皮卡车尾流流场cfd模拟

皮卡车尾流流场cfd模拟

目前，皮卡车市场份额逐渐增加，但关于皮卡车外场的研究文献很少。中国的研究方向几乎是空的。这主要是因为皮卡车的驾驶室流场与尾箱流场相互作用,导致其尾流结构相当复杂。文献对某量产皮卡车的简化模型进行了试验研究,得到了车身外流场结构、车身表面压力、车身尾流的速度分布等详细数据。近年来计算流体力学(CFD)已广泛应用于汽车外流场的模拟研究,BipinLokhande等人就上述试验模型进行了瞬态模拟研究,证实了瞬态模拟可以较真实地捕捉试验中的压力场、速度场等。相关的稳态模拟表明稳态模拟方法是可行的,但将CFD用于皮卡车的研究国内鲜有文献介绍。作者采用CFD对皮卡车的流场特性进行了稳态模拟研究,通过与试验数据对比,证明了此数值模拟方案的可行性;并在此研究的基础上,对皮卡车的几种改型方案的气动特性进行了研究,最终证实了用CFD对皮卡车外流场模拟研究具有较高的精确度。1数值模拟计算1.1模型的一般性为了与试验结果进行对比,本文CFD模拟采用文献中试验模型的半车身模型。此试验模型与目前市场上皮卡车实车很接近,为1∶12的缩比模型,模型总长432mm,总宽152mm,总高148.8mm。模型简化了车身底部的细部结构、省略了后视镜等附属装置。这样,使此模型更具有皮卡车的普遍性。文中其他几种方案也是基于此模型进行的改型。1.2计算区域的选择本研究采用的计算域为车前3倍车长,车后6倍车长,上部4倍车高,侧部3倍车宽。1.3棱柱内拉伸有限元分析网格的划分对数值模拟结果有较大的影响。本研究采用四面体+六面体+三棱柱的混合网格方案,即在车身表面拉伸三棱柱,三棱柱外生成大约厚为30mm的四面体,四面体与计算域边界间生成六面体,这样,可兼顾三种网格方案的优点。并对车前1/2倍车长、车后1倍车长、上部1倍车高、侧部1/2倍车宽的区域进行网格局部细化。生成的半车身的总网格数约150万。1.4基于lud、工液模型的湍流模型本文采用大型流体商业软件STAR-CD进行模拟计算。在汽车外流场的模拟中,离散格式和湍流模型对模拟的精度影响较大。文献就离散格式进行了探讨,得出LUD、QUICK两格式的精度较高。通过两种方案的对比研究表明,虽然两种方案得到的阻力系数、升力系数值相差甚小,但对车身表面局部压力(比如货箱后挡板前后表面的压力波动曲线,详见下文)的捕捉上LUD格式更优,所以本文采用LUD格式。湍流模型对汽车外流场模拟精度的影响在文献中已有详细的比较论述,所以本文采用其推荐的RNGκ-ε模型,其中κ=0.01215,ε=0.004341。离散方程求解算法采用SMPISO算法。1.5边境条件为了与风洞试验值对比,边界条件设为:进口流速30m/s,出口为自由流,对称面为对称边界,其他为无滑移壁面边界。2结果和分析2.1压力分布(1)汽车表面的压力分布半车身表面压力分布图见图1,从图中可知皮卡车模型的基本外形及尺寸,坐标系的原点位于车身纵向对称面上前保险杠的最前端。(2)室上表面压力分布因皮卡车前部外形与轿车相似,所以其驾驶室上表面压力分布与轿车类似(见图2),即在车身前部存在滞点,压力系数值为0.95,试验得此处压力系数值为0.97。(3)对称面下表面压力分布对称面下表面压力分布图中有两个低压区(见图3),大约在前后车轮位置。其原因是车轮处气流通过截面变小,气流速度增大,导致此处压力下降。(4)尾立柱前表面压力随试验条件变化的特性尾挡板前后都存在压力波动(见图4),且尾挡板后表面压力大于前表面,尾挡板起推进作用,从而减小行驶阻力。从图中还可以看出采用QUICK离散格式时,尾挡板前表面压力无波动变化,与试验结果不符,所以此离散格式在本研究中不可取。从以上压力分布图可知,CFD模拟值与试验值较吻合,且CFD模拟能较好地捕捉压力波动的细微变化。2.2数值模拟验证CFD用于汽车外流场的模拟时,在验证其精确性时已认识到通过数值模拟获得的车身表面压力分布和阻力系数Cd与试验得到的结果吻合并不一定表明数值模拟是成功的,更重要的是要看数值模拟得到的流态结构与试验得到的流态结构是否吻合。下面将就流态结构展开讨论。(1)皮卡车流态分布线方面,主要是气流分离区共设图5,6分别为试验和CFD模拟所得纵向对称面流线分布。由两图的对比可知,CFD模拟所得流线与试验所得流线基本一致。由流态分布情况可知,皮卡车存在两个主要的气流分离区:一个位于驾驶室后方,并在货箱上方诱导出强大的回流区,产生顺时针方向涡流,且在紧贴驾驶室的后壁面产生强大的上洗流;另一个分离区位于尾挡板后方,且产生强烈的下洗流,阻止了车身尾部回流区的发展。数值模拟也准确地再现了货箱上方的涡流中心位置,它位于货箱前上部。(2)尾规则网口下x向速度cfd图7,8为尾挡板前后两剖面的x向速度与试验值对比图(剖面位置x=350mm,x=450mm),由图可知,CFD模拟与试验值较吻合。在x=350mm剖面,当z<50mm时x向速度值为负值,正好说明了上文中所述的货箱上方顺时针方向涡流的存在;由于驾驶室的阻塞作用,使得其上方流速高于平均流速,也即在z=130mm附近流速略大于1。在x=450mm剖面,当0<z<60mm时x向速度值接近于零值,说明滞点正好存在于货箱后方;因车身底部气流的作用,当z<0mm时,随着z值的减小,x向速度急速增加。图9为尾挡板后方x=450mm剖面的z向速度与试验值对比图,CFD模拟的曲线走向与试验值曲线吻合较好。速度值在z>-10mm时都为负值,说明货箱后方存在下洗流。(3)货箱方向对式涡流区图10,图11为距货箱底面15mm水平面流线分布。由图可知,CFD模拟结果与试验结果的流线分布十分相似,即在货箱后方有一对对称于纵向对称面的涡流区。且涡流区的汇合区、货箱侧面来流产生剪切层等情况也得到了很好的模拟。(4)试验结果分析图12,图13为x=500mm剖面x向y向的速度分布对比图。由图可知,数值模拟与试验所得的速度变化趋势基本一致,且速度大小基本相等。由以上压力分布、速度分布结果分析可知,CFD模拟不仅捕捉了车身表面细部压力分布情况,而且模拟所得流场结构、尾流流速分布也与试验值很接近,这就证实了所采用的CFD方案对皮卡车外流场的模拟是可信的。3混合模型的测试本文主要研究以下3种改型方案:将尾挡板分别作放平和取掉处理,以便研究尾挡板的推进作用,另研究将货箱覆盖1/2的情况(见图14)。在研究中,主要考虑结构变化后,阻力系数的变化趋势。为了保证改型方案与原方案具有可比性,改型方案模拟的计算域、网格划分方法、离散格式、湍流模型、边界条件等都与原方案相同。KevinR.Cooper在加拿大国家研究委员会(NRC)的9m×9m风洞中对当今北美市场上的五种主流皮卡车针对尾挡板关上、放平、取掉、覆盖货箱等情况进行了实车风洞试验的对比研究,考察其阻力系数变化规律。并取五种车型试验结果的平均值作为最终试验结果,其阻力系数变化与上述皮卡模型CFD模拟阻力系数变化的比较见表1。由表可知,几何改型后模型模拟与实车试验阻力系数有相同的变化趋势,且变化时的绝对值较接近。即将尾挡板打开放平或取掉尾挡板,阻力系数变大,使得行驶阻力增大,这与人们的惯常思维相矛盾(人们习惯上总认为尾挡板合上会产生阻力),所以我们正常行驶时应将尾挡板关上。这也正好验证了尾挡板的推进器作用。而将货箱覆盖时,阻力系数减小,也即行驶阻力减小。由数值模拟可知,经过几何改型后,驾驶室前部流场变化不大,但驾驶室后部压力变化较大。图15为几种改型方案在z=80mm水平面上、驾驶室后壁面的压力分布图,由图可知,货箱覆盖后此处压力增大,而放平、取掉尾挡板后,压力值减小。这也正好验证了文献关于驾驶室后壁面压力变化的假设,即放平、取掉尾挡板后,此处压力减小,阻力系数变大。4尾点涡流区的组成(1)CFD模拟能较好地捕捉车身表面压力分布及车身尾部流场分布,且典型剖面的尾流流速值与试验值较吻合。(2)皮