微型面包车外流场数值模拟
[size=13pt][align=left][font=Times=][size=14px][font=Times=][size=14px]作者：张群锋[/size][/font][font=Times=][size=14px] 吕志咏 秦燕华[/size][/font][/size][/font][/align][align=left][size=12pt][color=#000000][size=3][color=#000000][font=Times=][size=14px]关键词:[/size][/font][b][font=Times=][size=14px]外流场,STAR-CD[/size][/font][/b][/color][/size][font=Times=][size=14px]简介[/size][/font][/color][font=Times=][size=14px]：汽车的空气动力特性对整车性能有着重要的影响，本文利用STAR-CD软件对某一微型面包车进行了外流场的数值模拟，并对整个流场作了细致的分析，并提出了有关改进的措施。[/size][/font][/size][/align]
[font=Times=][size=14px][b][color=#000000]1[/color][/b][b][color=#000000]．前言[/color][/b][/size][/font]
[font=Times=][size=14px] 汽车的空气动力特性直接影响到汽车的燃料经济性、车速、高速操纵稳定性、受到侧风作用时的直线行驶稳定性、发动机和制动器的冷却、风的噪声、通风，除霜，空调、控制与减少汽车行驶中溅起和附着于汽车上的尘土及污泥、车窗刮水器的位置正确性等。对于微型面包车而言，属于厢式车型，空气阻力对汽车的动力性、经济性影响更加显著，而数值模拟是改善该车的空气动力特性的一个既便捷又经济的方法。[/size][/font]
[b][font=Times=][size=14px][font=Times=][size=14px]2[/size][/font][font=Times=][size=14px]．STAR-CD软件介绍[/size][/font][/size][/font][/b]
[font=Times=][size=14px]STAR-CD是业界领先的通用流体分析软件，它具有前处理器、求解器、后处理器三大模块，以良好的可视化用户界面把建模、解算及后处理与全部的物理模型和算法结合在一个软件包中。另外STAR-CD在三大模块中提供了与用户的接口，用户可根据需要编制Fortran子程序并通过STAR-CD提供的接口函数来达到预期的目的。[/size][/font]
[b][font=Times=][size=14px][font=Times=][size=14px]3[/size][/font][font=Times=][size=14px]．汽车外流场计算数值方法[/size][/font][/size][/font][/b]
[b][font=Times=][size=14px]3.1 汽车外流场的控制方程[/size][/font][/b]
[font=Times=][size=14px] 汽车行驶时周围空气可以看成是不可压缩的。汽车外流场的三维控制方程为：[/size][/font]
[font=Times=][size=14px] 连续方程：[/size][/font]
[align=center][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135522519.gif[/img][/size][/font][/align][font=Times=][size=14px] 动量方程：[/size][/font]
[align=center][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135527722.gif[/img][/size][/font][/align][font=Times=][size=14px] 本构关系为：[/size][/font]
[align=center][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135527857.gif[/img][/size][/font][/align][align=center][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135527652.gif[/img][/size][/font][/align][font=Times=][size=14px]式中，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135528728.gif[/img]为空气密度，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135528952.gif[/img]为速度，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135529872.gif[/img]，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135529490.gif[/img]为压力，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135529521.gif[/img]为流体动力粘性系数，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135530870.gif[/img]应力张量，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135530988.gif[/img]应变率张量。[/size][/font]
[font=Times=][size=14px][b][color=#000000]3.2 [/color][/b][font=Times=][size=14px][b]湍流模型方程[/b][/size][/font][/size][/font]
[font=Times=][size=14px] 湍流模型采用RNG[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135530690.gif[/img]湍流模型，该模型利用重整化群理论得到的，国外大量算例表明，该模型来模拟分离流较为合理。汽车外流场同样存在分离区，因此选用了该模型。[/size][/font]
[font=Times=][size=14px] 该模型的湍流动能方程为：[/size][/font]
[align=center][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135532175.gif[/img][/size][/font][/align][font=Times=][size=14px]湍流耗散率方程：[/size][/font]
[font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135532947.gif[/img][/size][/font]
[font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135533619.gif[/img] [/size][/font]
[font=Times=][size=14px][font=Times=][size=14px]式中，[/size][/font][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135533306.gif[/img]为湍流动能，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135533314.gif[/img]为湍流耗散率，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135534126.gif[/img]，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135534221.gif[/img]为湍流粘性系数，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135535746.gif[/img]，[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135535690.gif[/img],其它经验参数为：[/size][/font][/size][/font]
[align=center][table=90%][tr][td][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135536107.gif[/img][/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135536447.gif[/img][/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135537301.gif[/img][/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135537952.gif[/img][/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135538235.gif[/img][/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135539584.gif[/img][/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135539458.gif[/img][/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135540394.gif[/img][/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135540825.gif[/img][/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135541269.gif[/img][/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135542201.gif[/img][/size][/font][/td][/tr][tr][td][font=Times=][size=14px]0.085[/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px]0.719[/size][/font]
[/td][td][font=Times=][size=14px]0.719[/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px]1.42[/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px]1.68[/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px]1.42[/size][/font]
[/td][td][font=Times=][size=14px]-0.387[/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px]0.4[/size][/font]
[/td][td][font=Times=][size=14px]9.0[/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px]4.38[/size][/font][/td][td][font=Times=][size=14px]0.012[/size][/font][/td][/tr][/table][/align]
[font=Times=][size=14px][b][color=#000000]3.3 SIMPLE[/color][/b][font=Times=][size=14px][b]方法求解控制方程[/b][/size][/font][/size][/font]
[font=Times=][size=14px] 可以利用压力修正法来求解定常的汽车外流场控制方程，SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation）方法是压力修正法中较为常用的一种，其基本思想是首先假定一个速度场和一个压力场，依次求解动量方程，并由连续方程得到压力修正项值，利用压力修正值来得到速度修正值，并求解[img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135542646.gif[/img]方程。再将压力修正值和速度值作为下次计算的假定值，重新计算。[/size][/font]
[b][font=Times=][size=14px]4．计算区域的确定[/size][/font][/b]
[font=Times=][size=14px] 为了和试验模型保持一致，本次计算也采用1:5的缩比模型。对于来流相对于汽车纵向对称平面无气流偏角的工况，利用对称条件，可只算计算区域纵向对称的一半。对于来流相对于汽车纵向对称平面有气流偏角的工况，则计算整个区域。[/size][/font]
[b][font=Times=][size=14px][font=Times=][size=14px]5[/size][/font][font=Times=][size=14px]．网格的生成[/size][/font][/size][/font][/b]
[font=Times=][size=14px]对该车型作了适当的简化，即删去了后视镜并对车身低部作了光滑处理。为了实现对网格的疏密控制，首先对计算区域进行分区。对于来流相对于汽车纵向对称平面无气流偏角的工况，网格总数为，470,000，对于来流相对于汽车纵向对称平面有气流偏角的工况，网格总数为940,000。[/size][/font]
[font=Times=][size=14px][b][color=#000000]6[/color][/b][b][color=#000000]．边界条件的确定[/color][/b][/size][/font]
[font=Times=][size=14px]汽车外流场的数值模拟是在有限区域内进行的，因此在区域的边界上需要给定边界条件。确定边界条件要求在数学上满足适定性，在物理上具有明显的意义。汽车外流场的数值模拟的边界条件有如下几类：入口边界条件、出口边界条件、壁面边界条件和对称平面边界条件。[/size][/font]
[font=Times=][size=14px][font=Times=][size=14px]对于来流相对于汽车纵向对称平面无气流偏角的工况（以下称为工况[/size][/font][font=Times=][size=14px]1），均匀的来流速度为35m/s。来流相对于汽车纵向对称平面的气流偏角为10°的工况（以下称为工况2），均匀来流速度为20m/s。[/size][/font][/size][/font]
[font=Times=][size=14px][b][color=#000000]7[/color][/b][b][color=#000000]．计算结果及分析[/color][/b][/size][/font]
[font=Times=][size=14px][b][color=#000000]7.1[/color][/b][font=Times=][size=14px][b]工况1计算结果及分析[/b][/size][/font][/size][/font]
[color=#000000][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135543408.jpg[/img]
[/size][/font][/color][font=Times=][size=14px][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135543552.jpg[/img][/size][/font] [/size][/font][color=#000000]
[font=Times=][size=14px] 图1、图2分别为工况1车身表面的静压分布图、纵向对称平面内的速度矢量图。这些图说明气流在前保险杠处受阻，形成气流滞点，形成正压区。前大灯和转向灯的拐角处以及前柱附近出现较大的气流分离，形成低压区，此处也是高速行驶时风噪声的来源之一，应优化该处的设计。上部气流在车顶前缘发生气流转折，形成负压区，顶部气流在车顶后缘发生分离，低部气流向上卷起，这部分卷起气流是使得后风窗玻璃泥水附着的主要原因。为了减少泥水附着，建议在车顶后缘合理安装扰流器。[/size][/font][/color]
[b][font=Times=][size=14px]7.2 工况2 计算结果及分析[/size][/font][/b]
[font=Times=][size=14px] 汽车在行驶中，如果汽车的侧风稳定性差，使得驾驶员要随时转动方向盘，会导致驾驶员过早疲劳，增加了行驶危险性。[/size][/font]
[font=Times=][size=14px][font=Times=][size=14px][img]http://www.efluid.com.cn/images/UpPic/200775135544475.jpg[/img][/size][/font] [/size][/font][color=#000000][font=Times=][size=14px]图3 车身表面压力分布[/size][/font][/color]
[font=Times=][size=14px][font=Times=][size=14px]图3为该车在均匀来流速度为20m/s，与汽车纵向对称平面的气流偏角为10°时的车身表面压力分布图。可见，在侧风的影响下，气流滞点位置发生了变化，移到了前保险杠的迎风侧，压力最大。前柱的背风侧，气流发生分离，压力最小。整个车身表面的压力分布呈不对称性。[/size][/font][font=Times=][size=14px]汽车的侧风稳定性，与汽车外形、重心位置、悬架和轮胎的侧偏特性有着密切联系。要改善汽车的侧风稳定性，需从这几方面综合来考虑。[/size][/font][/size][/font]
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