面向侧风行驶安全性的车身外流场湍流数值模拟与优化.docx

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面向侧风行驶安全性的车身外流场湍流数值模拟与优化

面向侧风行驶安全性的车身外流场湍流数值模拟与优化

摘要：

由于汽车工业持续发展和高速公路系统日益完善，我国汽车运行速度逐渐提高。

高速下的车身空气流固耦合效应正成为影响汽车性能的重要因素。

而当面临复杂风向和风力的自然风，以及经过桥梁、隧道和复杂地形时，侧风对稳定性、安全性和舒适性有着更为显著的影响。

传统的汽车气动性能研究使用实物车型和风洞实验，花费时间长，费用也较高。

随着计算流体力学和模拟仿真技术和软件平台的发展，越来越多的车身气动性能研究都可利用计算机来实现。

不仅能有效缩短实验周期，减少实验费用，而且能更全面量化的研究汽车高速行驶中的各种特性。

本文基于计算流体力学基础理论，运用三维造型软件UG，建立多种不同外表面流线形式的车身模型。

以此模型进行侧风作用下汽车外流场的数值模拟。

采用ANSYS-ICEM为前处理模块，对模型进行修补和建立计算域，划分网格；使用ANSYS-CFX进行求解和后处理，输出汽车所受六分力，压力云图，速度流线图，气流流线图。

对比分析气动阻力、侧向力与横摆力矩的数值模拟数据，总结侧风对汽车行驶稳定性的影响，基于汽车经济性，稳定性，舒适性等方面提出车身外形的侧围曲率优化建议。

10380

关键词：

汽车气动性能；侧风稳定性；数值模拟；流体力学

CrosswinddrivingsafetyforthebodyofturbulentflowfieldnumericalSimulationandOptimization

Abstract：

WiththedevelopmentofChina'sautomobileindustryandtheimprovementofthehighwaysystem,theincreasedspeedofthecar,therearemorerequirementstothecar'seconomy,stability.Soitismoreimportanttodoresearchabouttheperformanceofautomotiveaerodynamic.Thetraditionalway,windtunneltestsneedmuchexperimentalrequirementswithalongperoid,aswellasthehighcost.WiththedevelopmentofComputationalFluidDynamicsandthesimulationsoftware,computertechnologyisusedtomoreandmoreresearch.Itisnotonlyaneffectivelywaytoshortentheexperimentalperiodandcost,butalsotostudycarswithvariousfeatures.

3.2.1模型建立22

3.2.2计算域的确定23

3.2.3计算网格划分24

3.2.4湍流模型选择27

3.2.5边界条件确定29

3.2.6求解设置29

4.汽车外流场数值模拟结果分析30

4.1本次数值模拟可行性分析30

4.2不同侧风条件下汽车外流场模拟结果分析31

4.3分析总结41

5.汽车外形对汽车气动性能的影响及优化建议42

5.1不同车身参数介绍42

5.2不同车身外形汽车外流场模拟结果分析42

5.3基于汽车外形的优化建议51

6.全文总结51

致谢53

参考文献53

1.绪论

1.1研究背景与意义

汽车空气动力特性是汽车的重要性能，对汽车的动力性、经济性和操纵稳定性有直接的影响。

设计空气动力特性良好的汽车，是提高汽车动力性、经济性的重要途径，而高速汽车的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的前提。

[1]

侧风稳定性是汽车空气动力特性的一个重要研究内容。

由于自然风的存在，在路面上行驶的汽车不可避免地会受到侧风的影响，尤其是当汽车经过桥梁、隧道及复杂地形等具有特殊气候条件的道路时，很容易受到风向和风力复杂的自然风和人工阵风的作用。

高速行驶的汽车，若受到较高速度的侧风的作用，其行驶稳定性、操纵稳定性和舒适性都会显著降低，极端情况下还会使汽车偏离行驶路线甚至发生侧翻，导致严重的安全事故。

同时，驾驶员需要不断调整方向盘以消除侧风的影响，这会导致驾驶员过早疲劳而增大了行车的危险性。

图2-1中各参数的物理意义：

V∞—汽车行驶速度与气流的相对的速度，即来流速度；

βx—侧偏角；

Fx—气动阻力；

Fy—气动侧向力；

Fz—气动升力；

Mx—侧倾力矩；

My—纵倾力矩；

Mz—横摆力矩。

由图可知，作用于运动汽车上的气动力和力矩，分为互相垂直的三个分力和绕轴坐标的三个力矩。

（1）气动阻力

气动阻力Fx是与汽车运动相反的空气阻力，可用以下公式表示：

F_X=1/2AρV_∞_C_X（2-1）

式中，

A—汽车迎风面投影面积；

ρ—空气密度，标准状态下为1.225kg/m3；

V∞—合成气流相对速度；

Cx—空气阻力系数，由风洞试验确定。

通常正面投影面积取决于汽车的外形尺寸，这是由设计需要决定的，因此减小气动阻力就集中在减小气动阻力系数上。

对于气动阻力系数Cx=0.45汽车，其基本形状阻力约占气动阻力的60％；而Cx＞0.45的汽车，其形状阻力所占比例将不同程度的降低。

不同车型的气动阻力系数范围大致如下

小型运动车Cx=0.23~0.45

小轿车Cx=0.35~0.55

侧向力和横摆力矩都会影响汽车的行驶稳定性。

在非对称气流中，横摆力矩有使汽车绕z轴转动的趋势。

如果所产生的横摆力矩有减小的作用，汽车的气动性能稳定。

（3）侧倾力矩

受到来自车身侧面及其周围气流的影响，产生了绕X轴的侧倾力矩。

其表达式为：

M_x=1/2AaρV_∞_C_（M_x）（2-4）

式中，

C_（M_x）—侧倾力矩系数；a—轴距。

该力矩通过悬挂系统至左右车轮，引起车轮负荷的变化，对应于回转力矩的方向，使得其中一个车轮负荷增加，另一个车轮负荷减小，改变了汽车的转向特性。

侧倾力矩对汽车左右车轮的质量分配有较大的影响，并且直接影响到汽车的侧倾角，侧倾力矩主要是由车身侧面形状决定的，一般侧面流线型好的汽车，侧倾力矩相对较小，汽车的高度和宽度对侧倾力矩影响很大，一般低而宽的汽车侧倾力矩系数比高而狭长的汽车侧倾力矩系数小。

汽车设计时，应尽量使风压中心接近侧倾轴线。

（4）气动升力及纵倾力矩

由于汽车车身上部和下部的气流速度不同，导致车身上部和下部形成压力差，产生升力及纵倾力矩，气动升力的计算公式如下：

F_z=1/2AρV_∞_C_z（2-5）

2.2汽车侧风特性的研究方法

国内外通常利用风洞实验、道路实验和数值模拟等方法进行侧风特性的研究。

2.2.1风洞实验法

（1）横摆模型法横摆模型是汽车侧风风洞试验研究的常规方法。

将汽车或模型固定放置在风洞试验段中，使用风洞转盘来实现一系列横摆角β，根据相对运动原理，用车身斜前方来流的两个分量分别模拟车身的运动和车身受到的侧风作用，模型安装如图2-2所示。

此方法实现起来比较简单，只需基本的风洞试验测试设备，可以方便的进行定量与定性试验，属于较常规的汽车风洞试验项目。

图2-2横摆模型法示意图

1960年，Barth用这种方法研究非对称气流对汽车缩尺模型气动特性的影响。

1967年Grotewohl也用此方法研究了汽车缩比模型的侧风效应。

1980年，HogueJ.R.用这种方法研究了整车模型的空气动力特性。

1999年，美国南加州大学（UniversityofSouthernCalifornia）研究人员BogdanMarcu和FredBrowand用这种方法对侧风作用下三车队列的流场特性进行研究。

研究间距变化对侧风作用下汽车气动力的影响。

用这种稳态的横摆模型风洞试验方法通常只能得到特定车速（Va）和侧风速度（VW）下的气动力特性，很难进行车速和侧风风速随时间变化的气动特性研究，无法捕捉瞬态侧风阵风影响下的流场状态，不能得到汽车对于瞬态侧风的敏感特性，也无法研究非稳态车速对气动特性的影响。

通常在横摆角达到预先设定值且风洞试验段流场稳定后进行稳态的气动力和力矩测量。

1986年，GarryK.P.和CooperK.R.将汽车模型放置在试验段上，尝试以一定的角速度横摆模型，同时在动态横摆过程中测量气动载荷。

试验结果表明，动态横摆过程所测数据的大小与稳态横摆试验结果很相近，但是在摆动频率上有些滞后。

1997年，GillieronP.等人用这种方法结合图像处理技术对汽车尾流进行瞬态分析，2005年，法国国立工艺学院（ConservatoireNationaldesArtsetMétiers）的F.Chometon和A.Strzelecki等人用这种试验方法和PIV测量技术研究了一种简化汽车模型的瞬态尾流特性，但是用这种方法很难对气动力进行瞬态测量和客观解释。

（3）牵引模型法

牵引模型法是在一个长轨道上驱动模型，使其横向通过风洞试验段，模型是动态的而侧向风是稳态的，如图2-5所示。

汽车与侧风的状态很接近汽车在路面上行驶的真实情况，比较真实地再现了汽车在侧风环境中行驶的状态。

图2-5牵引模型法

牵引模型法很容易理解，但却不容易实现，需要开发特殊的驱动模型的试验装置，而且比较难以对运动模型进行气动力测量，此外模型运动引起的振动还会对测量结果带来干扰，需要从测量结果中消除模型和轨道振动引起的动力学干扰。

在试验空间上，由于必须将模型和模型上的测量仪器加速到要求的速度，对实验室空间和能够使用的最大模型尺寸有了更高的要求，如果应用已有的风洞模拟真实的阵风长度，模型的比例限制在1/10或者更小。

对于每一次测试，需要将模型重新返回起点，表面压力的测量或者尾流的研究需要进行大量的测试，需要花费很长的时间，例如完成一个典型的尾流平面移测试验需要大约几个星期甚至几个月的时间。

考虑到牵引模型法所需试验装置的复杂性以及数据采集的困难，在汽车开发过程中很少进行这种瞬态测试，一般在开发过程后期进行，在这一阶段进行汽车外形的修改和优化的成本很高，往往只能进行少量的折中修改。

上述特点限制了此方法在工程实践中的应用价值。

由于风洞中的试验空间有限，此方法难以实现车速和风速的连续变化，因而上述研究结果限于稳定车速和风速条件，迄今为止文献中还难以见到汽车或模型以非匀速运动以及非定常侧风风速对汽车气动特性影响的研究。

2.2.2道路实验法

传统的汽车侧风稳定性研究的道路试验法是用侧风发生器进行实车道路试验。

这种方法是人工制造一个一定长度的侧风区（如图2-7所示），风速可以调节，可以模拟阵风、随机风以及超越大型汽车时横向风的干扰，因而也更具有一定的真实性。

试验中，汽车的实际行驶轨迹可通过汽车留在路面上的印迹或路面上的传感器确定，也可以用汽车上的仪器确定。

汽车的侧向加速度可用加速度仪测出，为保证侧向加速度的精确测量，要将加速度仪放置在平稳的回转式平台上，以保证在整个实验过程中，加速度仪始终在同一水平面内。

通过对加速度曲线的两次积分可求出汽车的侧向偏移量，再加上测出的汽车行驶速度就可以完全确定汽车的行驶轨迹。

同时，根据汽车通过侧风发生器前的运动状态，还可以模拟计算出作用在汽车车身上的气动力。

在侧风作用下的汽车气动特性研究中，数值模拟能够发挥其优势，实现与真实侧风作用下的汽车行驶的流场环境，并能够获得充分的流场信息，从而为分析影响汽车侧风稳定性的原因提供依据。

本文将侧风作用下的汽车气动特性数值模拟研究归纳为稳态数值模拟法和动态数值模拟法两类。

[1]

2.3本次研究所选方法

本次设计选用数值方法来对汽车外流场进行模拟。

具体是运用稳态数值模拟方法。

在汽车行业和机械行业，三维建模所用软件中常用的有catia、ug以及solidworks，inventor，caxa，solidedge。

本次设计建模选用UG软件，因为UG软件兼容性较好，可以适应不同的数值模拟软件，且界面友好，容易上手。

而数值模拟软件选择了ANSYS。

ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换。

在ANSYS里面能完成流体模拟的模块有两种一种是CFX,一种是FLUENT。

本次模拟使用CFX模块。

具体步骤如下。

汽车外流场数值模拟的步骤:

（1）建立所研究问题的物理模型,再将其抽象成数学力学模型。

（2）用CAD软件建立汽车形体及三维流场区域,形成计算区域的CAD模型。

（3）将计算域进行空间网格剖分。

（4）CFD软件调用前面形成的模型及数据文件。

（5）确定边界条件,包括入口与出口处的边界条件、壁面边界条件。

边界条件在数学上要满足适定性,在物理上要具有实际意义。

要注意在考虑了相对运动和地面效应等之后的边界条件的确定,不要矛盾和重复。

（6）设定具体的求解过程和精度的一些控制参数和条件,对需要分析的问题进行求解,结果以数据文件保存。

阵风是一种自然现象，常常发生无规则变化。

其主要特点是：

风速在某段时间内突然增大，在自然界中不存在无限猛烈的阵风。

阵风是由空气扰动产生的，气流流过固体表面时，会遇到来自固体表面的阻力，使流速减小。

因此，当空气流过丘陵、森林或建筑物等障碍物时产生阻力并出现回流，造成不规则的涡流，导致流速产生变化，形成阵风。

通常情况下，阵风的风速要比平均风速大50%或更高。

阵风可以描述为突变阶跃、线性阶跃和正弦阶跃等三种稳态侧风。

如图2-9（a）、（b）、（c）所示。

图2-9阵风的典型类型

综合有关研究侧风参数的文献[2][7]，确定本设计使用侧风方案如下。

表2-1侧风模拟参数

风力等级3级微风4级和风5级清风6级强风7级劲风

风速取值m/s4.46.79.412.315.5

车速m/s3*******30

合成风摆角°8.312.617.422.327.3

合成速度m/s30.3230.7431.4432.4233.77

（2）不同车型确定方案

本设计所用车型为曲面成型，流线型较好。

不同车型的变量主要体现在侧围曲率上，侧围曲率的大小，影响侧面车窗的弧度，以及前后车窗的倾斜度。

所以本设计就在相同车速，相同侧风条件下，用不同侧围曲率的车型来做数值模拟，通过所得结果，分析不同车型的气动性能以及侧风稳定性，进一步提出车型优化建议。

三个车型的侧围曲率如下：

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域：

航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

软件主要包括三个部分：

前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

　　前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

　　软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

3.侧风作用下汽车外流场的数值模拟

3.1侧风模拟方法

车辆在行驶过程中遇到侧风的情形如图3-1所示。

图中v1为侧向风速，v2为车辆的行驶速度，vR为车速与侧向风速的合成速度，α为横摆角。

对于侧风状态下车辆气动特性分析的计算方法一般可分为2类。

图3-1侧风示意图

图3-4简化后的汽车模型

3.2.2计算域的确定

确定计算域的原则是对汽车周围流场不产生明显影响，最大限度的捕捉到汽车周围流场的显著特点的前提下，尽量缩小计算域的范围，以减小计算量，缩短计算周期，提高工作效率。

计算域的大小主要是由所研究的模型来决定的。

通常情况下对车辆进行数值模拟时所使用的计算域均为长方体。

汽车在道路上行驶时，除了与地面接触以外，在空间上并没有限制。

因此，为了使计算结果更接近于汽车行驶的真实环境，计算域应当达到的要求是：

计算域的边界不能对外流场形成干涉，也就是说车辆受到影响的流场完全包括在计算域内，比如，由于气流的分离作用，车辆尾部出现涡流，计算域在长度方向上要完全能够包含所形成的涡流区，否则流动就有可能无法达到充分发展的状态，就会导致相当大的误差。

在宽度和高度方向上也应该按照相同飞原则来确定，保证内部模拟不受到计算域的影响。

参考文献[2][10]，本文计算域的设计按照经验取值，车头前部空间取车长的2倍，车尾后部空间长度为车长的8倍，由于使用偏风的方法引入侧风，故车身无偏角，计算域宽度为车宽7倍，两侧对称。

计算域高度为车高的6倍，由于模型省去轮胎，故不能做接地处理，设置车身离地0.5米。

图3-5给出计算域的示意图面向侧风行驶安全性的车身外流场湍流数值模拟与优化（10）: