汽车外形设计的流体力学仿真依据docx.docx
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大连民族学院毕业设计（论文）
汽车外形设计的流体力学仿真依据
学院（系）：
物理与材料工程学院
专业：
光电子技术与科学
学生姓名：
王世泽
学号：
2011153221
指导教师：
毕振华
评阅教师：
赫然
完成日期：
2015年月日
大连民族学院
Hydrodynamicssimulationbasedautomotiveexteriordesign
Abstract
Thepurposeofdomesticandforeignlargecollectionandreadaboutthedevelopmentprocessofautomotivedesign,automotivedesignanalyzeadvantagesanddifficulties,affectvehicledesignanddocumentationofrelevantinformation,tounderstandtheperformanceandcharacteristicsofautomotivedesignmethodsofvarioustechniques.
ThispapermainlythroughthefamiliarandsimulationsoftwareCOMSOLtosimulateadifferentappearanceofthecarmodel,asmuchrelevantdataobtainedunderdifferentdesignsforthemainimageanddataanalysis.Throughavarietyofdifferentgraphicalappearanceofthecarmodeldatacomparisonandcontrastoptimummodeldesign,andanalysistodothereport.
TolearnandmasterthephysicalsimulationdesignsoftwareCOMSOL.AndapplicationsoftwareCOMSOLcollecteddifferentmodessimulationmodelingandoptimization,thefinalresultofthedataobtainedafterthesimulationandoptimizationwerediscussed.
Keywords:
COMSOL;automotivedesign;simulationmodel
摘要
大量收集并阅读国内外关于汽车外观设计的发展历程，分析汽车外观设计的优势以及困境，对汽车外观设计的影响相关的资料和文献，达到了解汽车设计的各种技术方法的性能和特点的目的。
本论文主要是通过对COMSOL仿真软件的熟悉及操作，模拟不同外观的汽车模型，尽可能多的得到不同的外观设计下的相关数据，以图像及数据分析为主。
通过对各种不同外观的汽车模型的图形对比及数据对比得出最佳模型设计方案，并分析做报告。
学习并掌握物理仿真设计软件COMSOL。
并应用COMSOL软件对采集到的不同的模式进行建模和优化仿真，最后对仿真优化后的得到的数据结果进行分析讨论。
关键字：
COMSOL；汽车外观设计；仿真模型
1绪论
随着科技的发展、时代的进步，在中国汽车的总体市场方面，最少在将来的几年里，一直到今年，随着国内生产总值（GDP）有可能以百分之八到百分之九的年平均速率一直增长下去，给我们所带来的经济的发展，因为这样生活中人们对汽车的需求量也一年比一年多，根据专家的预测，到今年年底，将有超过一千万辆的中国汽车被销售。
这种销售量的剧增将使中国以最快速度拿下全球第二大汽车的市场的称号，世界各个地方的多家汽车制造商、供应商的前途命运也直接被中国汽车市场这种规模影响着。
如果在今后汽车发展的道路上，中国汽车汽车想要有更远大的发展前途，把制造和组装作为发展的核心是很有必要的，其主要有两个原因。
其一，中国人口很多，购买力强大，所以汽车在中国的市场很大，今后的二十年汽车的销售量将会一年比一年的持续攀升。
其二，在汽车制造方面中国区域有着很强大的优势：
中国的劳动力价格不但很低，而且人文素质较高，几千年的工业基础也有着不可抵御的庞大力量，很简单我们举个例子来说：
上海通用，是通用在全世界的合资品牌中的头号模范。
如果在今后的发展中上海通用再创新了自己的设计理念，那么它的发展前景在汽车市场里将会是相当远大的[1]。
在过去的几百年里面，汽车的发展从没有间断过，其外形构造大概经历了以下这么几个阶段:
期间最早的是马车型汽车，大箱型汽车，甲壳虫汽车，船型汽车。
而汽车本身的发展历史也是很悠久的，不得不被载入历史记载。
接下来就详细的阐述介绍了在不同的历史时期汽车的不同风格特点及在每个时期的汽车发展道路。
从19世纪末到20世纪初期，汽车设计师在汽车的结构上花费了相当大的时间和精力。
直到20世纪前半期，汽车的基本结构框架已经全部浮出水面，于是汽车的外部造型变成了设计师们的设计焦点，并在接下来的汽车发展中不断引入新的理论，像物理学里的空气动力学和流体力学、人体工程学以及工业美学等理念，希望能够创新出满足各种阶层，甚至各种文化背景的人在汽车外形结构上的不同需求，使汽车在艺术科学的领域里以最佳形象面对大众。
人类的模样被富有想象力的设计师们大胆地运用到了汽车的外形结构上。
例如：
将汽车的前照灯模拟成人类的眼睛；进风口设计成汽车嘴巴；空气滤清器就好比汽车肺；油路便是汽车血管；发动机是心脏；油箱就像胃一样储存实物；轮胎则是汽车的脚。
尽最大可能地将一个没有生命的机械注入生命的灵魂，使它具有不一般的精神力量，给使用者美的感受。
汽车车身形式经历了好几个阶段，在它的发展过程中，最具有划时代意义的一款外形产品当属甲壳虫型的轿车。
图1.1（手绘汽车模型）
在赛车制造上被运用到最多的造型当属楔形造型了。
因为赛车是一款讲究速度的车型，我们首先考虑到的是行驶过程中空气对汽车前行产生的阻力大小因素，考虑到汽车外形对汽车各个方面的影响，可以完全应用于赛车车身，而乘坐的舒适度就不再显得那么的重要了，其设计也会被排在外形制造的下一步。
楔形制造也有很多成功地案例，如在二十世纪八十年代的时候，意大利有一款相当有名的汽车制造厂商生产的法拉利跑车，它的外形就是完全运用的楔形造型，可谓是全世界跑车里的典范。
将楔形投身于汽车的外观造型上其最大的优点就在于造型的简单干练不繁琐、线条给人以动感，在另一方面，它也成功了体现了汽车外观造型在空气动力学方面的应用，对于目前生活中我们能够考虑到的拥有较高速度的汽车来说，楔形造型还是比较符合现在人们对汽车的要求理念，这款造型附带着很强的现代化生活韵味，体现出了那种极速那种给人很美好的感受。
在日本丰田汽车有限公司制造的跑车里有一款型号为MR2型中置发动机跑车，其尾部装有挠流板，它的外观设计也是成功地运用了楔形，可以称得上是楔形汽车中的代表车之一[2]。
针对于目前在我们所考虑到的高速汽车中，楔型几乎已经发展成为一种理想现代化的车型。
现在世界上很多大汽车生产国生产的小型客车大都也用上了楔型模型，这使得小客车的外观也追上了现代化汽车的理念，那些以楔型为模型的小客车的外形简洁大方，现代化韵味浓厚。
我们相信楔型车在未来的发展史上将会被更大幅度的引用，并不断地改进，特别是在客车的造型上，定会是在的基础上有着新的突破。
例如，车的前窗玻璃可以设计的再往前倾一些，把尾部的阶梯状去掉。
车窗玻璃和车身侧面齐平，使它们在同一个平面上，调整后视镜的造型，看看在什么情况下可以获得最小的风阻力，或者在车内安装后视的电视银幕，这样可以取代在车体两侧的后视镜。
总之，平滑、流畅将会是未来的小客车的造型的反战趋势。
空气动力学设计将越来越被重视，其运用在汽车造型上的发展也将随着科技的进一步发展而运用的更加微妙微翘，与乘坐舒适性恰当地组合设计将会带来汽车发展史上的一波接一波的设计高潮，在其发展中，只要我们充分的考虑到空气阻力和乘坐舒适性两个关键问题，努力开发工程学在人力感知领域的高新技术，把目标定得更高更远，以更完美、更优秀为标准，并将色彩的喷涂等技术成功地运用到汽车的设计当中，使之取得柔和感和透明感，在色彩中体现人与自然的完美结合，那时便会格外赏心悦目。
谈完汽车造型的演变，不禁让人感叹汽车的发明历史，是人类文化历史中的又一体现，着实令人惊叹不已的一种发明案例。
就在在100年前，马戏团里出现了令人激动不已的怪物，那便是汽车的雏形，在今天，在各地的公路上已有超过2．5亿辆汽车在行驶着。
它被数百万人因各种各样的目的利用着，谋生、旅游等等。
人类的生活方式被汽车深深的影响着，它也改变了人们的生活，使我们的生活变得更加快节奏，以至于今天的一旦离开了汽车，不能想象我们的生活将会变成什么模样。
图1.2（手绘汽车模型）
2.物理模型建立
2.1流体力学
在连续介质力学中，流体力学是仅仅是它的其中一小部分，主要是研究气体及液体等现象以及其它一些相关力学行为的科学理论。
如果按照研究对象的运动方式可以将流体力学划分为流体静力学和流体动力学两个重要组成部分，要是按应用范围划分，则可以分为水力学，空气动力学等等。
N-S方程是理论流体力学的基本方程，全称为纳维-斯托克斯方程。
N-S方程由多个微分方程组成，通常要想求解它，就只有通过一些边界条件或者通过数值计算的方式。
它包含很多变量，其中像速度、密度、黏度、压强p，和温度T等等，而这些都是位置（x,y,z）和时间t的函数[3]。
水和空气与我们的生活都是息息相关的物质，在流体力学中算是研究得最普遍的流体。
牛顿运动定律和质量守恒定律两大定律是流体力学的主要基础，此外在运动当中时常还会涉及到其他相关基础知识，例如考虑到温度时就会用到热力学知识，有时还需要用到宏观电动力学的一些基本定律，在计算详细参数是用到高等数学、物理学分析、化学组成等的基础知识。
伯努利在1738年出版他的著作时，首先将水动力学这样一个流体力学名词作为书名。
直到1880年前后空气动力学这个名词才真正的腾空出世。
在1935年以后，人们将这两方面的知识概括在了一起，建立了一个比较统一的体系，并命名为流体力学[4]。
应用领域
流体包含很多方面，除水和空气可以称之为流体之外，水蒸气、生活中机械运转用到的石油、含泥沙的江水、人和动物的血液、超高压作用下的液态金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等可以在空间流动的介质通称为流体。
流体力学知识在生活中、科技创新中被广泛的应用，像在勘测气象方面、水利研究方面，船舶、机械和核电站的设计构造及其运行方面，爆破方面，汽车制造以及天文学研究的若干问题等等，都被很广泛地引用。
研究方法
流体力学研究的进行可以分为四个方面：
现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算。
现场观测是针在自然界原本存在的一些流动现象或者是经过人类的工程施工从而产生的流动现象，然后利用各种科学仪器进行系统性观测，然后将流体在运动中的规律总结出来，并根据已经总结出来的规律预测流体在运动中还会产生的其它现象并归纳总结[5]。
像以前对天气的勘测，就是通过这样一个流程开展的。
实验室模拟在自然现象中现实的流动现象的发生一般是不受控制的，同一现象发生的条件也不可能重复的发生多次，而我们在进行一项研究的时候，是需要将统一过程反复的研究，也就是说需要有几乎完全一样的流程反复出现，这样的情况下，仅仅通过现场观测就达不到预期的效果，从而就会对流动现象和规律的研究有很大的影响；而且现场观测是需要花费大量人力、财力和物力的[7]。
因此，实验室的成立在研究流体力学方面是很有必要地，在实验室中，我们可以通过科学技术模拟流体运动现象，并认为的控制这些现象在一定的条件下反复出现，以便于工作人员的观察和研究。
和其它很多科学实验一样，流体力学是需要在不断地反复实验中进行的，特别是对那些之前从未研究过的陌生的流体运动。
通过实验，我们能够了解到相关流体的运动特点及其运动规律的主要趋势，对形成完整的概念体系和检验之前所得到的理论是否正确都很有帮助。
在过去的二百年里，实验在支撑着流体力学的发展当中占据相当重要的位置。
而模型实验则是实验当中最常用的方法之一，在流体力学的实验研究中起着相当重要的作用。
这里所提到的模型是指我们根据流体力学的相关理论指导，放大或是缩小相关的研究对象，合理的去安排实验。
其实在实验操作当中，有很多流动现象是很难单纯地只靠理论计算去解决的，有的则因为成本太高或者是规模太大根本就无法去完成相关实验。
这个时候，就需要我们根据上面提到的模型实验进行实验操作得到数据再根据相关的计算简单算法得出我们所需要的数据。
现场观测常常是针对在现实中已经存在的实体工程进行观测，而很多在大自然界还没有被发现的事物则需要我们通过实验室模拟去进行观察，使之在今后的应用中得到改良。
所以说，在研究流体力学时实验室模拟是一种重要的方法[9]。
理论分析则是根据在之前研究得出的流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，再通过利用数学等分析计算的手段，研究流体的运动，解释那些我们已经知道的现象发生的原因，再预测在流体运动当中还可能产生的其它现象。
理论分析的步骤一般如下：
首先是需要建立起一个研究模型，流体力学研究则是需要我们针对实际流体相关的力学问题建立“力学模型”，分析流体实体运动当中将会产生的各种矛冲突并提取主要因素，并根据具体的问题进行简化从而建立起反映真实问题根本因素的“力学模型”。
连续介质、不可压缩流体、理想流体、平面流动等都是流体力学中最常用的基本模型。
数值计算针对流体运动的各种特点，我们可以选择用不同的数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来，从而得到我们试验中想要得到的一系列连续性方程、能量方程和动量方程。
但仅仅这些是远远不够的，必要地时候我们还需要加上某些相关的能够使各流动参量串联起来的关系式，例如状态方程等。
这一系列的联系各流动参量的方程组合在一起称为流体力学基本方程组。
由于这一系列研究，无论是从基本的理论还是基本的方程的都与特别深奥的数学问题有关，所以流体力学的进展一直以来都离不开数学的探索。
相反，已经通过了实验和工程实践考验过而得出的流体力学理论，又为数学理论的发展铺好了道路，很多它所提出的一直没有解决的难题，也给数学研究发展中提供了很好的研究方向，就目前数学发展的状况看来，有很多题目单纯靠纯数学的角度是很难去完善的解决的，这个时候就需要依靠实验来辅助进行。
在流体力学理论中，特定的流体的理论模型是需要用简化流体物理性质的方法建立的，简化数学问题的方法有很多，通常我们可通过减少自变量或减少未知函数等方法来简化这些数学问题，在一定的范围内，它是可以帮组我们去解决许多实际的问题，成功地达到我们预期的结果[14]。
此外，像湍流这种实际流动往往情况特别复杂，无论是在理论分析上还是在计算数值的时候都会遇到巨大的数学难题，从而得不到具体的结论，在这个时候，现场观测和实验室模拟进行研究使我们的不二选择。
2.2湍流模型
计算流体动力学的控制方程是基于质量守恒、动量、能量三者。
湍流是当这三种的传输量在时间和空间上表现出周期性,同时出现不规则波动时产生的气流。
因此交通工具变量的混合也在这样的条件下大大得到提高。
没有单一的湍流模型可以决定所有气流条件下的物理现象。
湍流模型的选择取决于所需水平的准确性、可用的计算资源和所需的周转时间。
在k-ε模型的原理中，K指的是紊流脉动动能（J），ε指的是是紊流脉动动能的耗散率（%）。
其中K影响着湍流脉动长度和时间尺度，k越大表明湍流脉动长度和时间尺度越大，ε恰恰相反，越大意味着湍流脉动长度和时间尺度越小，湍流脉动由这两个量约束着。
但是在计算的实际问题中可能并不会像上所说的那样存在一个确定的正比或者是反比的关系，这是因为湍流脉动的尺度范围是很大的。
在多尺度湍流模式中，湍流由各种尺度的涡动结构组成，每一部分都有着自己的特点，大涡携带并传递能量，而将将能量耗散为内能的是小涡。
在两方程湍流模型中k-ε模型是最具代表性的。
k-ε模型主要包括RNGk-ε模型和标准k-ε模型等，下面简要介绍一下。
1、RNGk-ε模型
湍流产生和消散的传输模型和k-ε模型的一样，只是在模型常量方面有一些区别。
用函数
代替原来的定真
。
式中
2、标准k-ε模型
为了建立起它们与涡粘性的关系，我们可以把双方程模型把紊流粘性与紊动能和耗散率kε相联系，这种模型在工程上被广泛的采纳。
在k-ε模型中假设湍流粘性和湍动能及耗散率有关，则标准的k-ε方程形式为：
+
=p-
ε+
[（μ+
）
]
+
=
-
+
[（μ+
）
]
=
其中，k为湍动能，ε湍流耗散率，
和
分别为湍动能生成项和湍流粘性系数，模型常数分别为：
=1.4
4，
=1.92，
=1.3，
=1.0，
=0.09
2.3COMSOL
COMSOL简介
在各个领域的科学研究以及工程计算中，COMSOL软件广泛的存在着，它是一款大型的高级数值仿真软件，被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。
在科学的模拟应用中和工程的领域里的各种物理过程，COMSOL凭借它高效的计算性能和杰出的多场双向直接耦合分析能力实现了高度精确的数值仿真。
并凭借其独特的软件设计理念，使得任意多物理场、直接、双向实时耦合得以成功地实现，并在全球领先的数值仿真领域里得到广泛的应用。
在建模分析过程中的各个步骤（定义几何模型、指定物理特性、剖分网格、求解以及结果后处理）并不是都那么简单，而COMSOL的模拟环境使得它们都变得非常的容易实现。
它拥有大量的预先定义的模型界面，包括从流体流动、热量传输到电磁场分析，可以在很短的时间内的建立起分析模型。
通过COMSOL完成一个多物理场的模拟仅仅需要几分钟就可以实现。
大量的一般性问题也可以通过预先定义的多物理场应用模板进行求解。
通常我们也可以指定自己的偏微分方程或者选择自己定义不同的物理场从多物理场菜单上，实现与其它方程与物理场的耦合。
在日常生活和学习当中，经常会使用一些工具建立模型，这时COMSOL会是一个很好地选择，我们可以通过附加模块极为方便的拓展它的多功能性、灵活性和实用性，同时为了实现对COMSOL建模的理想补充，二次开发工具COMSOLScript作为一种单独的技术编程语言也将会是一个不错的选择。
COMSOL在全球范围内颇具有影响力，在各著名高校中，COMSOL已经成为教授有限元方法以及多物理场耦合分析的标准工具，而在全球500强企业中，为了提升核心竞争力，增强创新能力，加速研发，COMSOL更是被视作为极为重要的工具。
如何使用COMSOL
创建几何模型
CAD工具想必大家都很熟悉，在COMSOL中就提供了强大的CAD工具，用来创建一维、二维和三维几何实体模型。
另外，如果在其他软件中有创建好的几何体模型，在COMSOL模型中也是可以引入的。
定义物理量
在建模当中，我们可以通过COMSOL里的各种预定义应用模型，轻松地使用COMSOL来模拟各种各样的物理场和方程。
将表达式输入Navier-Stokes方程中，这些性质可以是各向同性的也可以是各向异性的，可以被模型变量、空间坐标和时间的函数。
划分有限元网格
在COMSOL中附带着内置的网格生成器，它可以在你使用时自动完成网格的划分。
它们可以创建三角形或四面体的非结构化网格，四边形网格也是可以的。
还可以通过拉伸和旋转二维网格，可以创建砖形或棱柱形网格。
不用担心高精度的地方网格质量低，因为在自适应的网格划分方法会在需要提高精度的地方自动提高网格质量。
此外，也可以人工操作网格生成器来分解几何结构。
对结果进行可视化处理
COMSOL提供了大量的可视化功能，其中有：
1所有场变量和其他具体应用参数的交互式绘图功能
2在几何体所有部分中单独的解的可视化功能，同时可以使用切片、等值面、等值线、流线、高度和矢量绘图功能。
3带有OpenGL硬件加速的高性能绘图算法
4使用AVI和Quicktime进行动画制作的功能
5边界和子域的集成
6使用完全的数字精确性能在几何结构的任何位置显示结果数据的功能
7沿表面和线条的解变量的投影的横截面和域的绘图功能，以及对几何体任何位置的随时间变化的变量绘图功能
8对模型进行文件描述的报告生成器。
大多数情况下，建模过程包括参量分析、最优化、迭代设计、自动控制、或对一个系统中几个部分结构进行连接。
COMSOL的参量求解器成功地为研究一系列的条件提供了一个有效途径。
此外，自带的MATLAB接口可以将COMSOL的模型保存为M-files，然后将其导入MATLAB的脚本来进行最优化设计或其它的后处理。
3.设计过程及优化
对于本文所分析的问题，选择标准的k-ε湍流模型。
k-ε模型是最常见的一种湍流模型。
它是一个半经验,双阶方程模型,这意味着,它包含两个额外的传输方程来表示流的紊流特性。
第一个交通变量是湍流动能k.第二个交通变量是湍流耗散ε。
正是变量确定了湍流的规模,而第一个变量k决定了能源的动荡。
模型输运方程k来源于准确的方程,而模型输运方程k来源于物理推理的使用并且跟其副本在数学精准度上有很小的相似性。
[5]
a）控制方程
连续性和动量方程（纳维-斯托克斯方程设计）湍流模型被用来解决气流问题[9]:
（1）
（2）
（3）
（4）
u是x组件的速度矢量,v是y组件的速度矢量，w是z组件的速度矢量。
ρ是空气密度,p是静态压力,τ是剪切应力，Bx,By,Bz是身体力量[9]。
b）标准k-ε湍流模型的运输方程
对湍流动能k公式
（5）
对耗散ε公式
（6）
在这些方程中,Gk代表了由平均速度梯度决定的一代湍流动能。
Gb是由浮力决定的湍流动能。
YM代表了在可压缩湍流脉动膨胀总体耗散率中的贡献。
cie,C2e和C3e是常量。
σk和σε分别是k和ε的紊流普朗特数。
Sk和Se是用户定义的源术语[5]。
c）紊流粘度
（7）
d）湍流动能的产生
运输k的确切方程可以被定义为：
（8）
以布西涅斯克假设评估Gk：
（9）
弹性模量的应变张量系数s可定义为：
（10）
（11）
e）由浮力决定的湍流动能的产生
（12）
Prt是能源的紊流普朗特数和gi是i-th方向的重力向量组件。
对于标准和可实现的模型,Prt的默认值是0.85[4]。
热膨胀系数β可被定义为：
（13）
f）膨胀耗散
膨胀耗散术语,包括在k方程内。
它是根据以下公式来建模的：
（14）
Mt2是动荡的马赫数，被定义为：
（15）
a是声速：
（16）
g）模型常数
对于均匀剪切流和衰减各向同性流两大基本湍流，
C1e=1.44,C2e=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σe=1.3
这些默认值已经从空气和水的实验中被确定。
他们被发现相当广泛地被用于有界墙和自由剪切流[5]。
3.1分析轮廓
二维分析非常有用，通常以三维分析为先导,因为他们可以提供一些基
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