在汽车空气动力学研究中的应用

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1、万方数据汽·FI。UENT在汽车空气动力学研究中的应用·文章编号：1002-4581(舵)一∞38一惦FLUENT在汽车空气动力学研究中的应用冯宜彬，过学迅FENGYi—bin，GUOXue—xun．(武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070)摘要：文中简要介绍了汽车的空气动力学特性以及FLUENT软件的主要特点，并对汽车外流场数值分析中的有关理论基础进行了探讨。着重讨论了FLUENT软件在汽车空气动力学研究中的应用．并给出了应用实例。关键词：FLUENT；k-￡模型；汽车；空气动力学中图分类号：U461．10引言构造节约型、

2、环境友好型社会，是目前我国面临的一项重大课题，节能、安全与排放是当今汽车工业的三大课题。众所周知，在研究汽车空气动力学时风洞实验既费时又昂贵，而随着计算机和计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的计算流体力学(CFDComputationalFluidDynamics)则为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径。FLUENT软件集三维实体造型、空气动力学计算、计算结果图形化等功能于一身，可以对复杂几何外形建立准确的三维实体模型，并对其进行空气动力学计算，得到可视化的图形结果，用来指导产品的开发、设计。汽车空气动力学特性1．1汽车空气动力学的研究内

3、容汽车空气动力学对汽车性能有广泛的影响，寻求这十几项(如图1所示)的改善正是从事汽车空气动力学研究的主要目的。1．2汽车气动力和气动力矩汽车与空气相对运动并相互作用，会在汽车·38·文献标识码：A!塾堡堕Jr1塑塑丝堕丛lH!墨璺塞壁lH望垦：墼垫玉亚口卜[巫巫口№亟巫固卜[互玉圈qi圈q]函Hj巫尘土污染叫有效空间车身上产生一个气动力F。通过大量的实验研究，可以用下面较简练的式子来表示这个气动力[1]：1’户q．sc，=下1PtJ=，sC，(1)‘式中：F为气动力；P为空气密度；口一为汽车与空气相对速度；S为汽车迎风面积；c，为气

4、动系数。气动力的作用点也称风压中心，通常用C．P表示(CenterofPressure，简称C．P)。为了便于分析，需将这些力的作用都放在汽车的重心(C．G)上来。这样就产生了气动力矩[1]：气动侧倾力矩：恤=兄·Y。-F，·zc=qSICq(2)气动横摆力矩：Mr=兄·zc．Fz·X。=qSlCA(3)气动纵倾力矩：％=目·Xc-Fx·Yc=qSIC脚(4)式中：q、CN、C村分别为气动侧倾力矩系数、气动横摆力矩系数、气动纵倾力矩系数；X。、y“磊为风压中心到重心的坐标值。万方数据·FLUENT在汽车空气动力学研究中的应用·2FL

5、UENT软件简介FLUENT软件的最大特点是具有专门几何模型制作软件Gambit模块，并可以与CAD连接使用，同时备有很多附加条件和附加方程添加接口，使用了目前较先进的离散技术和计算精度控制技术，如多层网格法、快速收敛准则以及光滑残差法等，数学模型的离散化和软件计算方法处理较为得当。实际应用中发现，该软件在模拟单相流动或进出口同向或反向流动时，可以得到较好的模拟计算结果，且具有一定的计算精度。FLUENT软件包主要具有常用的6种湍流数学模型、辐射数学模型、化学物质反应和传递流动模型、污染物质形成模型、相变模型、离散相模型、多相模型、

6、流团移动模型、多孔介质、多孑L泵模型等。FLUENT软件的核心部分是纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程组的求解模块。用压力校正法作为低速不可压流动的计算方法，包括SIMPLE、SIMPLEC、PISO三种算法。采用有限体积法离散方程，其计算精度和稳定性都要优于传统编程中使用的有限差分法。而对可压缩流动采用耦合法，即将连续性方程、动量方程以及能量方程联立求解。FLUENT软件主要由前处理、求解器以及后处理3大模块组成。采用自行研发的GAMBIT前处理软件来建立几何形状及生成网格，然后由FLUENT进行求解。FLUENT软

7、件进行流体流动与传热的模拟计算流程如图2所示。图2Fluent软件的程序结构3FLUENT在汽车空气动力学研究中的应用3．1FLUENT在汽车外流场数值模拟中的应用3．1．1控制方程与湍流模型汽车外流场为等温、不可压、定常流场，控制方程为不可压平均N-S方程，可用线性或非线性方法进行求解。其中，非线性方法雷诺平均N—S方程组法，被广泛应用于汽车外流场分析中。由于引入了未知的附加雷诺应力项，需要采用湍流模型来解决RANS平均方程组封闭问题。通常引入相应的湍流模型为k一￡二方程模型，该模型是由Launder-Spalding(1974)

8、和Rodi(1980)建立的，在工程中得到了广泛地应用。质量守恒方程：鲁+M华+v警乒切华=o(5)动量守恒方程：掣+div(P／zu)=di、r(／卫grad／z)-鲁+sp(6)掣+div(舢)=diV(／zgrad秽)一鲁峨(7