基于Ansys的汽車外形風(fēng)洞試驗(yàn)有限元分析

1、基于Ansys的汽車外形風(fēng)洞試驗(yàn)有限元分析【摘 要】汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)性、駕駛安全性、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性等有著較大的影響。通過在catia中建立車身幾何造型，基于ANSYS的CFD的有限元仿真環(huán)境對(duì)車身的空氣動(dòng)力動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真研究，得出該車體的速度矢量圖，壓力分布圖等，并根據(jù)模擬仿真的氣動(dòng)造型提出一些建議，為優(yōu)化汽車車型及改善汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性提供參考。1前言汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性是汽車的重要性能，它是指汽車在流場(chǎng)中受到的以阻力為主的包括升力、側(cè)向力的三個(gè)氣動(dòng)力及其相應(yīng)的力矩的作用而產(chǎn)生的車身外部和內(nèi)部的氣流特性、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性、氣動(dòng)噪聲特性、駕駛室內(nèi)通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)等特性。隨著汽車技術(shù)

2、的提高和高等級(jí)公路的發(fā)展，汽車速度的不斷提高以及汽車在行駛時(shí)與空氣相互作用的各種氣動(dòng)力也越來越顯著，在很大程度上影響著的汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和穩(wěn)定性。迄今為止，國內(nèi)外汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究一般采取試驗(yàn)法、試驗(yàn)與理論相結(jié)合法及數(shù)值模擬仿真研究法。試驗(yàn)法主要是指風(fēng)洞試驗(yàn)，目的是為得到準(zhǔn)確反映汽車行駛狀態(tài)時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)特性數(shù)據(jù)，其研究對(duì)象主要有汽車空氣動(dòng)力特性和汽車各部位的流場(chǎng)。風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果精度高、可靠性好，對(duì)研究外部氣流干擾件的氣動(dòng)作用大小比較有效，但風(fēng)洞試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)、需要制作一系列的油泥模型等局限性，這些局限性大大阻礙了其在汽車設(shè)計(jì)的應(yīng)用，并且風(fēng)洞試驗(yàn)只能在有限個(gè)截面和其上有限個(gè)點(diǎn)處測(cè)得速

3、度、壓力和溫度值，不能獲得整個(gè)流場(chǎng)中任意點(diǎn)的詳細(xì)信息。此外風(fēng)洞試驗(yàn)要精確研究某些復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，如層流向湍流的轉(zhuǎn)變、拖曳渦的形成和發(fā)展、尾部渦系結(jié)構(gòu)等，其測(cè)量截面的選取在很大程度上主要依靠經(jīng)驗(yàn)，這樣使得精確研究這些復(fù)雜流動(dòng)和機(jī)理變得非常困難。而在模型風(fēng)洞試中，還存在著動(dòng)力相似和幾何相似的影響、試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車的換算問題，要得到準(zhǔn)確的結(jié)果還有一定的難度。數(shù)值模擬仿真是借助于計(jì)算機(jī)將用CFD應(yīng)用于汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究的方法，其是在計(jì)算機(jī)上模擬吹風(fēng)，運(yùn)用數(shù)值分析的方法計(jì)算模擬汽車的空氣動(dòng)力學(xué)問題，與風(fēng)洞試驗(yàn)相比，其有利于CAD/CAM系統(tǒng)的相銜接；不受風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)菢拥臈l件限制；可以獲得比通常風(fēng)洞試驗(yàn)更多的

4、信息；有利于節(jié)省開發(fā)時(shí)間和高昂的成本。實(shí)踐證明，CFD可以分析從定常到不定常，從層流到湍流，從不可壓到可壓縮，從無粘性到有粘性的幾乎所有的流動(dòng)現(xiàn)象。將利用ANSYS中的CFD來研究汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性。2 汽車車身幾何模型建立（1）車身幾何模型建立的軟件采用的Catia，Catia 軟件能為用戶提供一個(gè)全面的產(chǎn)品建模系統(tǒng)。模型曲面的曲率變化較為連續(xù)，光順性較好。（2）模型的完整性和無重合性。為了方便以后的流動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算中的網(wǎng)格劃分，幾何模型必須保證完整性和無重合性，即模型中既不能有斷開的地方，又不能有重合的地方。（3）模型的近似處理。在建模過程中對(duì)一些細(xì)微部分作了近似處理，省略了后視鏡等一些凸

5、起部分，車身底部也近似處理成為一個(gè)平面。選擇了某汽車作為參考車型，在Catia的中建立其幾何模型，幾何模型如圖1所示。 圖1 車身幾何模型 汽車風(fēng)洞采用常用的開式試驗(yàn)段形式, 如圖2所示。在Catia中建立完全與車體相貫的長(zhǎng)方體空氣流體模型，同時(shí)在Catia中采用布爾運(yùn)算中的移出指令將車體與空氣風(fēng)流體分離。以待將模型導(dǎo)入Ansys后便于定義流固耦合面等。最后將文件另存為model格式，以便導(dǎo)入Ansys。 圖2 空氣流體建模3 數(shù)值模擬與仿真的物理模型 轎車?yán)@流問題一般為定常、等溫、不可壓縮的三維流場(chǎng)，由于復(fù)雜外形會(huì)引起氣流的分離，應(yīng)按湍流處理。采用標(biāo)準(zhǔn)模型來模擬，上世紀(jì)70年代，Launde

6、r發(fā)展的k-模型被稱為標(biāo)準(zhǔn)k-模型，它求解湍流動(dòng)能k及湍流動(dòng)能耗散率的輸運(yùn)方程，能夠反映一定的湍流物理量的輸運(yùn)特性，是兩方程湍流模型的先驅(qū)性工作。之后研究人員又發(fā)展了重整化群k- (RNG k-)模型、可實(shí)現(xiàn)性k-模型等，進(jìn)一步強(qiáng)化k-系列模型的計(jì)算性能。另外一個(gè)系列的兩方程模型為模型系列，其中比較有代表性的有標(biāo)準(zhǔn)模型和SST模型。一般來說，k-模型對(duì)高Re數(shù)充分發(fā)展的湍流模擬結(jié)果較好，而模型改進(jìn)了k-模型對(duì)受壁面影響湍流模擬的缺陷，對(duì)壁面附近的湍流模擬精度較高。 k-模型在湍流模型的發(fā)展過程中逐漸形成了零方程模型、一方程模型和兩方程模型，由于使用的局限性零方程模型和一方程模型很難應(yīng)用于工程實(shí)

7、際。目前兩方程模型在工程中使用最為廣泛，最基本的兩方程模型是k-模型，即分別引入關(guān)于湍動(dòng)能k和耗散率的方程： 式中： 模型中各通用常數(shù)據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)可取為：標(biāo)準(zhǔn)K-模型特性：可用于邊界層型流動(dòng)和分離流；近壁需修正或在計(jì)算邊界上用壁函數(shù)（半經(jīng)驗(yàn)公式）作邊界條件；屬于渦粘模型；方程?；淮_定因素多，可靠性差；模型常數(shù)通用性差；不能模擬強(qiáng)各向異性流（如矩形槽道中的二次流）；不能計(jì)入渦量的影響。除此之外還有各種改進(jìn)的模型，比較著名的是RNG模型和帶旋流修正的模型。標(biāo)準(zhǔn)模型相對(duì)于其他模型來說具有簡(jiǎn)單易懂，適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)了它自身來說還存在一些缺點(diǎn)：（1）標(biāo)準(zhǔn)模式假定雷諾應(yīng)力和當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐钠骄凶兟食烧?/p>

8、，所以它不能準(zhǔn)確反映雷諾應(yīng)力沿流向的歷史效應(yīng)；（2）標(biāo)準(zhǔn)模式是各向同性的，不能反映雷諾應(yīng)力的各項(xiàng)異性，尤其是近壁湍流，雷諾應(yīng)力具有明顯的各向異性，例如方管中的二次流是由于雷諾正應(yīng)力之差產(chǎn)生的，標(biāo)準(zhǔn)模式不能正確表達(dá)雷諾正應(yīng)力，因此不能預(yù)測(cè)到方管湍流的二次流；（3）標(biāo)準(zhǔn)模式計(jì)算量比較大，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是可以克服的。4 模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行流固耦合分析（1）將model格式的車體及空氣流體模型導(dǎo)入Ansys的Geometry（幾何模型）模塊，在此模塊下定義車體為solid（固態(tài)）、空氣流長(zhǎng)方體為fluid（流體）。并對(duì)建模過程中生成的與流固耦合分析不相干的幾何體進(jìn)行抑制。如

9、圖3所示。 圖3 將模型導(dǎo)入ansys下的Geometry模塊(2)將模型拖入Transient Structural（瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析）模塊，抑制流體模型，對(duì)車體進(jìn)行分析設(shè)定，流固耦合面定義，固定面定義及網(wǎng)格劃分等操作，然后將文件保存以備在CFD模塊下進(jìn)行與空氣流體的耦合分析。如圖4所示。 圖4 在瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析模塊下對(duì)車體進(jìn)行定義(4)再將模型拖入CFD（流固雙向耦合分析）模塊，在此模塊下的抑制車體，對(duì)空氣流體進(jìn)行邊界面的選定及命名，流體網(wǎng)格的劃分等操作。如圖5所示。 圖5 對(duì)空氣流體進(jìn)行定義 （5）繼續(xù)在CFD模塊下對(duì)流體的分析類型，各邊界條件，輸出控制等進(jìn)行定義。完整定義后，求解。數(shù)值模擬的

10、相應(yīng)物理參數(shù)如下:進(jìn)口處速度為100m/ s；進(jìn)出口均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；空氣密度為1.225kg /m3;湍流模型為-湍流模型。K值取0.01，值取0.024.如圖6所示。圖6 對(duì)流體邊界條件等進(jìn)行設(shè)定5 模擬仿真結(jié)果 流場(chǎng)在汽車不同橫向截面處的速度分布圖，如圖7所示。描述了空氣繞汽車外部流過時(shí)的部分特征。 圖7 流場(chǎng)不同橫截面速度大小分布云圖通過圖7可以發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)流場(chǎng)相對(duì)通過車體的過程中，空氣流在車頭端部的流速最大；在發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋上端流速相對(duì)減少，這是因?yàn)轱L(fēng)流體的粘性作用，使其流過發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋時(shí)，受到了發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的粘性摩擦阻滯，以及前擋風(fēng)玻璃對(duì)風(fēng)流體形成了一阻力場(chǎng)；當(dāng)風(fēng)流通過車頂部時(shí)流速會(huì)相對(duì)增大，

11、這是因?yàn)檐図敳枯^光滑平順，氣流未受到任何的阻礙；當(dāng)風(fēng)流通過后擋風(fēng)玻璃及后備箱蓋時(shí)，流速又會(huì)減少，這是因?yàn)樵谄嚨耐獗砻嫔隙加忻黠@的氣流附著層，該層是因?yàn)闅饬髁鹘?jīng)汽車外表面時(shí)，因?yàn)榭諝獾恼承?，使氣流速度急下降，甚至出現(xiàn)氣流的止滯。同時(shí)氣流在該車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前擋風(fēng)玻璃之間和前擋風(fēng)玻璃本體上及車頂部并未出現(xiàn)旋渦和分離、再附著的現(xiàn)象，基本上呈貼著車身平滑的流動(dòng)。但是在發(fā)動(dòng)機(jī)罩前中部及后擋風(fēng)玻璃和行李廂之間都出現(xiàn)了氣流的輕微分離、再附著的現(xiàn)象。這說明車身設(shè)計(jì)在這部分需要改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣過于傾斜，后擋風(fēng)玻璃和行李廂稍過傾斜，而車頂?shù)那蔬m中。 另外，在車的尾部出現(xiàn)一段死水區(qū)，在這里的氣流流動(dòng)是非常復(fù)雜的

12、，存在著大尺寸的渦。 圖8 尾部氣流出現(xiàn)倒流現(xiàn)象 距離車尾一定距離上，氣流出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。如圖8所示。從這個(gè)位置開始，隨著距離的增大，速度損耗越來越小，直到距離汽車很遠(yuǎn)處速度才接近來流速度。分析在此區(qū)出現(xiàn)倒流的原因是：流體流經(jīng)汽車尾部末端處，突然失去了限制，進(jìn)入了自由邊界層，這些流體與汽車尾部的死水區(qū)之間形成了剪切層而被卷吸。體流動(dòng)時(shí)的慣性力Fg和粘性力(內(nèi)摩擦力)Fm之比稱為雷諾數(shù)。用符號(hào)Re表示。利用雷諾數(shù)可區(qū)分流體的流動(dòng)是層流或湍流，也可用來確定物體在流體中流動(dòng)所受到的阻力。由于汽車流場(chǎng)的雷諾數(shù)很大，再加上剪切層附近的混合作用，將死水區(qū)內(nèi)的流體卷吸到主流中去，于是在汽車尾部形成大尺度的漩渦

13、。也正是因?yàn)檫@個(gè)漩渦的存在，對(duì)汽車產(chǎn)生很大的空氣阻力，因此它大大地影響了汽車動(dòng)力性，并且隨著車速的提高，這種影響成倍增加。 由縱向?qū)ΨQ面壓力分布圖可以看出除前臉部分，發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前風(fēng)窗交界處出現(xiàn)正壓外，其余部分均為負(fù)壓，如圖9 所示。 圖9 縱向?qū)ΨQ面壓力分布圖 出現(xiàn)負(fù)值較大的地方是汽車后窗和汽車尾部，而車身頂部出現(xiàn)變化平緩的負(fù)壓。 汽車上的氣動(dòng)力與汽車周圍所受的壓力分布直接相關(guān)，并且壓力分布又與汽車的流譜有緊密的關(guān)系。汽車行使時(shí)，前方來流首先遇到車身前部，由于氣流受阻，速度大大降低，氣流的動(dòng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，在車頭前部形成一個(gè)正壓區(qū)，這股氣流分成兩部分，一部分向上，通過發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前擋風(fēng)玻璃、駕駛室

14、頂然后向后流去；另一部分向下，通過車身下部，然后向車尾流去。流向上方的這部分氣流在流經(jīng)車頭上緣時(shí)，由于緣角的半徑較小，氣流往往來不及轉(zhuǎn)折，而出現(xiàn)局部分離，又由于流速比較大，在上緣角附近形成吸力峰。隨后，氣流又重新附著在發(fā)動(dòng)機(jī)罩上。由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩有一定的斜度，其上的氣流速度仍然較快，因而壓力仍為負(fù)值，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)罩前部形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)。當(dāng)氣流到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前擋風(fēng)玻璃交界處時(shí)，由于擋風(fēng)玻璃的存在，氣流速度降低，同時(shí)由于凹角的存在，在凹角處形成一個(gè)滯區(qū)，在滯區(qū)中又有內(nèi)部渦流的存在，該區(qū)具有正壓力。在氣流到達(dá)擋風(fēng)玻璃上緣時(shí)，又遇到一個(gè)轉(zhuǎn)角，因而在車頂前緣附近又出現(xiàn)一個(gè)吸力峰。由于車頂車身外形鼓起，流經(jīng)最頂

15、部的氣流速度低，因而負(fù)壓有所減小。后窗處由于頂部的氣流未受到任何的阻礙，流速較大，又受尾部吸力峰的影響，壓力減小，形成負(fù)壓區(qū)。車身尾部的壓力情況，因?yàn)殇鰷u的存在，形成負(fù)壓區(qū)。負(fù)壓在風(fēng)洞測(cè)試會(huì)有舉升車子的力量，使車子距地高加大。在負(fù)壓側(cè)會(huì)使物體偏向該側(cè)。要看來自哪個(gè)方向，還有車因車而異。賽車主要用尾翼和擴(kuò)散器來克服車尾的負(fù)壓產(chǎn)生的拖拽效應(yīng)。 （a） （b） （c） （d）圖10 流體通過車身表面無明顯分離由模擬仿真的結(jié)果可知，在模擬中，流體平滑地通過了車身表面（汽車尾部外除），并沒有產(chǎn)生很顯明的流體分離現(xiàn)象。從壓力場(chǎng)可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)前罩的拐角處和車頂?shù)那熬墸缶壊]有產(chǎn)生很大的負(fù)壓力，這說明：該車身的設(shè)計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)前罩與汽車前窗的邊緣處和車頂與汽車前，后窗的邊緣處過渡都比較平滑。因此，良好的設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)前罩與汽車前窗的過渡邊緣和車頂與汽車前，后窗的過渡邊緣，可以盡可能的減小這些部位的負(fù)壓，使流體比較平滑的流過車身，使汽車具有良好的空氣動(dòng)力特性。 而在汽車尾部，此車還是出現(xiàn)大尺度的渦旋，產(chǎn)生了巨大的負(fù)壓，它還引起了能量的極大消耗，是產(chǎn)生空氣阻力的主要因素。如圖11所示。因此，在汽車設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能的減小此處渦旋的規(guī)模，如在尾部，應(yīng)該盡量減少鋒銳菱角的過渡