基于Ansys的汽车空气动力学特性分析.pdf

1 1 4 李毓洲等 基于 A n s y s 的汽车空气动力学特性分析 第 2期 压到可压缩 ， 从无粘性到有粘性的几乎所有的流动现象 。将利 用 A N S Y S中的 C F D来研究汽车空气动力学特性 。 2汽车车身几何模型建立 车身几何模型建立的软件采用的 U G， U G软件能为用户提 供一个全面的产品建模系统。 其将优越的参数化和变量化技术与 传统的实体、 线框和表面功能结合在一起， 以 P a r a s o l i d几何造型 核心为基础， 并采用基于约束的特征建模和传统的几何建模为一 体的复合建模技术。 利用 U G建立车身几何模型。在建模过程中 采用 G a u s s 曲率作为车身曲面光顺性的评价指标， 将车身表面上 各点的G a u s s 非负曲率值作为曲面光顺的评价依据， 并能以彩色 云图方式显示车身表面多点的G a u s s 曲率值 ， 若整张曲面的颜色 比较一致， 则曲面的曲率变化较为连续， 光顺性较好， 否则需要对 曲面进行修改。由于曲面是在曲线的基础上生成的， 所以可以通 过调节曲线来使曲面达到光顺 。同时基于工业设计及美学的考 虑， 汽车表面在多数情况下需要满足光顺的特性要求， 即避免在 光滑表面上出现突然的凸起、 凹陷等“ 缺陷” 。把这种有特定要求 和用途的产品表面定义为 级表面。所以在模型建立后要检查 生成的曲面是否符合 级表面的特性 ， 检查方法如下 1 检查 单个曲线曲面 G 。 无 、 G 相切 、 G 曲率 连续性， 用 S p l i n e曲线 分析和 B s u r f a c e曲面分析； 2 检查曲线曲面连接的连续性， 用 曲线分析， 和曲面分析； 3 检查两曲面间连接情况， 用偏离分析； 4 检查、 保证曲面的一致外凸形 ， 用曲面分析中的高斯等值线 法。此外在车身几何模型建立时需注意如下问题 1 镜像处理。 由于汽车是左右对称的， 故建模时只需构造其左 或右 半部分， 然后再作镜像复制， 但要注意， 在构造特征线时， 应使其在与对称 面的交点处与对称面垂直。 2 模型的完整性和无重合性。 为了方 便以后的流动数值模拟计算中的网格划分， 几何模型必须保证完 蛰 和无重合性， 即模型中既不能有断开的地方， 又不能有重合 的地方。 3 模型的近似处理。 在建模过程中对一些细微部分作 了 近似处理 ， 省略了后视镜等一些凸起部分， 车身底部也近似处理 成为一个平面。 选择了某汽车作为参考车型， 通过“ 反求” 并在 U G 的环境中建立其几何模型 ， 并对曲面造型的曲线的光顺性及整车 的曲面造型的光顺性进行检查 ， 几何模型， 如图 1 所示。 图 I车身几何模型 3 数值模拟与仿真的物理模型 轿车绕流问题一般为定常、 等温、 不可压缩的三维流场 ， 由于 复杂外形会引起气流的分离， 应按湍流处理。采用标准 ， c s 模型 来模拟， 其控制方程的一般形式为 d i v p 一 ‘ g r 。 g 1 式中 ， ， q 取不同的值时， 表示不同的方程。 汽车外流场时间控制方程如下其中i ,j l ， 2 ， 3 ， x 2 y ， 平均连续方程 0 ． 平均动量方程 p 6 u - 6u 一 器 嘉 筹 萋 脉动运动方程 U i 方 程 P 6 k 十 p 6 k 砉 r，u i 6 k ， 』lI G ． p s 2 3 4 5 s方程 p 6 t p u j j 6 ＼ u 1 G e,G } G 8 2 6 其 中 ，G I-*i6 h L_ 6 h l 式中 t x o 一流体动力粘性系数 一涡粘性系数； 它是鲍辛涅斯提出 来的， 主要取决于流 盅 流特性， 是济 场空间位置的函数。满足 p u u j f } 7 1 U 1 U伍L| 式中 一 由对动量方程平均化后得到的雷诺应力项 。 涡粘性系数 用 k和 表示 ， 根据量纲分析可得 p 对于“ 标准” 的 K s 模型 ， 其常数值为 O “ k 1 ． 0， 1 ． 3， 1 ． 4 4， 1 ． 9 2， 0． 0 9 标准 ， c 叶 模型相对 于其他模型来说具有简单易懂， 适用范围 广的优点。 但对了它自身来说还存在一些缺点 1 标准 模式 假定雷诺应力和当时当地的平均切变率成正比， 所以它不能准确 反映雷诺应力沿流向的历史效应； 2 标准 模式是各向同性 的， 不能反映雷诺应力的各项异性， 尤其是近壁湍流， 雷诺应力具 有明显的各向异性， 例如方管中的二次流是由于雷诺正应力之差 产生的， 标准 模式不能正确表达雷诺正应力， 因此不能预测 到方管湍流的二次流； 3 标准 ， c s模式计算量比较大， 但是随着 计算机技术的发展是可以克服的[ 】o l 。 4 模拟仿真结果 4 ． 1 三维流场纵向中心对称截面速度矢量分布图 流场在汽车纵向截面处的速度分布图， 如图2 、 图3 所示。描 述了空气绕汽车外部流过时的部分特征。 图 2汽车纵向中心对称截面速度矢量分布图 图 3汽车纵 向中心对称截面尾部速度矢量图 NO ． 2 F e b ． 2 0 1 0 机 械 设 计 与 制 造 1 1 5 通过图2可以发现在汽车的外表面上都有明显的气流附着 层， 该层是因为气流流经汽车外表面时， 因为空气的粘性， 使气流速 度急下降， 甚至出现气流的止滞。同时气流在该车的发动机罩和前 挡风玻璃之间及后挡风玻璃和行李厢之间并未出现旋涡和分离、 再 附着的现象， 基本上呈贴着车身平滑的流动。但是在发动机罩中部 及车顶部都出现了气流的轻微分离、 再附着的现象。这说明车身设 计在这部分需要改进， 发动机罩前缘过 F f 顷 祭 } ， 车顶的曲率过大。 另外 ， 在 车的尾部出现一段死水区 ， 如图 2 ， 图 3 所示 。在这 里的气流流动是非常复杂的 ， 存在着大尺寸的涡。距离车尾 一定 距离上， 气流出现倒流现象 ， 从这个位置开始， 随着距离的增大， 速度损耗越来越小， 直到距离汽车很远处速度才接近来流速度。 分析在此区出现倒流的原因是流体流经汽车尾部末端处， 突然失去了限制， 进入了自由边界层， 这些流体与汽车尾部的死 水区之间形成了剪切层而被卷吸。由于汽车流场的雷诺数很大， 再加上剪切层附近的混合作用， 将死水区内的流体卷吸到主流中 去 ， 于是在汽车尾部形成大尺度 的漩涡。也正是因为这个漩涡 的 存在， 对汽车产生很大的空气阻力， 因此它大大地影响了汽车动 力性， 并且随着车速的提高， 这种影响成倍增加。 4 ． 2纵 向中心对称面压力分布 图 除前脸部分， 发动机罩和前风窗交界处出现正压外， 其余部 分均为负压， 如图 4 所示。出现负值较大的地方是汽车后窗和汽 车尾部 ， 而车身顶部出现变化平缓的负压。 图 4纵 向中心对称面压力分布图 汽车上的气动力与汽车周围所受的压力分布直接相关， 并且 压力分布又与汽车的流谱有紧密的关系。汽车行使时， 前方来流 首先遇到车身前部， 由于气流受阻， 速度大大降低， 气流的动压转 变为静压， 在车头前部形成一个正压区， 如图 5 、 图 6 所示。这股 气流分成两部分， 一部分向上， 通过发动机罩 、 前挡风玻璃 、 驾驶 室顶然后向后流去； 另一部分向下， 通过车身下部， 然后向车尾流 去。流向上方的这部分气流在流经车头上缘时， 由于缘角的半径 较小， 气流往往来不及转折 ， 而出现局部分离 ， 又由于流速比较 大， 在上缘角附近形成吸力峰。 随后， 气流又重新附着在发动机罩 上 。 由于发动机罩有一定的斜度 ， 其上 的气流速度仍然较快 ， 因而 力仍为负值， 所以在发动机罩前部形成一个负压区。当气流到 达发动机罩和前挡风玻璃交界处时 ， 由于挡风玻璃的存在 ， 气流 速度降低， 同时由于凹角的存在， 在凹角处形成一个滞区， 在滞区 中又有内部涡流的存在 ， 该区具有正压力。在气流到达挡风玻璃 上缘时， 又遇到一个转角， 因而在车顶前缘附近又出现一个吸力 峰。 由于车顶车身外形鼓起， 流经他的气流速度低， 因而负压有所 减小。 后窗处由于顶部的气流未受到任何的阻碍， 流速较大， 又受 尾部吸力峰的影响， 压力减小 ， 彤成负压区。车身尾部的压力情 况， 因为漩涡的存在， 形成负压区。 由模拟仿真的结果可知， 在模拟中， 流体平滑地通过了车身 表面 汽车尾部外除 ， 并没有产生很显明的流体分离现象。从压 力场可 以看出， 在发动机前罩的拐角处和车顶的前缘 ， 后缘并没有 产生很大的负压力， 这说H 月 i 亥 车身的设计在发动机前罩与汽车前 窗的边缘处和车顶与汽车前， 后窗的边缘处过渡都比较平滑。 因此 ． 良好的设计发动机前罩与汽车前窗的过渡边缘和车顶与汽车前 ， 后窗 的过渡边缘 ， 可以尽 呵能 的减小这些部位的负压 ， 使流体 比 较平滑的流过车身， 使汽车具有良好的空气动力特性。 而在汽车尾部， 此车还是出现大尺度的涡旋， 产生了巨大的负 压 ， 它还引起了能量的极大消耗 ， 是产生空气阻力的主要因素 。因 此， 在汽车设计时应该尽可能的减小此处涡旋的规摸， 如在尾部， 应 该尽量减少锋锐菱角的过渡， 应该使汽车尾厢平缓的过渡或使用圆 滑的曲面代替菱角。这样有助于减小涡旋的规模， 使空气阻力 、 。 图 5汽车尾部压力分布图 图 6汽车尾部压力分布图 5 结论 汽车的空气动力学特性直接影响着汽车的经济性、 动力性和 稳定性。在利用反求法建立车身模型的基础上，在 A N S Y S ／ C F D 有限元仿真环境中对所建立的模型进行了数值模拟计算并得出 相关的仿真结果， 为优化汽车车型及改善汽车空气动力学特性的 进～步研究提供了参考 。 参考文献 1 沈俊 ， 傅立敏 ， 范士杰． C F D在汽车空气动力学设 汁中的应用． 汽车技术， 2 0 0 0 5 1 4 2赛伯一 里尔斯基，汽车空气动力学， 杨尊正 ，邹仲贤译． 人民交通 出版社， l 9 8 4 2 O 一 8 0 3傅立敏 汽车空气动力学． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 8 3 0 - 7 0 4 傅立敏 汽车空气动力 学数值汁算 ． 北京 北京理工大学出版社， 2 0 0 1 2 5 --6 5 5杜子学． 微型面包车气动特性研究及气动造型优化设 汁方法探讨 [ 博士学 位论文] ． 西安 西南交通大学 ， 2 0 0 0 6 朱 自强 ， 吴子牛 ， 李滓等． 应用计算流体力学． 北京 北京航空航天大学出版 社 ． 1 9 9 2 3 - 7 7 7 Ma t s Ra mn e f o r s ， Ri k a r d Be n s r y d ， El n a Ho h n b e r g ， e t c ， Ac c u r a c y o f Dr a g P r e d i c t i o n s O 13 C a r s Us i n g CF D E f f e c t o f Gr i d Re fin e me n t a n d Tu r b u l e n c e Mo d e l s ， S AE 96 0 68 1 ， 1 9 9 6 8 赵波， 龚勉， 浦维达． U G实用教程． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 2 2 4 - - 8 7