页/共93页第56页/共93页面网格修复删除掉Representations节点下的WrappedSurface子节点，只保留RemeshedSurface。第57页/共93页面网格修复检查面网格错误第58页/共93页面网格修复手工修复这18个错误表面，或者直接点击下面的AutoRepair自动修复。第59页/共93页网格模型的设定修改网格模型，反选SurfaceRemesher模型，选中Trimmer模型和PrismLayerMesher模型5.体网格生成第60页/共93页网格模型的设定调整边界层的设定方式第61页/共93页网格尺寸的设定网格尺寸第62页/共93页网格尺寸的设定关闭0-inlet、0-outlet、0-top和0-side四个面上的边界层网格生成。第63页/共93页体积网格密度的生成第64页/共93页体积网格密度的生成实际计算时，还应该在汽车尾迹区以及流动分离的区域如后视镜后侧等设置体积网格密度，分别加密这些区域。此例鉴于方法讲解，就不加密生成过多数目的网格了。第65页/共93页体积网格密度的设定设定体积网格密度的加密尺寸。第66页/共93页体网格生成第67页/共93页物理模型的设定Space 3维Motion

静止

Time

定常Material 气体Flow 分离解算器EquationofState定常密度ViscousRegime 湍流Reynolds-AveragedTurbulence k-Omega湍流模型（推荐）其它选项网格质量改善6.解析设定第68页/共93页物性参数和初始值的设定初始速度设定物性参数设定第69页/共93页速度入口设定第70页/共93页圧力出口设定第71页/共93页滑移壁面设定相同设定第72页/共93页投影面积第73页/共93页投影面积第74页/共93页Cd第75页/共93页Cl第76页/共93页设定Cd、Cl的Monitor和Plot第77页/共93页FieldFunction设定Cp第78页/共93页7.求解设定最大计算步数或其它计算终止判据第79页/共93页为了计算的稳定性，删除部分质量比较差的单元。第80页/共93页创建显示结果的Scene压力云图Cp云图