北航计算流体力学大作业.docx

1、北航计算流体力学大作业汽车气动特性分析1.汽车模型图1为原设计图，图2为二维简化模型示意图：图 1 汽车模型设计图图 2 简化模型示意图2.题目要求流体属性：空气静温T=300K、静压、气体常数R=8314./29.、比热比，只计算层流。（1）工况一：汽车在地面行驶，速度分别为：12、120、240km/h，对应马赫数取为Ma = 0.01、0.1、0.2。（2）工况二：假设汽车在天空飞行，速度分别为：Ma = 0.2、0.8、2.0。（3）分别采用基于密度的算法和基于压力的算法。输出结果：（1）网格生成推荐采用ICEM，要求在Tecplot中显示温度场、压力场、马赫数分布、流线图；（2）对比

2、分析当Ma = 0.2时工况1和工况2流场的差别。（3）对于工况二，Ma = 2.0，基于密度的算例在原网格(大约100*80)基础上加密1倍(200*160)，分析网格对计算结果的影响。（4）比较采用基于密度的算法和基于压力的算法的收敛情况。（5）分析汽车的阻力和升力随行驶速度的变化规律。（6）在完成二维计算的基础上，尝试采用三维模型计算可获得加分(工况1或者工况2，Ma = 0.2)。3.输出结果3.1.工况一网格如图3所示（140*80）：图 3 工况一网格3.1.1.温度场图 4 基于密度0.01马赫图 5 基于密度0.1马赫图 6 基于密度0.2马赫注：初始温度设置为300K图 7

3、基于压力0.01马赫图 8 基于压力0.1马赫图 9 基于压力0.2马赫3.1.2.压力场图 10 基于密度0.01马赫图 11 基于密度0.1马赫图 12 基于密度0.2马赫注：初始压强设置为101325Pa图 13 基于压力0.01马赫图 14 基于压力0.1马赫图 15 基于压力0.2马赫3.1.3.马赫数分布图 16 基于密度0.01马赫图 17 基于密度0.1马赫图 18 基于密度0.2马赫图 19 基于压力0.01马赫图 20 基于压力0.1马赫图 21 基于压力0.2马赫3.1.4.流线图图 22 基于密度0.01马赫图 23 基于密度0.1马赫图 24 基于密度0.2马赫图 2

4、5 基于压力0.01马赫图 26 基于压力0.1马赫图 27 基于压力0.2马赫3.2.工况二网格如图28所示（100*80）：图 28 工况二网格（计算结果图见下一页）3.2.1.温度场图 29 基于密度 0.2马赫图 30 基于密度 0.8马赫图 31 基于密度 2马赫注：初始温度设置为300K图 32 基于压力 0.2马赫图 33 基于压力 0.8马赫图 34 基于压力 2马赫3.2.2.压力场图 35 基于密度 0.2马赫图 36 基于密度 0.8马赫图 37 基于密度 2.0马赫注：初始压强设置为101325Pa图 38 基于压力 0.2马赫图 39 基于压力 0.8马赫图 40 基

5、于压力 2.0马赫3.2.3.马赫数分布图 41 基于密度 0.2马赫图 42 基于密度 0.8马赫图 43 基于密度 2.0马赫图 44 基于压力 0.2马赫图 45 基于压力 0.8马赫图 46 基于压力 2.0马赫3.2.4.流线图图 47 基于密度 0.2马赫图 48 基于密度 0.8马赫图 49 基于密度 2.0马赫图 50 基于压力 0.2马赫图 51 基于压力 0.8马赫图 52 基于压力 2.0马赫3.3.对比分析当Ma = 0.2时工况1和工况2流场的差别工况1（基于压力）工况2（基于压力）温度分析相同点：最高温度均为302K，最低温度均为292K左右；在车前0.5m内的圆形

6、区域内，温度都上升了12K；车底的圆形区域内，温度均大幅度下降，约下降10K左右；挡风玻璃处有一个明显的高温区；不同点：工况1车的后方，只有1m左右的区域内温度上升，车后12米温度上升不明显；工况2车的后方3m范围内温度均有明显的上升，温升区域为长条状。压强分析工况1：车后方有一个圆形低压区，最低为86000Pa左右；车前0.5m内有一个圆形高压区，最高为116000Pa左右；车底压强也较低，约为92000Pa左右； 工况2：车下方有一个圆形低压区，最低为74000Pa左右；车前1m内有一个圆形高压区，最高为10800Pa；车后方压强下降不明显。马赫数分析相同点：两者马赫数最大均为0.42，最

7、小均为0.02；车前0.25m的圆形区域内，马赫数均下降到0.02左右；车底的圆形区域内，马赫数均上升至0.42左右；不同点：工况1，车后1m处，靠上的位置有一个圆形区域速度显著上升，最高升至0.42马赫，而车后1m到3m处，靠下的位置，有一个长条状区域，速度明显降低，最低降至0.02马赫；工况2，车后方1m处，靠上的位置有一个不太明显的圆形区域，速度稍微有些上升，最高为0.3马赫左右，而车后4m的长条状区域内，速度均显著下降，最低为0.02马赫。流线分析 工况1，车前挡风玻璃处，有一个较小的涡，车后3m内也有明显的涡，车下方则没有涡； 工况2，车前挡风玻璃处没有涡，车后方4m内有明显的涡，车

8、下方1米内有明显的涡。3.4.对于工况2，Ma = 2.0，基于密度的算例在原网格(大约100*80)基础上加密1倍(200*160)，分析网格对计算结果的影响网格对比如下：图 53 100*80网格图 54 200*160网格计算结果如下所示： 100*80基于密度200*160基于密度温度分析温度场的整体分布情况基本一致，差别较大的地方主要是车后的大部分区域，对于100*80，车后的温度变化较小，基本保持在340K左右，而对于200*160，车后温度变化较大，从360K下降至300K；对于100*80，最高温度为520K，最低温度为初始温度300K，对于200*160，最高温度为540K，

9、最低温度为初始温度300K。温度最高区域均为车头和挡风玻璃处。压强分析 两者压强分布基本一致，车后方的压强变化略有差异。马赫数分析马赫数分布情况基本一致，车身上方和下方的马赫数存在一些差异；同样的参数下，100*80的马赫数最高为1.9马赫，最低为0.1马赫，200*160马赫数最高为2.0马赫，最低为0.2马赫；100*80的网格，结果的连续性更好。流线分析流线分布情况基本相同，但存在一定的差异，100*80的，挡风玻璃处有一个明显的涡，200*160的，挡风玻璃处则没有涡；100*80的，车后方流线连续性较好，比较平稳，200*160的，车后方流线比较凌乱。总结：加密网格后结果的连续性较差

10、。3.5.比较采用基于密度的算法和基于压力的算法的收敛情况1基于密度的算法都可以收敛，收敛情况较好；2对于速度过高或者速度过低，如2.0马赫、0.01马赫，基于压力的算法如果采用默认松弛因子很容易出现发散，必须将松弛因子调小一些才能收敛；3对于亚声速，如0.8马赫，由于流场情况比较复杂，基于压力的算法也很难收敛，采用二阶精度几乎没办法计算，采用一阶精度并且调小松弛因子才能收敛。3.6.分析汽车的阻力和升力随行驶速度的变化规律阻力（N）升力（N）基于密度基于压力基于密度基于压力工况10.01马赫23.07937815.084863-19.2991-41.182020.1马赫1856.338326

11、81.9011-479.45033-3801.80130.2马赫8539.991513350.321-3119.2704-22040.155工况20.2马赫5411.57334749.7693-16705.816-41693.2920.8马赫3.2923228e+10555440.93-2.3398152e+10-416267.072马赫586022.27725634.17-509540.23-442615.92基于密度的算法存在两个异常数据3.2923228e+10和-2.3398152e+10，因此采用基于压力的算法进行分析。将工况1的阻力数据拟合如下，发现阻力和马赫数之间基本是一个幂函数

12、关系，公式如图所示，判定系数近似为1，表明拟合度非常好，分析原因为：速度比较小，压强分布相似，故而压差阻力的变化满足一定的函数关系，摩擦阻力较小，几乎忽略不计。图 55 工况1阻力和马赫数的关系对于工况2，阻力随着马赫数的增大而增大，但没有明显的函数关系。这是由于马赫数变化幅度较大，从很小的速度，变化为亚音速，又变化为超音速，压强分布差异很大，阻力变化也不规律。工况1和工况2，升力随马赫数的变化也不满足函数关系，升力均为负值，力的方向垂直向下；其绝对值随着速度的增大而增大。3.7.三维模型计算3.7.1.网格如下图所示：图 56 立体网格图 57 X方向网格图 58 Y方向网格图 59 Z方向网格注：为简化模型，车的各部分宽度均相等，为1.4m。3.7.2.计算结果工况2，马赫数为0.2，采用基于密度的算法：分别截取了温度场、压力场、马赫数在x，y，z方向的切片云图车对称轴所在截面云图：（Z=0）图 60温度场图 61 压力场图 62 马赫数车侧表面所在截面分布云图：（Z=0.7，车宽度为1.4，各部分宽度均相等）图 63温度场图 64 压力场图 65 马赫数立体温度场、压力场：图 66 压力场图 67 温度场