汽车空气动力学的计算机仿真方法

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f 一 f f,牛 1汽车空气动力学的计算机仿真方法九、1 1L,

长春汽车研究所

范士杰一一

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[ Ab s t r a c t] Ae t o￣ t y n a mi c c h a r z c r e r i s t i e s i s o n e o f t h e i mp o r t￣ m p e r￣r ma n c e i n d i c a t i o n s o fi f l l o t or v e h i c l e . Ca i c u l a t e d f l,i d dy n a mi c s c o mb i n e d wi t h a e r o d y n a mi c s o f mot o r v e h i c l e wi l l e r e a t ab r a n d t ' l￣ W c h n 0 l。 2 y 0 mp u t e r s i mu l a t i on o f mo t o r v e ht c l e B e r o— d y n a mi c s . Me a n i ng, t h e or e t i c a l.

b a c k g r o u n d. c a l c o l a t i o n me t ho d a nd c u r r e n l i n t e r n a t i o n a l a p p l i c a t i o n s Mt￣ s o f mot o r v e h i c l e a e r o—

I . d y n R m i c s c 0 m p吣r s m u I a l i o n㈣h n’ q u e a r e p| e s e n t e d _ n t h t _ c I e—I\【摘要】汽车的空气动力特性是汽车的重要性能指标之一。计算流体力学( C F D )与汽车空气动汽车空气动力学的计算机仿真概要介绍了汽车空气动‘、。力学相结合，产生了一 -f]崭新的技术

力学计算机仿真技术的意义、理论背景、计算方法和目前国际上应用的现状。

抽词

Topi c wo r ds A e r o dyna mi cs Com pu t e r, r Si Si m

:一

竖 .

主Ⅲ 1 i 6 1 m

1引言随着我国汽车工业的迅速发展，汽车空

的分析预测 .减少试验次数，节省资金与时问，尤其是便于与现有 C AD/ C AM/ CAE系统相衔接，可与之结合构成一体化的集成系统，在车身开发过程中与计算

机辅助造型设计交叉进行，得到最佳气动外形其计算精度不断提高，已有多个商品化的软件包推出。如何将 C F D成功地运用于汽车设计，已经成为各国汽车工业的前沿课题，也是我国汽车工1

气动力学开始受到愈来愈多的重视汽车的空气动力特性是汽车的重要性能指标之， 它对汽车的其它性能 (如动力性、经济性、操

纵稳定性等 )有着重要影响汽车所受的气动阻力为：

F 一C 寺 A‘

业面临的崭新课题。本文将对汽车空气动力学计算机模拟方法的理论基础及其应用现状作一初步介绍。

从式中可以看到，气动阻力 F 与速度的平方成正比.因此当车速较高 ( 1 O O k m/ h 以上 )时，气动阻力迅速增加，约占汽车总阻力的 5 0 以上。此外：汽车空气动力学的研究内容还涉及流场研究、设备冷却、通风与空调、气动噪声等。因此 .如何提高我国汽车空

2计算流体力学理论计算流体力学是一个不断发展的前沿学科，这里仅就在汽车领域有实用价值的理论作一介绍空气与其它流体一样，本质上是粘性流体。汽车空气动力学的基本数学模型在恒温状态下为纳维~斯托克斯方程与连续性方程，是一个二阶非线性偏微分方程组，直接求解难度很大。就汽车的运动速度而言，空气可作为不可压流体处理。一般的汽车绕流问题属于不可压流体力学问题范畴对于不可压流体，有以下几种计算理论。2 . 1无粘流理沦汽车技术

气动力学研究水平并使之与汽车 C A D/C AM/ C AE系统相衔接，已经成为我国汽车工业的一个重要课题

我国汽车空气动力学研究目前仍以风洞实验为主，在国际上，随着计算流体力学 ( C F D)的进展，计算机模拟方法在汽车设计开发中得到越来越多的应用。它不需要实体

模型或实车，具有周期短、成本低、可反复计算等优点 .可在实体模型做出之前进行有效——

4一

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在无粘流理论中，将粘性力的影响略去不计，视空气为理想流

体，此时纳维一斯托克斯方程简化为欧拉方程其计算方法主要有面元法和欧拉法。2 . 1 _ 1面元法

法主要有以下几种方法 2 . 2 . 1边界层法

该方法将物体周围的流场分为粘性区与非粘性区。在物体表面附近的边界层中，粘性力的影响不能忽略，用边界层方程求解；在边界层之外，粘性力的影响很小 .可用上述无粘流理论求懈。实例 4用此法求解轿车周围压

面元法将物体表面划分为许多小单元 (面元),将三维问题化为二维问题 .使方程得到简化。最后通过边界积分求得物体表面压力分布， 2 . 1 . 2欧拉法 (流场法 )_

力分布，其结果好于无粘流理论计算结果，但在气流分离区仍有较大误差。

2 . 2 . 2直接求解纳维纳维

斯托克斯方程

与面元法不同，欧拉法将物体周围的三维流场划分为许多单元，直接对欧拉方程进行离散化，迭代求懈。

斯托克斯方程准确地描述了真实

+卧A

的粘性流动，但由于汽车绕流在很大程度上是湍流运动，故需在某种平均意义 F求解湍流运动方程。其计算方法主要有以下几种。 a . 有限差分法

以上两种方法在国外汽车界均有计算实例实例 1用面元法计算了两车相邻行驶时的气动力干扰，实例 2用面元法计算了 VwAUTO2 0 0 0轿车表面压力分布。 ,图 1给出了其计算结果的对比，实侧 3用欧拉法计算了轿车表面压力分布。各计算结果与风

有限差分法是较早出现的数值方法 .它利用差分代替微分，使方程和定解区域离散化，利用计算机求解差分方程。随着计算技术的进展，出现了各种差分形式。差分法的特点是简单、通用。 b . 有限元法

洞试验结果基本一致，但因未考虑粘性力的影响，在分离区差别较大。相对来说，欧拉法比面元法的结果要好一些。

有限元法是数值计算领域的后起之秀 .它是基于变分原理的一种离散化方法 .医域

部分突破了矩形的限制，适合于几何条件复杂的计算问题。 c . 有限体积法近年

来出现的有限体积法 .是在物理空

间中选定的控制体积上将积分型守恒方程直接离散化的一种数值方法，它综合了有限差分法和有限元法的优点，较适于复杂流动的计算。

3 C F D在国外汽车界的应用前面已经介绍丁几例用无粘流理论解汽

车绕流问题的实例。由于粘性流理沦更为接近实际情况，因此受到更多的重视 .国外著名图 1面元法计鼻结果

的软件包也应用了粘性流理论下面结台几个软件介绍其应用情况。 随着计算技术的迅速发展，各种数值模拟软件包相继问啦，结构分析领域的 NAsTRAN、 S AP等已为』\们所熟知出于流体一

2 . 2粘性流理论

由于真实空气是粘性流体，因此与无粘流理论相比 .粘性流理论的计算结果更为接近实际情况用于汽车绕流的粘性流计算方1 9 9 6年第 4期

j 5一

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现象本身以及其数学模型的复杂臻，使得研制通用的流体分析软件包非常困难 . 此流体分析软件包的问世晚 j‘结构分析软件包 P H0ENI cs是世界解套商品化 C F D软件，它采用有限体积法解袖 r 问题 . 其开发者 CHAM公司在 1 9 8 3年次将苠应用于汽车空气动力学问题 1 9 8 8年 P Ad e y

力系数 . 3给出上表面压力系数的两种网

恪计算结果与试验结果的对比。从中可以看 到.在身的前半部 .细网格的计算结果较粗『删格有明显的提高 .而在后半部并无改善。

等人用 P HOE NI C S求解 S t e r l i n g 8 2 5汽乍的空气动力特性，其结果引起汽车界注意。I

Ad e y采用三步求解、循环迭代的锯法，即：附面层懈一粘性解势流解……,

势流懈

分别用粗网格 ( I 2 3 0 0网格 )和细『叫格 ( 8 4 0 0 0

一1 .计算值 9 4×5 2& …… 此处隐藏：3407字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……