汽车空气动力学 教学课件 作者 傅立敏 第八章　汽车空气动力学数值计算.pptx

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1、KQ4主编第八章　汽车空气动力学数值计算第一节　空气动力学数值计算概述第二节　CFD在汽车空气动力学中的应用第三节　非粘性流方法第四节　N—S方程的简化第五节　N—S方程的解法第六节　结　束　语第一节　空气动力学数值计算概述一、空气动力学的研究方法二、CFD的一般方法三、计算流体力学的发展过程四、CFD的理论基础及现状一、空气动力学的研究方法CFD是建立在全Navier—Strokes(以下称N—S)方程近似解基础上的计算技术。根据近似解的精度等级，把N—S方程的解法分成以下四类：1)线性非粘性流方法；2)非线性非粘性流方法；3)平均雷诺数基础上的N—S方程；4)全N—S方程。CFD有多

2、种多样的方法，最常用的方法有以下三种：1)有限差分法(finite-difference2)有限要素法(finite3)边界积分法(boundaryintegrlmethod，BIM)。二、CFD的一般方法图8-1　CFD系统图二、CFD的一般方法二、CFD的一般方法二、CFD的一般方法三、计算流体力学的发展过程图8-2　CFD的发展过程四、CFD的理论基础及现状(一)无粘流理论(二)粘性流理论(三)CFD存在的问题及当前研究的重点(一)无粘流理论1.计算结果与试验结果的差异2.不同计算方法的计算结果的差异1.计算结果与试验结果的差异1977年，曾有人用有限要素法计算了两辆小客车相邻行驶

3、时的气动力。计算结果表明，往前超车的一辆车由于另一辆车的干扰，产生一个使其偏离邻车的横摆力矩，这与实车试验结果定性一致。1982年又有人用该方法计算了小轿车表面的压力分布(β＝0°)状态。计算时，没有考虑车身底部外形以及车轮的影响，作了平滑车底的近似。2.不同计算方法的计算结果的差异放弃无旋条件则无粘运动方程成为非线性的欧拉方程。欧拉法与有限要素法的不同之处在于：有限要素法是把物面分成许多单元，而欧拉法是将物体周围的流场进行单元划分。(二)粘性流理论1.计算结果与试验结果在分离区的差异2.计算结果与试验结果虽然定性相似，但定量差异较大1.计算结果与试验结果在分离区的差异用边界法将物体周围

4、的流场分为粘性流区和非粘性流区两个区域。在物体附近很薄的一层称为边界层，考虑了粘性的影响。边界层外为非粘性流，用上述无粘流方法进行处理。边界层内为粘性流。最近有人用这种方法计算了小轿车的压力分布，计算结果表明，由于在分离区没有考虑分离的影响，分离区的计算结果与试验结果有较大差异。2.计算结果与试验结果虽然定性相似，但定量差异较大目前进行了关于分离和涡流的CFD研究并积极地利用CFD对风洞试验进行补充。现在用CFD可解决下列问题：1)用CFD预测分离和涡流较少的车身前部的表面压力分布。2)对流态显示比较困难的车身底部，可用CFD得到的数据对风洞试验进行补充。3)用CFD方法进行涡流和分离少

5、的低阻车的设计和开发，从而缩短设计、开发的时间。(三)CFD存在的问题及当前研究的重点1)目前尚无成熟的非线性偏微分方程数值方法的数学理论，尚未建立严格的误差估计及严格的稳定性分析方法。2)数值方法只能给出离散数据或单元近似函数，因而不能完全代替解析解。3)数值方法只能分辨相对网格尺寸而言的长波现象，而为提高分辨率减小网格，又受到计算机容量、速度的限制。目前，CFD主要研究下述问题：1)基本方程和湍流模型的处理；2)数值方法和计算格式的发展；3)计算坐标的选取、物面描述和网格生成；4)边界条件等影响计算精度的因素的处理；5)CFD计算结果与试验结果的对比分析以及采用PIV法等流态显示技术

6、的发展。(三)CFD存在的问题及当前研究的重点第二节　CFD在汽车空气动力学中的应用一、汽车流场数值模拟的特点和难点二、流场中作用的力三、理想流体的计算准则四、空气的两种近似法一、汽车流场数值模拟的特点和难点汽车周围的流场是非常复杂的，它存在着显著的分离现象，如：具有大曲面的二维或全三维流动产生空泡形分离涡，与车身形状有关的尾流结构以及顶部、底部、侧面气流之间产生强烈的相互影响。二、流场中作用的力图8-3　作用于流体上的力二、流场中作用的力（8-1）（8-2）（8-3）（8-4）二、流场中作用的力（8-5）（8-6）（8-7）（8-8）（8-9）（8-10）（8-11）三、理想流体的计算

7、准则（8-12）（8-13）（8-14）（8-15）三、理想流体的计算准则四、空气的两种近似法前面已分析了汽车绕流研究的难点，为了使汽车空气动力学问题易于处理，必须对空气的物理特性进行近似和简化。汽车空气动力学把空气分为两种类型，即完全流体和粘性不可压缩流体。第三节　非粘性流方法一、控制方程二、作为欧拉方程解的无旋流场三、无旋流四、涡格法和面元法的基本概念五、涡格法六、面元法七、非粘性无粘流方法一、控制方程（8-16）（8-17）二