汽车空气阻力系数的数值模拟及研究

汽车空气阻力系数的数值模拟及研究 汽车空气阻力系数的数值模拟及研究 第34卷第2期 2007年4月 拖拉机与农用运输车 Tractor&FarmTransporter Vo1.34NO.2 Apr.,2007 汽车空气阻力系数的数值模拟及研究 张伟,胡树根,宋小文,毕亚港 (浙江大学a.机械与能源工程学院;b.计算机科学与技术学院,杭州310027) 摘要:迄今国内外对汽车空气动力性能的研究仍以风洞测试为主,采用CFD软件对汽车外流场进行模拟是用来测试汽车气动 阻力系数的一种新方法.本文用FLUENT软件通过对网格质量和地面条件不同的两组模型进行数值计算,结果表明,高质量的网 格和采用移动的地面边界条件能很好地提高计算精度. 关键词:数值模拟;FLUENT软件;气动阻力系数;汽车 中图分类号:U461.1文献标识码:A文章编号:1006—0006(2007)02-0035—02 NumericalSimulationandStudyof AerodynamicDragCoefficientofAutomobile ZHANGWei..HUShu—gen.,SONGXiao—weft,BIYa—gang (ZhejiangUniversitya.CollegeofMechanicalandEnergyEngineering;b.CollegeofCompu terScience,Hangzhou310027,China) Abstract:Thispaperintroducesanewwayforachievingtheaerodynamicdragcoefficientofc arbyadoptingCFD software.ByusingtheFLUENTsoftware,thetwogroupmodelswithdifferentmeshandgrou ndboundaryconditionsare numericallysimulated.Theresultsshowthatthehigherqualitymeshandmovinggroundcon ditionswillhelptoimprovethe numerationprecision. Keywords:Numericalsimulation;FLUENTsoftware;Aerodynamicdragcoefficient;Auto mobile 随着石油价格的不断上涨,人们越来越注重汽车的耗油量及其 空气动力性能,而气动阻力系数是汽车空气动力性能的重要指标. 当前测试汽车气动阻力系数的方法主要有三种:风洞试验法,功率平 衡法和数值计算法.由于数值计算具有效率高,成本低,应用范围广 等优点,已广泛被各大企业,科研院校所使用. 虽然国内在汽车空气动力学数值计算起步较晚,但从上世纪9O 年代末起进展迅速,不少院校都对自己的汽车模型进行了数值模拟, 结果能很好地跟实验值相吻合".J.但是以上结果大都来自自己 所编写的程序或者是其他商用CFD软件,而FLUENT作为一款商用 CFD软件,在国内由于计算精度的原因在汽车外流场的数值模拟上, 研究和应用都比较少.在数值计算过程中,影响精度的因素主要有: 几何模型,网格质量,湍流模型,边界条件,残差以及离散,差分格式 等l4j.当前,随着计算机性能的提高和湍流理论的发展.数值模拟 计算的精度已越来越高,本文以FLUENT软件为平台,以缩小的 Ahmed简单车体模型'为研究对象,用RNG一s湍流模型l6J对其 进行数值模拟计算,求解气动阻力系数, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 网格划分和地面条件不 同对汽车气动阻力系数计算结果的影响. 1模型建立和网格划分 根据Ahmed模型的几何参数(如图1),在GAMBIT中采用 BOTFOM--UP方式进行外形构建.计算区域为模型前方3倍模型长, 后方为6倍模型长,高为3倍模型高,宽为3倍模型宽,模型离地面 一自图1模型的几何参数(单位:ram) Fig.1GeometryParametersofModel 收稿日期:2006-04—28;收修改稿日期:2006—05—07 高为30mm.采用四面体网格对整个计算区域进行网格划分,根据 网格划分的疏密构建.『四个模型,分别为Model-l,Model2,Model-3, Model4,其网格情况见表1和图2,图3. 表1模型的网格划分情况 Tab.1MeshingStrategyofModels 图2Modelj的网格图 Fig.2GridofMode1. 1 图3Modelj的网格图 Fig.3GridofModel_3 ? 35? 拖拉机与农用运输车第2期2007年4月 2数值模拟计算 2.1控制方程和离散 控制方程为时均N—s方程,湍流模型采用RNGs模型.控制 方程的离散采用有限体积法和交错网格系统,其中扩散项和源项采 用二阶中心差分格式,使用SIMPLE算法来进行数值模拟. 2.2边界条件 求解区域前端入口边界为速度边界条件=40m/s,求解域后端 为压力出口边界条件P=101325Pa,求解域两侧及上方为对称界面, 求解域下方地面边界条件为固定壁面(或移动壁面),模型外表面为 固定壁面边界条件. 2.3计算结果 为了研究网格质量和地面条件对计算模型气动阻力系数上的影 响,按照网格,地面条件的不同建立两组计算模型.具体的分组情况 和计算结果见表2. 表2模型的分组及计算结果 Tab.2DescriDtionsofSimulationCaseandResults 3计算结果分析 气动阻力系数的计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为 =puCDA/2 式中.P为空气密度;为车速;cD为气动阻力系数;A为汽车迎风面 积.通过迭代计算,FLUENT得出模型在某一方向上所受到的压力 (阻力),然后通过给定的参考参数按照上述公式来求解出气动阻力 系数.因此,计算出的压力值的精确度就直接关系到阻力系数的正 确与否.而模型所受的压力绝大部分集中在头部,这一部分网格的 疏密将对结果产生很大的影响,如果网格太疏,导致模拟计算出的压 力值偏大,阻力系数也相应偏大;网格越细,将越接近实际值,从表2 中也可得出这样的结论.在三个不同网格质量的文件中,Model_3经 过在FLUENT中进行网格自适应加密后.得到的cD值最小,也最接 近于真实值;而Model_4是在GAMBIT中经过区域后进行网格化.其 中包括Tet/Hybid—TGrid和Hex—Map两种类型的网格,虽然网格数 很大,但其结果却不是很理想,这表明,网格并不是越细越好.人们 通常认为在计算机允许的条件下.网格数越多结果越接近实际值,在 一 般情况下这是成立的,但在某些问题上,当网格达到一定的精度 后.结果就不会有大的差异,关键在于合理的分块,在适合的区域进 行加密,不然就会增加计算量,又得不出准确的结果.同时也表明在 加密网格的方法上,在FLUENT中进行自适应网格细化所得到的结 果要比直接在前处理软件中加密所得的结果更可靠. 在研究地面边界条件对气动阻力系数计算的影响时,本文分别 用三个不同网格质量的模型来进行模拟.设置地面边界条件的移动 速度与来流方向相同,并等同于来流速度(40m/s),这样可以更好地 模拟出汽车相对于地面运动的真实情况.从表2的结果中可以看 出.在修改了地面边界条件后,气动阻力系数下降,精度变得更高. 这是因为在移动壁面条件下,空气跟地面没有相对运动,消除了两者 相对运动而产生的粘性阻力,使得总的气动阻力下降,这从表3中的 数据可以得到证实.同时,从三组不同模型的计算结果来看,网格质 量最差的Model_1模型的减小幅度最大,Model_2次之,Model_3的降 ? 36? 幅最小.这表明,在一定的范围内,移动壁面所得出的值的降幅 随着网格质量的增加而减小,最后达到一定值. 表2中的计算结果CD=0.31,对比Ahmed的实验数据C.= 0.29_6J ,已很接近实际值,表明本文所建的计算模型准确可靠.图4和图5为Model_3在固定地面条件下计算所得的模型表面压力等值 图和迹线图. 表3Model_2在不同地面边界条件下的计算结果(FLUENT原始数据) Tab.3ResultsofModel_2withDifferentGroundConditions 图4模型表面的压力等值图 Fig.4PressureContoursonModelSurface 图5模型周围的流线图 Fig.5PathLineAroundModel 4结论 1)通过对Ahmed缩小模型的气动阻力值的模拟计算,表明采用 FLUENT软件进行汽车气动阻力系数的计算是可行的. 2)在网格划分上,采用FLUENT求解器自带的自适应网格细化 要比在前处理软件上直接网格加密的计算精度更高. 3)在地面边界条件的设置上,采用移动壁面所得出气动阻力系 数将更接近于实际值. 参考文献: [1]刘传超,张彬乾,孙静,等.大型载货车气动阻力计算与流场分析[J].汽 车科技,2005(4):24,26. [2]王淼,刘振侠,黄生勤.FUENT在汽车外形设计中的应用[J].机械设计 与制造,2005(4):71-73. [3]陈景秋,樊雪峰,胡韩飞.小轿车绕流流场的三维数值模拟[J].重庆大 学,2004,27(10):134,137. [4]严鹏,吴光强,付立敏,等.轿车外流场数值模拟[J].同济大学, 2003,31(9):1082,1086. [5]AHMEDSR,RAMMG,FALTING.SomeSalientFeaturesoftheTime- AveragedGroundVehicleWake[J].SAETechnicalPaper840300,1984. [6]杨胜,张扬军,涂尚荣,等.汽车外部复杂流场计算的湍流模型比较[J]. 汽车工程,2003,25(4):322,325. (编辑郭聚臣) 作者简介:张伟(1977一),男,浙江东阳人,硕士研究生,主要研究方向为汽车 空气动力学.