毕业设计汽车外流场分析范本模板.docx

1、毕业设计汽车外流场分析范本模板河 北 工 业 大 学毕业设计说明书(论文)作 者： 田野 学 号： 110324 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： 汽车外流场分析研究 指导者: 武一民 教授 (姓 名） (专业技术职务)评阅者： (姓 名) （专业技术职务）2015 年 6 月 8 日毕业设计（论文）中文摘要汽车外流场分析研究摘要:在赛车比赛中,空气动力学研究起着越来越重要的作用.首先,赛车在比赛中最大的目标就是在规则以内发挥发动机的最大功率，避免轮胎附着力不足的问题。其次，赛道之中有很多弯道，过弯速度的快慢直接影响成绩,这要求赛车的过弯性能优秀。优秀的气动造型可以使赛

2、车的驱动力不会大于地面附着力，维持方向的稳定性和转向控制能力.本课题是以河北工业大学AREI赛车为研究对象，通过CATIA建立赛车的三维模型,应用ICEM软件做模型的前处理工作，即进行模型的网格划分，通过FLUENT进行CFD模拟计算以及后期分析工作。首先分析赛车初始模型的车身外部流场情况，对其空气动力学性能作出分析和评价。然后把为其设计的空气动力学套件跟原赛车进行装配,对改进后的赛车进行CFD数值计算.分析空气动力学套件对赛车外流场的影响，并提出改进意见.关键词： 空气动力学 外流场 FLUENT CFD毕业设计(论文）外文摘要Title Vehicle external flow fiel

3、d analysis AbstractIn automobile race， aerodynamic research is playing an increasingly important role.First of all ,the biggest goal of the race is to yield the greatest power of the engine and to avoid tire adhesion problem within the rules. Secondly,there are many curves in the track。So the speed

4、of the bending affect the results directly, which requires good over bending performance。Excellent aerodynamic styling make the driving force less than the ground adhesion， maintaining the direction of stability and steering control ability。The research object of this project is AREI。CATIA is used t

5、o establish 3D model and as preprocessing software，ICEM is used to mesh the model。FLUENT is used to do CFD simulation and analysis。Firstly we analyse the external flow field around the initial model of the car and judge the aerodynamic performance of the car。Then the aerodynamic package and the init

6、ial model of the car are fitted, and the new model is simulated by CFD。Finally we analyze the influence of the aerodynamic package on the flow field outside the car,and put forward some suggestion for improvement.Keywords： Aerodynamics external flow field FLUENT CFD1 绪论11.1 研究背景及意义11。2 国内外发展状况21.3 毕

7、业设计的主要内容4 2 汽车外流场分析的理论基础5 2。1 引言 52。2 气动力 52。3 负升力产生原理 62.4 负升力与操纵稳定性72.5 空气动力学套件72.6 流体数值模拟的理论基础113 赛车外流场分析153.1 赛车车身模型的建立及简化153.2 划分网格163。3 边界条件的设定173.4 FLUENT计算结果193。5 赛车仿真结果分析194 空气动力学套件方案确定234。1 前翼的设计234。2 尾翼的设计265 加装动力学套件后赛车仿真结果分析295。1赛车模型的建立295.2赛车仿真结果分析29 结论33 参考文献34致谢351 绪论1.1 研究背景及意义随着汽车工业

8、的不断发展,汽车的外部造型和气动特性受到了越来越多的关注和重视。汽车的性能在很大程度上受汽车气动力的影响，尤其对于高速行驶的汽车,气动力对其性能的影响是非常大的,因此汽车高速、安全行驶的必要前提之一就是具有良好的空气动力性能。因此，在汽车的开发中，对汽车空气动力性能的研究越来越得到汽车制造商的重视。空气动力是来自于汽车外部的约束，其研究成果不仅直接影响着汽车的动力性、燃油经济性、稳定性、安全性、操纵性、舒适性等，还会间接地影响汽车的外观及审美的流行趋势1。汽车行驶时所受的空气作用力可以被分解为阻力、升力、侧向力、横摆气动力矩、纵倾气动力矩、侧倾气动力矩六个分量2.在这六个分量中，汽车空气阻力所

9、消耗的动力和滚动摩擦所消耗的动力是大小相当的，因此气动阻力系数就成为了衡量汽车空气动力性能的最基本的一个参数，也就是说如何降低汽车的空气阻力系数成为汽车空气动力学最重要的一项研究内容。减小汽车行驶时的空气阻力最常用的方法包括减少汽车的迎风面积和空气的阻力系数,通常来说,汽车的体积大小决定了汽车迎风面积的大小,车身外部造型决定空气阻力的大小。因此，将汽车车身紧凑化和流线形化是改善汽车气动性能最主要的两种方法。若汽车的气动造型不合适，在汽车在高速行驶的时候，所受升力的作用可能会使得汽车轮胎的附着力减小而导致打滑,而侧向气动力还特别容易引起汽车的跑偏,使得汽车的操纵稳定性有所下降3.不同的气动造型会

10、给车身带来不同的气动力效应，从而影响到汽车的各项行驶性能。良好的气动造型设计应该具有较小的阻力系数.世界汽车造型的发展基本与降低风阻系数的技术研究同步，从箱型、流线型、船型到鱼型和契型，每一次造型风格变化都带来了风阻系数的大幅降低4.对车速较高的车辆，除了随车速平方增加的气动阻力外，气动升力和气动侧力带来的操纵稳定性问题也是需要考虑问题.不合理的气动造型设计将会造成发飘、转向性能变差等操纵失调问题5。举一个例子来说,分析气动阻力的基本组成成份可知，压差阻力大约占总阻力的85%，其余15%则来自于摩擦阻力。在压差阻力中，根据车尾结构的不同前后压差分配有所不同，但一般而言，其中百分之十来自于车身前

11、端,而高达九成来自车身的尾部。所以说压差阻力是汽车气动阻力的主要成分，而汽车尾流的形态和结构对压差阻力有非常大的影响。从气动阻 力的产生机理来看，它是由形 阻和涡阻构成，涡阻占40% 左右，主要来自于汽车的尾涡6。大量实验观测和理论分析结果表明，在基本流场为定常的情况下,对流动施加一定的扰动，可以使已经分离的气流再附着，从而可以控制尾流7.因此,给汽车安装一个合适的扰流板，就可以改善汽车尾流的结构和形态，这样就可以有效地减小汽车的气动升力和诱导阻力，从而改善汽车的空气动力特性。测试气动阻力系数的方法主要有三种：风洞试验法、功率平衡法和数值计算法8。由于汽车的风洞实验对车身空气动力性能有非常好的

12、预测性，所以风洞试验已经是汽车设计中非常重要的流程之一，但是它也有流程复杂、费用高、周期长等明显缺点。近年来，随着计算机应用技术高速发展和湍流理论的不断完善,用计算机来模拟风洞试验已经成为了可能,基于CFD的汽车空气动力学数值模拟技术在汽车造型设计中开始发挥越来越重要的作用。由于数值计算方法具有效率高、成本低、应用范围广等优点，从而得以迅速地发展。如今汽车设计领域已经开始广泛地运用计算流体力学即Computational Fluid Dynamics,也就是CFD进行流体的数值模拟。1。2 国内外发展状况从二十世纪六十年代以来,欧美等一些发达国家的CFD技术得到迅速发展。最初航空飞行器的设计方

13、法有费时、造价高、所得信息量有限等不足，CFD的应用使得原型机减少，费用降低、周期变短、实验效果理想，因此CFD的发展得到了巨大的推动。目前国外用CFD对航空、汽车等领域产品进行设计、分析、优化已经成为必经的步骤和重要手段9。如今随着CFD技术的发展，在越来越多的汽车设计中已经实现了计算流体力学的应用。近些年以来，欧洲、美国、日本的一些汽车厂家已经开始致力于开发和利用 CFD 技术，并且已经取得了非常多的科研成果。在八十年代初期，计算流体力学的应用还仅局限于对车身的基本形状的模拟，但最近随着CFD技术的发展，包括后视镜、复杂地板、车轮等复杂汽车部件都已经实现了计算机模拟仿真.在精度方面，计算精

14、度误差已经可以降到5以内10.可视化技术已经大量地应用在计算流体力学的结果分析之中，这些可视化技术可以应用和显示在软件之中11，如图1.1。因为计算所得到的数据是非常庞大的，计算机可以运用可视化技术将数字信息转化为图形或动画，这十分有利于研究人员对数据的分析和理解.德国大众汽车公司、德国戴姆勒一奔驰公司、瑞典沃尔沃汽车公司、意大利菲亚特Richerche技术中心、日本三菱公司等应用自编程序或商业化软件对汽车外流场卓有成效地进行了数值模拟分析，总结了很多计算模拟经验。逐步认识到数值仿真在汽车车身设计中的重要性。图1。1 CFD可视化技术国内自行设计汽车的能力比较低,并且长期以来，一直是在模仿或者

15、直接引进国外的技术，最开始的时候主要是采用缩尺模型进行风洞试验研究.国内对于汽车空气动力学数值模拟的研究则是从上世纪九十年代开始的，许多研究院借鉴以前在航空、造船方面的经验，比较成功地运用二维和三维的方式模拟了汽车的外流场.但是对模型划分的网 格 数 目比较少,计算的结果和精度都只相当于国外20世纪80年代初期水平。目前，采用CFD软件进行日常的设计和分析已经成为许多企业非常重要的流程之一。并且随着CFD技术的快速发展,我国很多的高校和研究院也对计算流体力学加大了研究力度。1.3 毕业设计的主要内容本文以河北工业大学AREI赛车为研究对象，通过CATIA建立赛车的三维模型，应用ICEM软件做模

16、型的前处理工作，即进行模型的网格划分，通过FLUENT进行CFD模拟计算以及后期分析工作。先后对赛车的初始模型和安装空套的模型进行CFD 数值计算，研究赛车车身整体的压力分布、赛车对称面速度分布、整车外流场情况以及赛车侧舱、前翼、尾翼等局部外流场情况，最后得到赛车的气动阻力和气动升力值.将两次模拟结果进行对比。具体步骤如下：1）运用CATIA建立赛车的三维几何模型；2）运用ICEM做为前处理软件，对模型进行网格的划分;3）通过FLUENT进行计算模拟，分析车身外部流场的情况；4）设计符合赛车气动要求的前翼和尾翼；5）把设计好的前翼和尾翼跟原赛车模型进行装配；6）用同样的方法对新模型进行计算模拟

17、，分析车身外部流场的情况；7）将两次的仿真结果进行对比并得出结论。2 汽车外流场分析的理论基础2.1 引言汽车外流场分析涉及汽车车身造型、空气动力学、计算机模拟仿真等领域.主要应用的理论包括空气动力学和流体数值模拟理论两部分。具体包括汽车气动力、负升力产生原理、负升力对操纵稳定性的影响、负升力翼的设计原理、湍流模型理论及数值计算方法等。2。2 气动力如图2.1所示,作用在赛车上的气动力可分为气动阻力、气动升力、气动侧向力。气动阻力的方向是平行于赛车行驶方向指向车后方（x 轴方向）；气动侧向力是赛车y 轴方向的力；气动升力是垂直于地面向上的力(z 轴方向）,当然,下压力就是z轴方向的力。赛车在强

18、侧风工况中行驶时，气动侧向力不能忽略，但为了简化研究,一般都认为赛车车速远远大于侧风速度，因此可以忽略气动侧向力带来的影响。图2。1 赛车气动力示意图定义气动阻力Fd为： 2。1气动升力Fl为: 2。2气动侧向力Fy为： 2.3式中A 是迎风面积，V 为车速，为空气密度，C 分别为阻力系数、升力系数和侧向力系数。由此可见，气动力跟车速的平方成正比. 2。3 负升力产生原理欧拉建立的伯努利方程可以表述为: 2.4其中P为压强,为流体，密度V为流速，C为常数。从方程可得,流场中某点处压强随流速增加而减小，因此可以通过改变障碍外形线来改变障碍物周围流场的速度分布，进而改变周围流场的压力,飞机机翼之所

19、以产生升力就是这个原因。图2.2是飞机机翼的剖面的示意图，空气流过机翼时,气体在机翼前部分离为上下两部分,这两部分空气最后在翼片的末端重新汇聚到一起。飞机机翼的上表面比下表面更长，从而导致翼片上方的空气流速要比翼片下方流速快，空气流速增大，其密度减小，则气压减小，从而翼片上下产生了压差，也就是升力。图2。2 负升力产生原理赛车上的负升力翼与飞机上的机翼的基本原理是相同的，但不同的是，飞机飞行需要的是机翼产生向上抬升的力，而赛车则恰恰相反，赛车需要紧贴地面也就是其负升力翼需要产生向下压制的力.所以把机翼倒过来放置，就是简单的负升力翼，气动效果也相反,产生向下压的力,即负升力(negative l

20、ift)12。2.4 负升力与操纵稳定性图2。3为赛车过弯时的受力情况，G是赛车的车重，NL、NR分别为左右轮所受地 面的支 持 力，YL、YR分别为左右轮所受地面的侧 向 力，Fc是惯 性 离 心 力，G是气动组件所受的气 动 负 升 力，B是赛 车 轮 距、h是赛 车质 心 高 度、R是转 弯 半 径。推导可得赛车不发生侧滑的条件:，由地面侧向附着件:，是侧 向 附 着 系 数，所以不发生侧 滑的转 弯 最 大 速 度为： 2.5图2。3 赛车过弯时的受力情况由公式可以得出，当轮 距、重 心 高 度的改变受到制约，汽车转弯时轮胎的附 着 系 数即将用尽时,气 动 负 升 力对高速转 弯 性

21、 能起着十分重要的作用。2。5 空气动力学套件2.5。1 升力翼赛车行驶过程中产生的下压力主要来源于前翼、尾翼及扩散器.扩散器主要是利用地面效应的原理，而前翼、尾翼完全是靠升力翼来获得下压力，而不同的升力翼结构有不同的空气动力学特性。因此，升力翼设计的好坏直接决定了赛车的空气动力学性能.1）升力翼的结构 如图2。4所示,升力翼两端距离 b 称为翼展长度；弦线与来流速度的夹角 称为攻角；升力翼前后端距离 c 称为弦长；升力翼上下表面最大距离 t 称为弦厚.图2.5中，（a）是对称翼型，(b）是弯曲翼型。一般来说，在不失速的前提下，增大翼型的攻角和弧度能够得到更多气动升力。 图2.4 翼展与攻角示

22、意图 图2.5 翼型弦长与厚度示意图2）影响升力翼气动升力的因素影响升力翼气动升力的因素有很多，总的来说，有如下几个结论：（1）从图2.6可以看出， 翼型气动升力系数随攻角增大而增大，且呈线性关系；并且在攻角相同的情况下，弯曲翼型气动升力系数比对称翼型大。图2。6 攻角与翼型升力系数（2）气流与升力翼分离会造成失速现象,会大大降低升力翼的空气动力学性能。由结论1可知，随着升力翼攻角增加，气动升力系数CL也随之增加,但是攻角达到一定角度之后,CL值不再增加,甚至开始下降。如图2.7所示，由于攻角过大，气流在升力翼后方出现分离，导致丧失一部分气动升力。不仅如此，气流脱落后在升力翼后方形成漩涡，漩涡

23、生成、旋转、脱落，会消耗大量的能量,从而增大气动阻力.图2.7 气流的附着与分离（3）升力翼厚弦比增加，气动升力系数最大值增大，如图2。8所示。这是因为更大的厚弦比能使升力翼获得更大的失速迎角，所以气动升力系数最大值也相应增加。但厚弦比值大致在 12%之后，气动升力系数最大值开始下降.从图中还可发现,随雷诺数增加，曲线整体上移。 图2.8 升力翼厚弦比与最大升力系数关系示意图2.5.2 前负升力翼前负升力翼可以产生一定的负升力，增大赛车车轮的地面附着力，提高赛车高速行驶时的转向能力,此外后负升力翼引起的车头上仰的力矩可以由前负升力翼产生的下压力抵消掉一部分。同时在F1赛车中，前负升力翼能够提供

24、给赛车的下压力约占赛车总下压力的30%，这对F1赛车来说是十分重要的。图2。9 F1赛车上复杂的前翼造型前负升力翼对赛车转向性能有很大的影响，由于赛车的引擎布置方式是后置后驱，所以得赛车的质心会相对比较靠后，这样会使赛车前部有向上翘的趋势.且前轮为转向轮，如果前轮没有足够的下压力，就不能与地面充分地接触，车手对赛车的操控可能不能完全传递到地面，其中最常出现的状况就是转向不足，如图2.10。如果后轮附着力不足，则赛车后轮很可能打滑，导致赛车转向过度,如图2。11.这两种状况均会降低赛车的操纵稳定性。 2.10 赛车转向过度 2.11 赛车转向不足2.5。3 后负升力翼后负升力翼可以为赛车提供后部

25、的下压力，改善后轮即驱动轮的附着性能，以提高赛车发动机的效率.后负升力翼和车身表面之间的距离和后负升力翼离地高度是两个很重要的参数。图2.12表示了后负升力翼和车身表面之间的距离与阻力系数、升力系数的关系：如果距离较小，车身上表面可能会形成局部的负压，从而减弱负升力翼的作用；较大的距离虽然可以使赛车上方不受车身气流干扰而较好地发挥作用，但是如果后负升力翼支架太长,赛车高速行驶时支架可能会产生剧烈的振动，过于剧烈的振动可能会导致支架的断裂。图2。13表示了离地高度对升力系数的影响：离地高度越大，其升力系数值越小；当 h/c1 后,升力系数值基本不变。图2.12 后负升力翼与车身的距离对赛车CL、

26、Cd的影响图2。13 后负升力翼离地高度对CL的影响2.6 流体数值模拟的理论基础CFD的基本思想是指把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一系列有限个离散点来代替，通过一定的原则和方法建立代数方程的变量之间的关系，然后求解一组代数方程组,获得场变量的近似值13.数值方法实际上就是离散化和代数化14。与传统的风洞试验相比，CFD技术不需要制造出真实部件，就能运用计算机技术测出比较接近实际的效果，有利于节省研究费用和研发时间,而且可以更直观、更深刻地理解汽车外流场的气动特性。这种技术同计算机辅助造型技术相结合,可以更加经济、迅速、实用地应用于汽车造型的设计之中。但是数值模拟有其不足之处，比

27、如如果没有完全搞清楚湍流特性，或者对于某些问题还没有建立出适用的数学模型，将无法运用计算机数值模拟，而且数值模拟在计算精度方面还有待提高。所以试验并不能完全由数值计算所替代，试验对于校正和检验CFD 结果是非常必要的15.CFD的求解计算可以分为三个环节:前处理、求解、后处理，整个流程如图2。14所示：图2。14 CFD计算流程图2。6。1 湍流模型计算流动是非常复杂的，所以计算机模拟计算湍流运动时,必须要使用湍流方程.比较常用的湍流模型包括：Spalart-Allmaras模型、k模型、k-模型、雷诺应力模型（RSM）、大涡模拟模型（LES)16.计算湍流运动时要视不同的情况而选择不同的模型

28、，湍流模型的选取准则是：流体可压缩性问题、可行性问题、精度的要求问题、计算机的能力问题和时间的限制等17.要根据不同条件的适用范围来选择不同的湍流模型。考虑到赛车车车速通常低于100公里/小时，即27.78米/秒.即使考虑逆风行驶的情况，作用在汽车车身表面的空气流速也是远远低于音速的。因此我们可以不用考虑气体的压缩性,将其看作是不可压缩流体来处理.因为汽车的运动可以看作是对空气平顺流动的一种破坏，所以说车辆外表面与气流的相互作用使得车身周围的流场十分复杂,气流的方向和流速都会有较大的变化，因此这里的湍流模型采用k模型。标准k模型是最常用的湍流模型之一，它是半经验公式。需要求解湍动能和耗散率方程

29、两个值：湍流动能方程-k方程是一个精确方程，而湍流耗散率方程方程是一个由经验得到的方程。如果考虑自定义的源项，标准模型方程如下所示17。湍动动能k方程： 2。6湍动能耗散率: 2.7其中层流黏性系数; 湍流黏性系数，； 由层流速度梯度产生的湍流动能; -由浮力产生的湍流动能； 、和经验常数； -湍流常数。 有效的黏性系数：。k-模型假定流场完全是湍流，分子间的黏性可以忽略。因此，标准k-模型只对完全湍流的流场有效18。模型的常量是对空气、水的基本湍流试验而得来的，FLUENT软件一般取值为=1。44，=1.92，=0。09，=1。0，=1。3.2。6.2 数值计算方法有限差分法、有限元法和有限体积法是目前比较常用的三种数值计算方法。本文所采用的方法是有限体积法来进行数值求解。有限体积法（Finite Volume Method，记为 FVM）是 S。V。Patanker 提出的一种有限差分离散方法，它属于有限差分法的范畴。离散方程的有四种常用方法分别是：泰勒级数展开法、多项式拟合法、控制体体积积分法与控制体体积平衡法19。控制体体积积分法又称有限体积法,它是将控制方程对有限大小的控制体积进行积分,从而