基于fluen的皮卡車流場(chǎng)數(shù)值模擬

基于fluen的皮卡車流場(chǎng)數(shù)值模擬

1皮卡車外壓路特性車輛在流場(chǎng)的六分壓力中以阻力為主，包括阻力分為低壓阻力、摩擦阻力和誘導(dǎo)阻力。作為鈍頭體,其尾部的分離流形成40%的壓差阻力,所以對(duì)車輛尾部分離流的細(xì)節(jié)描述和計(jì)算至關(guān)重要。皮卡車外形與轎車差別較大,其外流場(chǎng)特性不宜簡(jiǎn)單按照轎車外流場(chǎng)來(lái)描述。本文采用數(shù)值建模仿真的方法,通過(guò)比較兩種湍流模型(RSM和標(biāo)準(zhǔn)K-e)的計(jì)算結(jié)果,并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,從而揭示皮卡車外流場(chǎng)的特性。同時(shí),也揭示了在描述皮卡車外流場(chǎng)的分離特性時(shí),RSM模型優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)K-e模型。2雙方程模型求解在DNS、LES、RANS三種數(shù)值模擬方法中,前兩種方法由于對(duì)速度和內(nèi)存的要求皆較高,所以還沒(méi)有在工程界得到廣泛的應(yīng)用。目前廣泛采用的RANS法中的RSM模型通過(guò)對(duì)u′iu′j?u′iu′j-進(jìn)行?；?得到Reynold應(yīng)力方程,如式(1)所示。?(ρu′iu′j?)?t+Cij=DT,ij+DL,ij+Pij+Gij+?ij+εij+Fij(1)?(ρu′iu′j-)?t+Cij=DΤ,ij+DL,ij+Ρij+Gij+?ij+εij+Fij(1)其中的壓力應(yīng)變項(xiàng)?ij體現(xiàn)了湍動(dòng)能在各應(yīng)力分量間的重新分配,對(duì)總量沒(méi)有影響,是應(yīng)力模型和渦粘模型最大的區(qū)別所在。式(1)中各項(xiàng)的名稱、意義以及如何模化請(qǐng)查閱文獻(xiàn)。通常,對(duì)于三維性和各項(xiàng)異性較強(qiáng),并伴有流動(dòng)分離的流場(chǎng)(如航空葉輪機(jī)械、旋風(fēng)分離設(shè)備、化學(xué)反應(yīng)裝置等等),計(jì)算實(shí)踐表明,雖然與雙方程模型相比計(jì)算量大,但RSM模型的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于雙方程模型。文獻(xiàn)將汽車尾跡中漩渦形成的機(jī)制歸納為五類,皆體現(xiàn)了大分離和各項(xiàng)異性的特性,加之車體近壁面的特性,使得汽車?yán)@流的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)分析非常復(fù)雜。傳統(tǒng)的雙方程模型在對(duì)Reynold應(yīng)力進(jìn)行?；瘯r(shí)引入了各項(xiàng)同性的假設(shè),勢(shì)必對(duì)流動(dòng)中強(qiáng)各項(xiàng)異性的特點(diǎn)體現(xiàn)不足?；谝陨戏治?本文采用RSM和標(biāo)準(zhǔn)K-e兩種模型對(duì)皮卡車外流場(chǎng)進(jìn)行研究。3計(jì)算值的示例本文使用著名的模擬流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和燃燒等現(xiàn)象的大型通用計(jì)算機(jī)程序Fluent6.2進(jìn)行本次數(shù)值計(jì)算。3.1材料組所用模型為某皮卡車1:1簡(jiǎn)化模型,長(zhǎng)、寬、高分別約為4.9m、1.7m、1.8m。在不影響計(jì)算精確性的條件下,忽略車窗、后視鏡、車門(mén)把手等表面附件的影響,大面皆按皮卡車基本曲面建模(采用UGNX3.0實(shí)現(xiàn)),如圖1所示。3.2不等間距網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算區(qū)域采用固定的三維直角坐標(biāo)系統(tǒng),x正向?yàn)閺淖蟮接业目諝饬鲃?dòng)方向,y方向?yàn)閺淖蟮接覚M截方向,z方向垂直向上。為了減輕數(shù)值粘性的影響,計(jì)算區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)長(zhǎng)方型區(qū)域,外圍為不等間距結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格,內(nèi)部為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了節(jié)約CPU的時(shí)間,在流場(chǎng)變化較為劇烈的地方采用較密的網(wǎng)格,以提高計(jì)算精度,而在車體以外較遠(yuǎn)區(qū)域采用較稀的網(wǎng)格,總數(shù)184萬(wàn)(采用TGrid實(shí)現(xiàn))。如圖2所示。尤需注意的是:四面體網(wǎng)格的Skewness務(wù)必控制在0.80左右,否則數(shù)值收斂性很難保證。3.3流動(dòng)微分方程組的一般應(yīng)滿足的條件忽略空氣物性參數(shù)的變化,即認(rèn)為空氣的溫度、粘性和參考?jí)簭?qiáng)不變,表1列出了計(jì)算條件下的各種參數(shù)值。由于模擬計(jì)算的空氣流速比較小,空氣的可壓縮性可以忽略。本文中的數(shù)值模擬屬于穩(wěn)態(tài)問(wèn)題,所以只需給出邊界條件,無(wú)需初始條件,流動(dòng)微分方程組就有定解。邊界條件的確定要求在數(shù)學(xué)上滿足適定性,即微分方程的解存在、唯一且穩(wěn)定,在物理上有明顯的意義。模擬的邊界條件為如表2所示。3.4壓力場(chǎng)的修正本文采用分離式SIMPLE算法,此法由Patankar和Spalding于1972年提出,其核心為“猜測(cè)-修正”過(guò)程,在交錯(cuò)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上來(lái)計(jì)算壓力場(chǎng),得出速度場(chǎng),反復(fù)修正,從而達(dá)到求解控制方程組的目的,具體計(jì)算步驟如圖3所示。其中,離散格式采用先一階迎風(fēng)格式,再二階迎風(fēng)格式的方法,從而保證數(shù)值穩(wěn)定性和截差精度。一階迎風(fēng)格式可采用默認(rèn)的松弛因子,收斂后采用二階格式時(shí),湍流部分的松弛因子務(wù)必控制在0.7以內(nèi),以保證收斂性。3.5皮卡車尾流區(qū)的生長(zhǎng)本文在25m/s速度下,使用兩種模型進(jìn)行了計(jì)算,并就各橫縱截面的壓力、流線進(jìn)行了對(duì)比,部分圖譜如下所示:由圖4的壓力梯度分布可以清晰的看出皮卡車后的尾流有一部分在后車廂內(nèi)發(fā)展,然后進(jìn)入車身后部與尾部氣流匯合,形成了與普通轎車(尾流區(qū)作為整體發(fā)展)不一樣的壓力分布。車后匯合氣流的壓力分布與轎車類似。從圖5可以看出在皮卡車的后車廂內(nèi)存在一個(gè)大尺度的渦,其直徑可以與半個(gè)車長(zhǎng)相當(dāng),這是與轎車外流場(chǎng)最大的不同點(diǎn)。此渦的存在勢(shì)必要消耗流場(chǎng)的能量,在宏觀上體現(xiàn)為Cd(阻力系數(shù))升高的現(xiàn)象。從流線圖中可以看出尾流區(qū)中的部分流線是由車頂部氣流的下洗作用以及后車廂內(nèi)的渦運(yùn)動(dòng)共同形成的,這一特點(diǎn)兩種模型都捕捉到了。但是RSM模型更是捕捉到的流場(chǎng)細(xì)節(jié)比K-e模型細(xì)膩得多,此點(diǎn)從壓力梯度線可以明顯看出。從圖6～圖7中可以清晰的看出皮卡車尾部的兩個(gè)拖曳渦的圖景,即從上向下翻卷著向下游呈擴(kuò)散狀發(fā)展。很明顯RSM模型對(duì)細(xì)節(jié)的把握能力明顯強(qiáng)于K-e模型:在統(tǒng)一的計(jì)算壓力范圍內(nèi),在相同的間隔數(shù)內(nèi),RSM模型對(duì)尾跡的分層描述得更深刻;而且從速度圖中可以看出,RSM捕捉得尾跡比K-e模型大。其原因可能與標(biāo)準(zhǔn)K-e模型對(duì)各向異性抹平能力強(qiáng),尾流區(qū)中很多細(xì)小的量被忽略有關(guān)。皮卡車外流場(chǎng)整個(gè)尾流區(qū)的氣流是以不斷向后發(fā)展的渦的形式運(yùn)動(dòng)的,這一點(diǎn)與轎車類似。但由于皮卡的后部結(jié)構(gòu)與普通轎車截然不同(backbox和tailgate的存在),從而造成其尾流特點(diǎn)鮮明,即部分氣流進(jìn)入后車廂內(nèi),被tailgate阻擋后向前運(yùn)動(dòng)貼附到車背部,在整體渦運(yùn)動(dòng)與車頂過(guò)來(lái)的下洗氣流的共同作用下進(jìn)入尾流區(qū),如圖8所示。與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比見(jiàn)表3,實(shí)驗(yàn)值來(lái)源于美國(guó)通用汽車公司的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出Cd值RSM模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相差在8.4%以內(nèi),而標(biāo)準(zhǔn)K-e模型則相差達(dá)30%。Cl值RSM模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值更接近。4下車內(nèi)氣流滯止區(qū)1)從對(duì)皮卡車外流場(chǎng)模擬的整體圖譜(主要參數(shù)為壓力梯度、速度)來(lái)看,兩種模型給出的信息較為吻合。通過(guò)與皮卡車試驗(yàn)類文獻(xiàn)所給出的皮卡車后廂和尾部流動(dòng)的測(cè)試圖譜(由PIV得出,部分實(shí)驗(yàn)截圖見(jiàn)圖9)進(jìn)行比較,可以看出兩種模型對(duì)皮卡車外流場(chǎng)的總體描述(壓力梯度、速度等的分布)是可信的。2)皮卡車與一般轎車外流場(chǎng)特性類似之處在于:在轎車前臉存在氣流滯止區(qū),由此氣流分開(kāi)繞流車體,下部氣流由于地面、車底部和車輪的相互作用,情況比較復(fù)雜;上部氣流在繞流車體時(shí),于發(fā)動(dòng)機(jī)罩和擋風(fēng)玻璃之間發(fā)生局部氣流分離;氣流經(jīng)過(guò)頂蓋向后發(fā)展,與從車底部上卷氣流相互作用,在車體尾部發(fā)生較大的分離;其渦形態(tài),根據(jù)剪切層相互作用模型描述為車身尾部上下兩剪切層卷起一對(duì)上下漩渦,兩渦繼續(xù)向下游發(fā)展,以馬蹄渦的形式存在于分離區(qū)內(nèi)。3)在皮卡車的外流場(chǎng)中,于車體背部與后廂之間存在一個(gè)明顯的大渦,此為皮卡車與普通轎車外流場(chǎng)最大的不同點(diǎn)。其可能的原因是:車身尾部上下兩剪切層卷起的一對(duì)上下漩渦并不能沿著車體自由地向下游發(fā)展,而是被限制在后箱內(nèi)形成近似于半開(kāi)的內(nèi)部流動(dòng);由于底部氣流的不斷注入,以及頂部氣流的強(qiáng)烈下洗,在速度梯