基于CFD軟件某跑車外流場數(shù)值模擬分析

王瑞麗 魏麗青

摘 要：根據(jù)對國內(nèi)某跑車進(jìn)行相應(yīng)的研究，通過catia三維軟件設(shè)計(jì)出其三維模型，之后再用CFD軟件實(shí)現(xiàn)對跑車劃分網(wǎng)格，之后再對得出的數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算，并采取一定的加工處理，同時關(guān)注跑車內(nèi)部的空氣動力性問題。在一系列的模擬計(jì)算后，我們可以得知，進(jìn)行局部的優(yōu)化處理是可以有效地得出最佳畫的跑車外部參數(shù)，同時實(shí)現(xiàn)跑車周身速度壓力場的改善處理。

關(guān)鍵詞：跑車車身;局部優(yōu)化;風(fēng)阻系數(shù)

前言

通常所說的汽車空氣動力一般指在汽車的前行過程中和空氣產(chǎn)生相應(yīng)的作用力，由于產(chǎn)生的力對汽車消耗汽油的經(jīng)濟(jì)性能和舒適性能等產(chǎn)生的影響。目前我國的科學(xué)技術(shù)不斷向前發(fā)展，隨之而來的是信息技術(shù)的發(fā)展包括計(jì)算流體力學(xué)，這對于研究汽車的空氣動力學(xué)有了很重要的推動作用。流體力學(xué)方法有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如所用時間少、消耗成本較低等，所以我們可以在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)和相應(yīng)的改進(jìn)完善方面，都使用此技術(shù)。

1.跑車外流場的控制方程和湍流模型

在汽車以較高速度向前行駛的時候，可以得出此時的流體雷偌數(shù)是比臨界雷諾數(shù)大的，所以它的流動可以視作湍流。根據(jù)雷諾平均方程：

在這個公式里，si是源項(xiàng)，代表催化器載體阻力;? ? ? ? 是應(yīng)力張量。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的K - ￡模型計(jì)算雷諾應(yīng)力來封閉上述流動控制方程，即有

在這個公式里的? ? ? 是指湍流粘性系數(shù)，可以根據(jù)以下得出：

式中：K、￡分別為湍動能和湍能耗散率。

2.計(jì)算模型的建立及網(wǎng)格劃分

2.1 車身模型

計(jì)算模型是在CATIA軟件中以現(xiàn)實(shí)大小比例相等建立的（見圖1）。要同時實(shí)現(xiàn)提高網(wǎng)格的質(zhì)量以及達(dá)到計(jì)算的速度，就要簡化車身模型。所以，忽略了跑車的一些部件，并對車身底部作平整化加工。

2.2 網(wǎng)格劃分

從以往的研究可以得出，要進(jìn)行汽車行駛的模擬，可以采用的計(jì)算域是長方形：根據(jù)汽車的大小長×寬×高（L×W×H），我們將計(jì)算域設(shè)定成10L×4W×5H，計(jì)算域入口和車頭相距3L，出口處和車尾的距離為6L，車子的左右兩側(cè)寬度大小都是2W，高度是5W，完整的計(jì)算域都是通過結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來進(jìn)行劃分的。我們先將模型通過CFD軟件，進(jìn)行導(dǎo)入后根據(jù)車子的表面輪廓產(chǎn)生三角形網(wǎng)格，再講整個計(jì)算域進(jìn)行劃分，通常這一步的劃分是采用四面體網(wǎng)格完成的。除此之外，我們還需要明確一點(diǎn)，那就是空氣中是存在粘度的，因此我們還需要在設(shè)計(jì)邊界層。要想擁有可靠度較高的結(jié)果，那就還需要在車子的車身周圍加密，一般這一步驟中網(wǎng)格尺寸在二十至四十毫米的范圍內(nèi)。

2.3 邊界條件的設(shè)置

完成網(wǎng)格劃分后，就是對跑車外部流場的基本條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后可以利用Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算。其中，汽車外部邊界條件同時將出口、進(jìn)口邊界條件以及固定壁面和車身表面等包含在內(nèi)。通常，可以將壓力出口（pressure-outlet）設(shè)為出口邊界條件;速度出口（velocity-inlet）設(shè)為進(jìn)口邊界條件設(shè)定;并且將速度的具體數(shù)值設(shè)定為40m/s。

3.跑車外流場模擬結(jié)果及分析

在完成對邊界條件設(shè)計(jì)后，通過Fluent軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，就能夠產(chǎn)生跑車對稱面上的速度矢量圖、壓力云圖和氣流速度云圖。根據(jù)壓力云圖中可以看出整個跑車的壓力分布特點(diǎn)。車子的前段所收到的壓力是最大的，具體數(shù)值是1120 Pa，在車子上部的轉(zhuǎn)折處產(chǎn)生了一個稱為負(fù)壓區(qū)的區(qū)域，壓力值最小，具體數(shù)值表現(xiàn)為-2310Pa，同時可以得出，車子后部所承受的壓力值在-252Pa至91Pa之間，并且車身下方所受到的壓力要比上方受到的壓力大得多值。這樣在跑車的頭部和尾部就存在了一個明顯壓力差，同理可得，跑車的上方和下方之間也同樣是有著壓力差的。

因?yàn)榇嬖谥@樣的壓力差，所以就產(chǎn)生了跑車在行駛過程中會受到的氣動阻力和氣動升力，并且進(jìn)一步對跑車整體的氣動特性產(chǎn)生了影響。車子以較高的速度向前的時候，產(chǎn)生的氣流和車子的前方發(fā)生摩擦，因此阻擋了氣流的運(yùn)動，從而產(chǎn)生了氣流分離的現(xiàn)象，同時氣流也出現(xiàn)了減速，產(chǎn)生了正壓區(qū)。在氣流位于發(fā)動機(jī)蓋和前擋風(fēng)玻璃之間的時候，因?yàn)槭艿讲ＡУ淖璧K作用，氣流產(chǎn)生了分離現(xiàn)象，所以出現(xiàn)了一個區(qū)域，我們稱之為正壓區(qū)。在氣流到車頂前部的時候，氣流產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)折，因此，流速有所增加，因?yàn)檐囎榆図敽蟛亢秃筌嚧安Ａеg呈現(xiàn)一個較為圓滑的角度，所以氣流在從車頂后部流動時幾乎沒有出現(xiàn)氣流分離的情況。車子前方面的氣流因?yàn)檐囶^部的抵擋，出現(xiàn)氣流分離，其中包括了向車子上方運(yùn)動的氣流以及向車子底部流動的氣流。車子上方的氣流沿車前端發(fā)動機(jī)蓋最先產(chǎn)生加速，繼而與車前方玻璃相遇，受到阻擋之后再次加速，所以我們不難得知，氣流在車子前部時，其速度最大，之后快速減小，但卻始終可以維持在一個較快的流速上。而到了車子的后部時，氣流再一次遭遇阻礙產(chǎn)生流動分離，并且在車子的后部產(chǎn)生了一個區(qū)域，我們稱之為渦流區(qū)。根據(jù)以上，我們可以通過減少尾部渦流的流動的方法來進(jìn)行車身外形參數(shù)的優(yōu)化，具體方式是對跑車尾部的外部輪廓進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)增加空氣動力性的目的。

4.跑車車身的局部優(yōu)化

要實(shí)現(xiàn)對車子內(nèi)部空氣動力性的改進(jìn)，我們可以通過對跑車進(jìn)行局部的優(yōu)化的方式達(dá)成。通過對跑車外部數(shù)據(jù)做一些修改，從而產(chǎn)生一些參數(shù)不同的跑車，之后再數(shù)值模擬這些不同的外形參數(shù)，比較其風(fēng)阻系數(shù)的數(shù)值，就能夠掌握更為優(yōu)良的外形參數(shù)。所以，我們能初步設(shè)定前風(fēng)窗的角都為X，X的具體數(shù)值可以是250、280、310;再將后風(fēng)窗的角度設(shè)定為Y，Y的具體數(shù)值可以是180、210、240;最后將尾部翹角設(shè)定為Z，Z的具體數(shù)值可以是80、110、140。進(jìn)行一點(diǎn)的改進(jìn)后雖然不能完全的解決跑車尾部的渦流的問題，卻能夠最大化的對跑車空氣動力性進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，因此，我們可以在實(shí)際應(yīng)用中選擇此局部優(yōu)化的解決方案。

結(jié)語

我們采用了Fluent軟件進(jìn)行了簡單的數(shù)值模擬，主要是針對跑車外流場，并根據(jù)此成功實(shí)現(xiàn)了車身的壓力云圖以及尾部的速度矢量圖，同時也實(shí)現(xiàn)了對跑車外流場的流動機(jī)理、氣動力特性以及流動特性關(guān)系進(jìn)行了相應(yīng)的研究，因此的得出了為何會出現(xiàn)氣動力產(chǎn)生的理由。因?yàn)檫€是存在很多的局限性，所以未能進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)對跑車外流場進(jìn)行最佳的數(shù)值模擬。

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