大學生電動方程式汽車大賽汽車車身空氣動力學CFD仿真案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u27071大學生電動方程式汽車大賽汽車車身空氣動力學CFD仿真案例分析 1290961.1CFD仿真的意義 196971.2ANSYSFLUENT軟件簡介 1280401.3車身CFD仿真 21.1CFD仿真的意義CFD是ComputationalFluidDynamics（計算流體力學）的縮寫，它是一種運用數(shù)值計算直接對流體方程進行求解，從而分析流動現(xiàn)象。CFD運用計算機，將三維模型經(jīng)過數(shù)值模擬計算，把計算結(jié)果通過圖片等直觀的方式展現(xiàn)出來【2】，從空間和時間兩個維度上，用數(shù)值方法精確地顯示出模擬外流暢情況。車身空氣動力學CFD仿真分析是現(xiàn)代汽車造型設(shè)計過程中不可缺少的方法，在2009年湖南大學的潘小衛(wèi)等通過CFD仿真F1賽車在不同風阻情況下阻力系數(shù)和升力系數(shù)，通過風洞試驗在相同風速情況下得出的實際阻力系數(shù)和升力系數(shù)，兩兩進行對比發(fā)現(xiàn)阻力系數(shù)誤差小于2%而升力系數(shù)誤差小于4%，因此可以說明CFD仿真與風洞試驗得出結(jié)論相差不大，CFD分析具有可行性和可靠性。CFD仿真不僅可以指導(dǎo)車身設(shè)計從而得到較理想的車身外形，并且相對于大型的風洞實驗，這種方法不僅可以節(jié)約不少時間和資金，同時可以模擬任意尺寸，任意比例的物體，模擬的風速可以無限大，流體的介質(zhì)可以千變?nèi)f化【3】，因此，在車身設(shè)計中，賽車開發(fā)合理利用CFD仿真是非常必要且有意義的。1.2ANSYSFLUENT軟件簡介汽車空氣動力學的研究目的是研究汽車行駛時受到的氣動力情況，進行分析從而提高汽車的行駛動力性。目前常用的CFD仿真軟件有ANSYS公司的CFX和FLUENT，另外一個是CD-adapco公司的STAR–CD和STARCCM+。其中ANSYSFLUENT軟件可以提供靈活的網(wǎng)格劃分類型，包括對復(fù)雜幾何模型可采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格解決流體流動問題，支持的網(wǎng)格類型包括三角形、四邊形、四面體、多面體等【4】，它還可以基于流動情況對網(wǎng)格進行加密或稀疏處理。本次設(shè)計基于FLUENT在劃分網(wǎng)格的優(yōu)越性和本人知識能力的局限性，選擇FLUENT進行仿真項目。仿真過程為：1）將三位模型圖導(dǎo)入軟件，進行網(wǎng)格劃分；2）在FLUENT中進行包括定義流體性質(zhì)、邊界條件設(shè)置、執(zhí)行計算求解和細化調(diào)整網(wǎng)格；3）處理查看結(jié)果，選定不同表現(xiàn)方式顯示出各種數(shù)據(jù)情況進行分析。1.3車身CFD仿真為防止仿真劃分網(wǎng)格的數(shù)量太多電腦無法實現(xiàn)操作，將車身的三維模型進行了簡化處理后帶入軟件進行仿真操作，如：去掉懸架雙橫桿臂、主環(huán)等對流場干擾較小的桿件；增加駕駛員簡化模型，保證圓球位置是駕駛員坐入駕駛艙后頭部位置【5】；輪胎按實際尺寸和位置簡化為圓柱體等一系列操作，繪制出簡化模型如圖3-1:圖3-1仿真車身三維圖帶入仿真軟件，建立空氣域，分為加密區(qū)、粗加密區(qū)、精加密區(qū)三層，三層最大尺寸分別劃分為512mm、64mm和32mm，將模型導(dǎo)入后通過布爾操作、空氣域各個面命名、加密等一些類操作后得到劃分網(wǎng)格，在車身邊界等極端位置進行修復(fù)短邊、修復(fù)尖角等操作，減少因模型中的尖角等導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)集中問題，減少網(wǎng)格劃分難度。同時，為了便于流體分析，同時因為車身是軸對稱的，所以只對整車一半模型進行仿真，以達到減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短劃分時間和后續(xù)計算求解時間的目的。網(wǎng)格數(shù)量最終為節(jié)點數(shù)910877個，單元數(shù)8712768，網(wǎng)格整體連續(xù)均勻，過度平順。劃分網(wǎng)格如圖3-2：圖3-2車身網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)以往賽季的數(shù)據(jù)，直線加速測試、八字繞環(huán)測試、高速避障測試和耐久測試四項動態(tài)賽中賽車常用時速為20m/s（72km/h）左右，因此FSAE賽車流場一般為低雷諾數(shù)下的等溫、三維、不可壓粘性流動，因此仿真時選定適用于大多數(shù)工程湍流問題的k-ε模型?！?】控制方程如下：連續(xù)方程?ui動量方程ρ?ui式中：p'-修正壓力；μk-ε模型中湍動能和湍動能耗散方程分別為：湍動能方程k：?ρk?湍動能耗散方程ε：?ρε?式中：μ-層流粘性系數(shù)；湍流常數(shù)：Cμ=0.09，Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1.0,σ因此，使用Viscous的k-epsilon2模型對網(wǎng)格進行設(shè)定，設(shè)置入口面（inlet）、對稱面（symmetry）、移動地面（wall_moving）、風洞壁（wall_tunnel）、出口面（outlet），對入口面設(shè)置20m/s的速度，對其他面參考值包括流體性質(zhì)密度等進行設(shè)置。在進行多次約束后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定具有參考價值，對車身整體的阻力、升力將進行計算求解。求解結(jié)果阻力值和升力值分別如圖3-3和3-4:圖3