基于Ansys的汽车外形风洞试验有限元分析.doc

1、1基 于 Ansys 的 汽 车 外 形 风 洞 试 验 有 限 元 分 析【 摘 要 】 汽 车 空 气 动 力 学 特 性 对 汽 车 经 济 性 、 驾 驶 安 全 性 、 侧 风 稳 定 性等 有 着 较 大 的 影 响 。 通 过 在 catia 中 建 立 车 身 几 何 造 型 ， 基 于 ANSYS 的CFD 的 有 限 元 仿 真 环 境 对 车 身 的 空 气 动 力 动 力 学 特 性 进 行 了 数 值 模 拟 仿 真研 究 ， 得 出 该 车 体 的 速 度 矢 量 图 ， 压 力 分 布 图 等 ， 并 根 据 模 拟 仿 真 的 气 动 造型 提 出 一 些 建

2、议 ， 为 优 化 汽 车 车 型 及 改 善 汽 车 空 气 动 力 学 特 性 提 供 参 考 。1 前 言汽 车 空 气 动 力 学 特 性 是 汽 车 的 重 要 性 能 ， 它 是 指 汽 车 在 流 场 中 受 到 的 以阻 力 为 主 的 包 括 升 力 、 侧 向 力 的 三 个 气 动 力 及 其 相 应 的 力 矩 的 作 用 而 产 生 的车 身 外 部 和 内 部 的 气 流 特 性 、 侧 风 稳 定 性 、 气 动 噪 声 特 性 、 驾 驶 室 内 通 风 、空 气 调 节 等 特 性 。 随 着 汽 车 技 术 的 提 高 和 高 等 级 公 路 的 发 展 ，

3、 汽 车 速 度 的 不断 提 高 以 及 汽 车 在 行 驶 时 与 空 气 相 互 作 用 的 各 种 气 动 力 也 越 来 越 显 著 ， 在 很大 程 度 上 影 响 着 的 汽 车 的 经 济 性 、 动 力 性 和 稳 定 性 。 迄 今 为 止 ， 国 内 外 汽 车空 气 动 力 学 的 研 究 一 般 采 取 试 验 法 、 试 验 与 理 论 相 结 合 法 及 数 值 模 拟 仿 真 研究 法 。 试 验 法 主 要 是 指 风 洞 试 验 ， 目 的 是 为 得 到 准 确 反 映 汽 车 行 驶 状 态 时 的空 气 动 力 学 特 性 数 据 ， 其 研 究 对

4、象 主 要 有 汽 车 空 气 动 力 特 性 和 汽 车 各 部 位 的流 场 。 风 洞 试 验 的 结 果 精 度 高 、 可 靠 性 好 ， 对 研 究 外 部 气 流 干 扰 件 的 气 动 作用 大 小 比 较 有 效 ， 但 风 洞 试 验 成 本 高 、 周 期 长 、 需 要 制 作 一 系 列 的 油 泥 模 型等 局 限 性 ， 这 些 局 限 性 大 大 阻 碍 了 其 在 汽 车 设 计 的 应 用 ， 并 且 风 洞 试 验 只 能在 有 限 个 截 面 和 其 上 有 限 个 点 处 测 得 速 度 、 压 力 和 温 度 值 ， 不 能 获 得 整 个 流场 中

5、 任 意 点 的 详 细 信 息 。 此 外 风 洞 试 验 要 精 确 研 究 某 些 复 杂 的 流 动 现 象 ， 如层 流 向 湍 流 的 转 变 、 拖 曳 涡 的 形 成 和 发 展 、 尾 部 涡 系 结 构 等 ， 其 测 量 截 面 的选 取 在 很 大 程 度 上 主 要 依 靠 经 验 ， 这 样 使 得 精 确 研 究 这 些 复 杂 流 动 和 机 理 变得 非 常 困 难 。 而 在 模 型 风 洞 试 中 ， 还 存 在 着 动 力 相 似 和 几 何 相 似 的 影 响 、 试验 结 果 与 实 车 的 换 算 问 题 ， 要 得 到 准 确 的 结 果 还 有

6、 一 定 的 难 度 。数 值 模 拟 仿 真 是 借 助 于 计 算 机 将 用 CFD应 用 于 汽 车 空 气 动 力 学 研 究 的 方法 ， 其 是 在 计 算 机 上 模 拟 吹 风 ， 运 用 数 值 分 析 的 方 法 计 算 模 拟 汽 车 的 空 气 动力 学 问 题 ， 与 风 洞 试 验 相 比 ， 其 有 利 于 CAD/CAM系 统 的 相 衔 接 ； 不 受 风 洞试 验 那 样 的 条 件 限 制 ； 可 以 获 得 比 通 常 风 洞 试 验 更 多 的 信 息 ； 有 利 于 节 省 开发 时 间 和 高 昂 的 成 本 。 实 践 证 明 ， CFD可 以

7、 分 析 从 定 常 到 不 定 常 ， 从 层 流 到2湍 流 ， 从 不 可 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 ANSYS中 的 CFD来 研 究 汽 车 空 气 动 力 学 特 性 。2 汽 车 车 身 几 何 模 型 建 立（ 1） 车 身 几 何 模 型 建 立 的 软 件 采 用 的 Catia， Catia 软 件 能 为 用 户 提供 一 个 全 面 的 产 品 建 模 系 统 。 模 型 曲 面 的 曲 率 变 化 较 为 连 续 ， 光 顺 性 较 好 。（ 2） 模 型 的 完 整 性 和 无 重

8、 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 整 性 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 ， 在 Catia的 中 建 立 其 几 何 模型

9、， ， 几 何 模 型 如 图 1所 示 。图1 车身几何模型汽 车 风 洞 采 用 常 用 的 开 式 试 验 段 形 式 , 如 图 2所 示 。 在 Catia中 建 立完 全 与 车 体 相 贯 的 长 方 体 空 气 流 体 模 型 ， 同 时 在 Catia中 采 用 布 尔 运 算 中的 移 出 指 令 将 车 体 与 空 气 风 流 体 分 离 。 以 待 将 模 型 导 入 Ansys后 便 于 定 义流 固 耦 合 面 等 。 最 后 将 文 件 另 存 为 model格 式 ， 以 便 导 入 Ansys。3图2 空气流体建模3 数 值 模 拟 与 仿 真 的 物 理 模

10、 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 模 型 来 模 拟 ，k上世纪 70 年代，Launder 发展的 k- 模型被称为标准 k- 模型，它求解湍流动能 k 及湍流动能耗散率 的输运方程，能够反映一定的湍流物理量的输运特性，是两方程湍流模型的先驱性工作。之后研究人员又发展了重整化群 k- (RNG k- )模型、可实现性 k- 模型等，进一步强化 k- 系列模型的计算性能。 另外一个系列的两方程模型为 模型系列，其中比较有代表

11、性的有标准-k模型和 SST 模型。一般来说， k- 模型对高 Re 数充分发展的湍流模拟-k-k结果较好，而 模型改进了 k- 模型对受壁面影响湍流模拟的缺陷，对壁面附近的湍流模拟精度较高。k- 模型在湍流模型的发展过程中逐渐形成了零方程模型、一方程模型和两方程模型，由于使用的局限性零方程模型和一方程模型很难应用于工程实际。目前两方程模型在工程中使用最为广泛，最基本的两方程模型是 k- 模型，即分别引入关于湍动能 k 和耗散率 的方程：4()()()ek kbkkuGtxx 12()()()()ek kkkct 式中：222()()ktuvuvGxyx()ttbxyTget2tkC模型中各通

12、用常数据计算经验可取为： 120.9,.4,.9,1,.3kCc标准 K- 模型特性：可用于边界层型流动和分离流；近壁需修正或在计算边界上用壁函数（半经验公式）作边界条件；属于涡粘模型； 方程模化不确定因素多，可靠性差；模型常数通用性差；不能模拟强各向异性流（如矩形槽道中的二次流） ；不能计入涡量的影响。除此之外还有各种改进的 模型，比较著名的是 RNG 模型和带旋kk流修正的 模型。k标 准 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

13、 雷 诺 应 力 和k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 ，k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k不 能 预 测 到 方 管 湍 流 的 二 次 流 ； （ 3） 标 准 模

14、 式 计 算 量 比 较 大 ， 但 是k随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 是 可 以 克 服 的 。54 模 型 导 入 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS进 行 流 固 耦 合 分 析（ 1） 将 model格 式 的 车 体 及 空 气 流 体 模 型 导 入 Ansys的 Geometry（ 几何 模 型 ） 模 块 ， 在 此 模 块 下 定 义 车 体 为 solid（ 固 态 ） 、 空 气 流 长 方 体 为fluid（ 流 体 ） 。 并 对 建 模 过 程 中 生 成 的 与 流 固 耦 合 分 析 不 相 干 的 几 何 体 进行 抑 制 。 如 图 3所 示

15、。图3 将模型导入ansys下的Geometry模块(2)将 模 型 拖 入 Transient Structural（ 瞬 态 结 构 分 析 ） 模 块 ， 抑 制 流体 模 型 ， 对 车 体 进 行 分 析 设 定 ， 流 固 耦 合 面 定 义 ， 固 定 面 定 义 及 网 格 划 分 等操 作 ， 然 后 将 文 件 保 存 以 备 在 CFD模 块 下 进 行 与 空 气 流 体 的 耦 合 分 析 。 如 图4所 示 。图 4 在 瞬 态 结 构 分 析 模 块 下 对 车 体 进 行 定 义(4)再 将 模 型 拖 入 CFD（ 流 固 双 向 耦 合 分 析 ） 模 块

16、， 在 此 模 块 下 的 抑 制 车 体 ，6对 空 气 流 体 进 行 边 界 面 的 选 定 及 命 名 ， 流 体 网 格 的 划 分 等 操 作 。 如 图 5所示 。图 5 对 空 气 流 体 进 行 定 义（ 5） 继 续 在 CFD模 块 下 对 流 体 的 分 析 类 型 ， 各 边 界 条 件 ， 输 出 控 制 等 进行 定 义 。 完 整 定 义 后 ， 求 解 。 数 值 模 拟 的 相 应 物 理 参 数 如 下 :进 口 处 速 度为 100m/ s； 进 出 口 均 为 标 准 大 气 压 ； 空 气 密 度 为 1.225kg /m3;湍 流 模 型为 - 湍

17、 流 模 型 。 K值 取 0.01， 值 取 0.024.如 图 6所 示 。图 6 对 流 体 边 界 条 件 等 进 行 设 定75 模 拟 仿 真 结 果流 场 在 汽 车 不 同 横 向 截 面 处 的 速 度 分 布 图 ， 如 图 7所 示 。 描 述 了 空 气绕 汽 车 外 部 流 过 时 的 部 分 特 征 。图 7 流 场 不 同 横 截 面 速 度 大 小 分 布 云 图通 过 图 7可 以 发 现 ： 在 风 流 场 相 对 通 过 车 体 的 过 程 中 ， 空 气 流 在 车 头 端部 的 流 速 最 大 ； 在 发 动 机 舱 盖 上 端 流 速 相 对 减 少

18、 ， 这 是 因 为 风 流 体 的 粘 性 作用 ， 使 其 流 过 发 动 机 舱 盖 时 ， 受 到 了 发 动 机 舱 盖 的 粘 性 摩 擦 阻 滞 ， 以 及 前 挡风 玻 璃 对 风 流 体 形 成 了 一 阻 力 场 ； 当 风 流 通 过 车 顶 部 时 流 速 会 相 对 增 大 ， 这是 因 为 车 顶 部 较 光 滑 平 顺 ， 气 流 未 受 到 任 何 的 阻 碍 ； 当 风 流 通 过 后 挡 风 玻 璃及 后 备 箱 盖 时 ， 流 速 又 会 减 少 ， 这 是 因 为 在 汽 车 的 外 表 面 上 都 有 明 显 的 气 流附 着 层 ， 该 层 是 因

19、为 气 流 流 经 汽 车 外 表 面 时 ， 因 为 空 气 的 粘 性 ， 使 气 流 速 度8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 和 前 挡 风 玻 璃 本 体 上 及 车 顶 部 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 前 中 部 及 后 挡 风 玻 璃 和 行 李 厢之 间 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

20、 这 部 分 需要 改 进 ， 发 动 机 罩 前 缘 过 于 倾 斜 ， 后 挡 风 玻 璃 和 行 李 厢 稍 过 倾 斜 ， 而 车 顶 的曲 率 适 中 。另 外 ， 在 车 的 尾 部 出 现 一 段 死 水 区 ， 在 这 里 的 气 流 流 动 是 非 常 复 杂的 ， 存 在 着 大 尺 寸 的 涡 。图 8 尾 部 气 流 出 现 倒 流 现 象距 离 车 尾 一 定 距 离 上 ， 气 流 出 现 倒 流 现 象 。 如 图 8所 示 。 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

21、 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 。 体 流 动 时 的 惯 性 力 Fg和 粘 性 力 (内 摩 擦 力 )Fm之比 称 为 雷 诺 数 。 用 符 号 Re表 示 。 利 用 雷 诺 数 可 区 分 流 体 的 流 动 是 层流 或 湍 流 ， 也 可 用 来 确 定 物 体 在 流 体 中 流 动 所 受 到 的 阻 力

22、。 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9且 随 着 车 速 的 提 高 ， 这 种 影 响 成 倍 增 加 。由 纵 向 对 称 面 压 力 分 布 图 可 以 看 出 除 前 脸 部 分 ， 发 动 机 罩 和 前 风 窗 交界 处 出

23、 现 正 压 外 ， 其 余 部 分 均 为 负 压 ， 如 图 9 所 示 。图 9 纵 向 对 称 面 压 力 分 布 图出 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 。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

24、 压 ， 在 车 头 前 部 形 成 一个 正 压 区 ， 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

25、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 压 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

26、时 ， 又 遇 到10一 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 最 顶 部 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 ， 形 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 。 负 压 在 风 洞测 试 会 有 举 升 车 子 的 力 量 ， 使 车 子 距 地

27、 高 加 大 。 在 负 压 侧 会 使 物 体 偏 向 该 侧 。要 看 来 自 哪 个 方 向 ， 还 有 车 因 车 而 异 。 赛 车 主 要 用 尾 翼 和 扩 散 器 来 克 服 车尾 的 负 压 产 生 的 拖 拽 效 应 。（ a） （ b）（ c） （ d）图 10 流 体 通 过 车 身 表 面 无 明 显 分 离由 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

28、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 明 ：该 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 可 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

29、力 特 性 。11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 。 如 图 11所 示 。 因此 ， 在 汽 车 设 计 时 应 该 尽 可 能 的 减 小 此 处 涡 旋 的 规 模 ， 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

30、 减 小 。图 11 汽 车 尾 部 出 现 大 尺 度 的 涡 旋车 身 应 变 分 布 云 图 ， 对 外 板 件 各 部 位 材 料 的 选 择 及 加 工 工 艺 要 求 具 有 参考 意 义 。 如 图 12所 示 。图 12 车 身 应 变 分 布 云 图125 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 ANSYS/CFD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 一 步 研 究 提 供 了 参 考 。13