楔形新车型车体的气动特性仿真

楔形新车型车体的气动特性仿真

0几种弧形车为了提高车辆行驶的安全性、舒适度、油耗经济性、操纵方便、外观美观，湖南大学的钟志华等人介绍了2004年使用的第一种变形车辆。该车轮系按照菱形布置,前后各一个驱动轮,车中部为两个从动轮,这种结构为车体流线型的设计、整车气动特性的提高提供了良好的基础。1模型网格质量图1为新概念车的外形效果图,其外形尺寸(长×宽×高)为4655mm×1876mm×1260mm,正投影面面积为1.705m2。本文计算区域是一个长方体。长方体长为车长的8倍,高为车高的6倍,宽为车宽的6倍,计算模型在长度方向处于第三个车长位置。计算域中生成的网格质量的好坏直接影响模拟结果的精度和所耗用的CPU时间,在计算敏感区(壁面附近、尾流区、外型曲率大的表面处)参数变化梯度大,如果网格太稀,则不能捕捉到流场的重要信息,结果误差大,甚至解不收敛,故需取较密网格;在非计算敏感处参数变化梯度较小,若网格太密,则所耗用的CPU时间增加,故应取较稀网格。综上所述,本文采用Delaunay三角形方法在整个计算流域面生成半结构化网格,计算区域网格单元总数为256万个体积单元。2新车流场价值的模拟2.1流场模拟方程汽车外流场为等温、不可压缩的湍流流动,本文选用Yakhot等的新版RNGk-ε湍流方程,其特点是采用一种双向展开(doubleexpansion)的技术对ε方程进行展开,在ε的模化输运方程中,它与Yakhot等修正版的RNGk-ε湍流方程的区别是,在ε方程源项中的系数Cε1中加入了一个附加产生项。该产生项主要是考虑流动中的不平衡应变率而加入的,它对于具有大应变率的流动以及具有强曲率影响和壁面约束的湍流分离流动都具有重要作用。流场的连续方程为流量动量控制方程为∂u¯i∂t+u¯j∂u¯i∂xj=−∂p¯∂xi+∂∂xj[(υ+υT)(∂u¯i∂xj+∂u¯j∂xi)]∂u¯i∂t+u¯j∂u¯i∂xj=-∂p¯∂xi+∂∂xj[(υ+υΤ)(∂u¯i∂xj+∂u¯j∂xi)]式中,υT为涡粘性系数,υT=Cμk2/ε;u¯u¯i为平均速度;p¯p¯为平均压力;υ为运动粘度;k为湍动能,k=u¯iu¯i/2k=u¯iu¯i/2;ε为耗散率,ε=υ∂u¯i∂xj∂u¯i∂xjε=υ∂u¯i∂xj∂u¯i∂xj。k、ε的模化方程如下:式中,Gk为湍动能产生项,Gk=2υTS¯¯ijS¯¯ijGk=2υΤS¯ijS¯ij;Sij为平均应变率张量,Sij=(∂u¯i/∂xj+∂u¯j/∂xi)/2Sij=(∂u¯i/∂xj+∂u¯j/∂xi)/2。上述方程中的常数如下:Cμ=0.085,Cε2=1.68,σk=0.7179,σε=0.7179,Cε1=1.42−η(1−η/η0)(1+βη3),η=Sk/ε,S=(2S¯¯ijS¯¯ij)1/2,η0=4.38,}0.015Cμ=0.085,Cε2=1.68,σk=0.7179,σε=0.7179,Cε1=1.42-η(1-η/η0)(1+βη3),η=Sk/ε,S=(2S¯ijS¯ij)1/2,η0=4.38,}0.015。2.2新用车绕流的仿真计算本文采用RNGk-ε模型结合壁函数近壁处理方法对新概念车的绕流进行仿真计算。壁函数法(wallfunction)就是用一组半经验的公式将壁面上的物理量与湍流核心区内待求的未知量直接联系起来的方法。2.2.1壁面参数计算按照文献的推荐:用y+=11.63作为粘性底层与对数律层的分界点,即y+<11.63时流动处于粘性底层,u+按下式计算:式中,u为流体的时均速度;uτ为壁面摩擦速度,uτ=(τw/ρ)1/2;ρ为空气密度,ρ=1.225kg/m3;Δy为边界层内任意一点到壁面的距离;τw为壁面切应力。y+>11.63时对应对数律层,u+按下式计算:u+=1κln(Ey+)y+=ΔyP(C1/4μk1/2P)/μτw=ρC1/4μk1/2PuP/u+u+=1κln(Ey+)y+=ΔyΡ(Cμ1/4kΡ1/2)/μτw=ρCμ1/4kΡ1/2uΡ/u+式中,uP为壁面上网格第一个节点的速度;yP为节点距壁面的距离;kP为节点P上的湍动能;μ为流体的动力粘度,常温下μ=18.318×10-6Pa·s;κ为卡门常数,κ=0.4;E为常数,E=9.8。2.2.2局部平衡假设在壁面上,湍动能κ的边界条件为∂k/∂n=0(n为垂直于壁面的局部坐标),在与壁面相邻的控制体积内,构成k方程源项的湍动能产生项Gk及耗散率ε按局部平衡假定来计算,即在与壁面相邻的控制体积内Gk和ε都相等。与壁面相邻的控制体积上的湍动能产生项Gk为Gk=τwτwκρC1/4μk1/2PΔyPGk=τwτwκρCμ1/4kΡ1/2ΔyΡ与壁面相邻的控制体积上的耗散率ε为2.3试验结果与模型仿真计算为了保证计算和试验的一致性,本文以车身为参考系,除了在计算域的进口设置来流速度外,将地面设置为与汽车速度大小相等、方向相反的边界速度。由于轮胎与前后车轴之间有相对旋转速度,所以在轮胎表面边界条件的设置中赋予和实际情况相同的轮胎表面速度。为了验证本文的数值计算精度,我们将相同条件下的风洞试验结果与计算结果进行了对比。汽车试验模型缩尺比例为1∶5,为了保证数值计算结果和试验结果的可对比性,汽车的计算模型和模型风洞试验模型的比例为1∶1。对基本控制方程采用有限体积法来进行离散求解,采用Delaunay三角形方法在整个计算流域面生成半结构化网格,用以提高边界层的计算精度,用二阶中心差分离散格式来提高仿真数值精度;采用非结构网格的Simple算法来求解不可压流场的压力(即速度耦合方程)而获得流场的迭代解。图2～图5为新概念车计算模型的数值网格图。模型风洞试验和数值仿真时,对模型进行了适当的简化,忽略了后视镜、雨刮器、门把手等表面附件的影响。2.4计算域和出口边界汽车的外流场是定常和不可压缩的,因此方程中的时间变化项为零。边界条件作如下设定:计算域入口处水平来流速度设定为30m/s,其余两个方向的速度(即横向速度和竖直方向的速度)设定为0;计算域上壁面和侧壁面边界设为自由滑动壁面;计算域下壁面(即地面)设定为移动壁面边界,移动速度与来流速度相同;汽车模型壁面边界满足固壁无滑移条件;出口边界为给定压力边界条件,相对于远方来流处的压力为零;赋予与实际物理环境等同的车轮转速边界条件(在风洞试验中,如果要做到使车轮旋转,将会使试验模型的结构异常复杂,而车轮旋转对试验结果的影响很小,可以忽略不计,因此模型风洞试验并未考虑车轮旋转这一因素)。2.5计算表1所示为新概念车的阻力系数、升力系数的数值模拟值和风洞试验值的对比。3新相车气动性能未受限制计算结果如图6～图10所示。(1)通过对数值计算结果和风洞试验结果的对比可知,阻力系数和升力系数的计算值与风洞试验结果的相对误差小于5%,因此本文应用Yakhot等的新版RNGk-ε湍流方程来对新概念车进行外流场的数值仿真计算,其计算结果的精度较高。(2)从表面压力分布图(图6)可以看出,由于新概念车良好的流线型设计,其对称面上的压力系数曲线比较平稳,因此车身表面气流分离少,相应的气动噪声小;同时,车头和车尾的压差较小,其气动阻力也就小(阻力系数为0.278)。(3)纵对称面的等压线(图7)说明,在前部正压区和尾部负压区,等压线稀疏则压强梯度降低,压强梯度降低意味着涡旋区域湍流强度减小,从而能量损失降低,气动阻力系数减小。(4)新概念车尾部对称面流线图(图8)中,由于新概念车模型尾部气流流线平顺地沿车后箱流向地面,没有形成较明显的涡流,能够避免尾部的泥土上扬现象,同时新概念车在尾部的湍流损失比较小,相应风阻系数也会减小。(5)图9、图10说明,新概念车尾部只有一对涡旋,其原因是因为新概念车优良的气动造型弱化了汽车侧面与车顶部来流汇聚成旋涡的能力,同时尾部中间的车轮对车底部气流上行也起到了阻碍作用,直到侧面来流与车身底部来流交汇之后才形成