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摘要随着汽车技术的发展以及道路交通的完善，汽车实用车速大大提高，汽车空气动力学成为汽车行业的重点研究方向之一。
本文采用CFD方法对某轿车进行三维外流场的数值建模。
本课题运用UG绘制出实车的1:1三维模型。
在建立仿真模型过程中,考虑到仿真时间与计算机硬件问题,对实车部分细节做出相应的简化。
然后利用ICEM软件建立有限元模型。
本文采用四面体+三棱柱网格混合方案划分网格,并采用密度体包围整个轿车,以对其周围计算区域进行网格加密处理,并对轿车表面面网格做局部细化。
选用Realizablek- 湍流模型,并在其近壁面采用标准壁面函数以提高车身表面流动的模拟精度。
最后利用FLUENT进行模型分析,得出车身表面压力分布图和速度矢量图,通过分析整车表面速度和压力特性,了解气流运动规律和情形。
并通过仿真所得结果计算出该轿车的气动阻力系数与升力系数。
根据本文仿真结果并结合轿车造型可以看出,对于轿车,由于流线型造型特点,其气阻力系数相对较小,但是气动升力系数不稳定。
而对于轿车这种高速行驶的汽车,出于安全与稳定性考虑,降低其气动升力比减小气动阻力有着更实际的意义。
关键字:计算流体力学数值模拟气动阻力气动升力AbstractAs the development of automobile technology and improved transport facilities, The vehicle`s Practical Velocity has greatly been improved, vehicle aerodynamics has already been one of the key research directions in the automotive industry. this paper builds a three-dimensional flow field numerical simulation model for a coupe with the existing method of CFD.The project builds the three-dimensional model of real car (l:l) with the use of UG. During the modeling process, there are some simplifications for some of the details of real car, thinking about the simulation time and computer hardware problems. Then this essay builds the finite element model with the ICEM software. In this paper, tetrahedral + Prism hybrid mesh program was used, and the whole couple surrounded by density Body to define the grid surface area. Realizable k- turbulence model used, and Standard wall function near the wall to enhance the body surface flow simulation accuracy. Finally, after the analysis of the model with the use of FLUENT,we obtains the body surface pressure distribution and the velocity vector. through the analysis of vehicle’s surface speed and pressure characteristics, we can understand the laws and situations for air movement. It’s shows that the simulation results obtained meets the flow field characteristics and laws. Then the coupe’s aerodynamic resistance coefficient and lift coefficient can be calculated from the result of the aerodynamic simulation.According to the simulation results and the coupe modeling we can seen that, for the coupe, due to its aerodynamic modeling features, the aerodynamic drag coefficient is relatively small, while the aerodynamic lift coefficient instable. For such a high-speed coupe car, out of considerations of security and s tability, it has more and more Practical significance to reduce the aerodynamic lift than aerodynamic drag.Key words: Computational fluid dynamics: Numerical simulation: Aerodynamic Resistance coefficient; Aerodynamic lift coefficient;目录1 绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 汽车空气动力学的研究方法 (1)1.2.1 实验研究 (2)1.2.2 理论分析 (2)1.2.3 数值计算 (2)1.3 国内外研究现状 (3)1.3.1 国外空气动力学发展现状 (3)1.3.2 国内空气动力学发展现状 (4)1.4 本文研究内容 (5)1.4.1 研究目标 (5)1.4.2 研究内容 (5)1.4.3 技术关键和难点 (6)2 汽车空气动力学气动特性研究 (7)2.1 空气动力学基本理论 (7)2.1.1 空气的基本物理属性 (7)2.1.2 气流运动的基本方程 (9)2.1.3 粘性流基础 (10)2.2 汽车的气动力与气动力矩 (12)2.3 气动力对汽车性能的影响 (15)2.3.1 气动力对汽车动力性的影响 (15)2.3.2 气动力对燃油经济性的影响 (16)2.3.3 气动力对汽车操纵稳定性的影响 (17)2.4 汽车流场的组成 (17)3 汽车外流场数值模拟理论基础 (19)3.1 汽车外流场的基本假设 (19)3.2 基本控制方程 (19)3.2.1 质量守恒方程(连续性方程) (19)3.2.2 动量守恒方程 (20)3.2.3 能量守恒方程 (20)3.3 数值离散化方法 (21)3.3,1 常用数值离散化方法 (21)3.4 湍流模型 (25)3.4.1 湍流模型的分类 (25)3.4.2 常用湍流模型 (25)4 汽车外流场的数值模拟 (28)4.1 几何模型的建立 (28)4.2 计算区域的确定 (28)4.3 网格的划分 (29)4.4 边界条件的确定 (30)4.5 求解器的选择 (30)4.6 收敛性判断 (30)4.7 汽车数值结果模拟与分析 (31)4.7.1 车身外流场分析 (31)4.7.2气动主力计算及性能分析 (39)总结 (40)致谢 (41)参考文献 (42)附录A英文原文 (43)附录 B汉语翻译 (50)1 绪论1.1 研究背景与意义汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及其与汽车相互作用的一门科学。
机械学院1206班王栋1200561汽车外流数值模拟一、学习目的：1.学会利用Gambit创建几何模型，生成合格质量的网格。
2.学会利用Fluent执行CFD程序，得到y +值的车体,以及一些基本的数值数据,如、静压区,速率区和阻力与速度的升力系数。
二、程序：打开Gambit第一步：创建几何模型a)输入在作业B中表格1提供的点坐标来建立车体的顶点。
b)使用NURBS创建车体边缘。
c)创建车体的面（定义为Face1）。
d)创建计算领域的顶点（见表格2）。
e)创建计算领域的4条边。
f)利用矩形的4条边创建计算领域的面（定义为Face2）。
g).利用Boolean运算从Face 2减去Face 1。
注意：不要保持retain Face1。
h)作为单独的几何文件保存数据：File → Save As, … 打开Save As 列:在ID窗口, 输入文件名例如1-car-geo，然后点击Accept.注意：A .dbs数据库文件，例如1-car-geo.dbs应保存在Gambit运行文件夹里，例如D:\Temp第二步：创建网格a) Edge mesh是车体的边缘。
为简单起见，我们使用统一的网格运算法则。
图1显示车体的每边网格数量,以供参考。
图1 车体每边的网格数量b)创建边界层网格Mesh → Boundary Layer,打开Create Boundary Layer l:- U选择Definition对于Algorithm, 选择Uniform 作为默认设置对于First row (a),输入: 0.0029对于Growth factor (b/a), 输入: 1.09对于Rows (层的数量),输入: 6选择Wedge corner shape.注意：边界层网格的First row (a)值的计算在实验指导第五页上。
在Attachment现在边缘用Shift_left-clicking创建车体. 点击后边界层将创建在每一个边缘上。
分类号 密级U D C 编号硕士学位论文基于CFD 的汽车外流场数值模拟及优化二零一五年五月研究生姓名： 查朦导师姓名： 苏小平申请学位级别： 硕士一级学科名称： 机械工程二级学科名称： 机械制造及其自动化Numerical Simulation and Model Optimization For Carbody Base on CFDA Thesis Submitted toNanjing Tech UniversityFor the Academic Degree of Master ofEngineeringBYMeng ZhaSupervisor: Prof. Xiaoping SuMay. 2015学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名：日期：学位论文的使用声明□1、南京工业大学、国家图书馆、中国科学技术信息研究所、万方数据电子出版社、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文并通过网络向社会提供信息服务。
论文的公布（包括刊登）授权南京工业大学研究生部办理。
（打钩生效）□2、本论文已经通过保密申请，请保留三年后按照第一项公开（打钩生效）□3、本论文已经通过校军工保密申请，不予公开（打钩生效）研究生签名：导师签名：日期：日期：硕士学位论文摘 要随着汽车工业技术及经济的发展，人们对汽车安全性、舒适性要求越来越高，而这很大程度上取决于汽车空气动力特性。
由于近年来数值计算理论及计算技术的发展进步，在新车开发初期越来越趋向于采用计算流体力学对汽车空气动力性能进行测试计算，该方法试验周期短、耗资少。
基于湍流模型的汽车外流场三维数值模拟作者：朱军耿艳廖斌来源：《科技资讯》2014年第30期摘要：从三维不可压缩流体的Navier-Stokes方程出发，建立数值模拟汽车外流场的控制方程组，分别采用三种湍流模型，即：Baldwin-Lomax模型、标准模型和低雷诺数模型来闭合控制方程组。
使用有限元法对汽车外流场的控制方程组进行离散，采用结构非均匀网格方法划分计算区域，计算得到了各种湍流模型下的汽车外部速度场，并与实验结果进行了对比分析。
结果表明，标准模型比其他两种模型具有更高的精度，能够更好地模拟汽车外部流场。
关键词：湍流模型数值模拟汽车外流场有限元法中图分类号：TH123 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（c）-0067-03由于汽车外流场直接影响到汽车的外形设计、汽车的性能改良，汽车的燃油经济性、操纵舒适性、安全性和噪声水平等等，因此对汽车外流场湍流数值模拟不仅具有理论意义而且具有工程应用价值。
汽车外流场属于三维湍流问题，汽车在行驶时，气流与车辆外形的相互作用，在汽车尾部出现分离流现象，典型流动特征为三维、粘性、湍流、分离。
由于汽车外流场绕流运动的复杂性，湍流模型的选择成为汽车外流场数值模拟的关键。
该文拟对汽车外流场及其数值模拟中湍流模型的选择进行研究，从三维不可压缩流体的Navier-Stokes方程出发，建立数值模拟汽车外流场的控制方程组。
根据湍流模型理论，拟选定三种湍流模型，即：标准Baldwin-Lomax模型、模型、低雷诺数模型，对汽车外流场进行数值模拟，计算出汽车外流场。
分析各种湍流模型数值模拟的结果，并与已有的实验结果进行对比分析。
1 控制方程组雷诺时均方程与连续性方程就构成了汽车外流场数值模拟的控制方程组：（1）（2）式中，是空间位置坐标；代表方向的速度；是压强；是运动粘性系数；是雷诺应力，，为速度的脉动值。
在数值模拟求解过程中，必须选取适当的湍流模型使该控制方程闭合。
汽车外流场的数值模拟宁燕，辛喆中国农业大学， 北京 （100083）E-mail ：rn063@摘 要：利用CFD 方法，运用FLUENT 软件对斜背式车型的外流场进行了数值模拟，并对结果进行了处理与分析。
研究了车身周围涡系的三维结构和车身表面分离流的情况，表明由于车身前后的压力差和主流的拖拽作用等，在汽车尾部形成了极其复杂的涡系。
关键词：汽车空气动力学；CFD ；车身外流场；FLUENT1. 引 言汽车空气动力学的研究主要有两种方法[1]：一种是进行风洞实验，另一种是利用计算流体动力学（CFD ）技术进行数值模拟。
传统的汽车空气动力学研究是在风洞中进行实验，存在着费用昂贵、开发周期长等问题。
另外，在风洞实验时，只能在有限个截面和其上有限个点处测得速度、压力和温度值，而不可能获得整车流场中任意点的详细信息。
随着计算机技术和计算流体动力学的发展，汽车外流场的计算机数值仿真由于其具有可再现性、周期短以及低成本等优越性而成为研究汽车空气动力学性能的另一种有效方法。
2. 控制方程和湍流模型汽车外流场一般为定常、等温和不可压缩三维流场，由于外形复杂易引起分离，所以应按湍流处理。
汽车外流场的时均控制方程式[2]如下：3,2,1,=j i ；z x y x x x ===321,,；，：u u =1w u v u ==32,平均连续方程：0=∂∂ii x u 平均动量方程：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+∂∂∂∂+∂∂−=∂∂i j j i eff j j j i j x u x u x x p x u u µρ κ方程 ρεκσµµκρκ−+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂+∂∂=∂∂G x x x u j t jj j )( ε方程 κερκεεσµµερε221)(C G C x x x u j t j j j −+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂+∂∂=∂∂ -1-其中， ji i j j i t x u x u x u G ∂∂⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+∂∂=µ εκρµµ2C t = µ为动力粘性系数，t µ为湍流动力粘性系数，它的提出来源于Boussinesq 提出的涡粘假定，是空间坐标函数，取决于流动状态，满足：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂+∂∂=−i j j i t j i x u x u u u µρ 其中，j i u u ρ−是由于对动量方程式平均化后得到的雷诺应力项。
εκ−方程中应用的常数值分别为：09.0=µC ，，44.11=C 92.12=C ，0.1=κσ，3.1=εσ但在近壁面区，由于流动情况变化很大，特别是在粘性底层，流动几乎是层流，湍流应力几乎不起作用，即上述的εκ−湍流模型是针对充分发展的湍流才是有效的。
为了解决近壁面问题，目前有两个解决办法，一是不对粘性影响比较明显的区域（粘性底层和过渡层）进行求解，而是用一组半经验的公式（即壁面函数）将壁面上的物理量与湍流核心区内的相应物理量联系起来；另一种途径就是采用低数Re εκ−模型来求解粘性影响比较明显的区域，要求在壁面区划分比较细密的网格。
越靠近壁面，网格越细。
壁面函数法是FLUENT 选用的默认方法，它对各种壁面流动都非常有效。
它避免了在速度梯度很大的近壁区运用精细网格，从而节省了计算开销。
3. 有限体积法和SIMIPLE 算法有限体积法是S.V .Patanker 提出的一种有限差分离散方法。
其基本思想是将计算区域划分为网格，并使每个网格周围有一个互不重复的控制体积；将待解微分方程（控制方程）对每一个控制体积积分，从而得出一组离散方程。
由于本文计算车身外部流动问题可简化为不可压缩流动问题，对压力项没有独立的方程存在，因此要对速度和压力的耦合问题进行处理。
SIMPLE 系列算法[3]是处理该问题的较为成熟的一类方法。
这种算法的基本思想是：由假设的速度场得到通过单元表面的单位质量对流流量，然后，通过假设的压力场来求解动量方程和由连续性方程导出的压力校正方程，得到的压力校正场又来更新原来的速度与压力场。
这样反复迭代直到收敛。
-2-4. 汽车模型的建立进行汽车外流场仿真，首先要做的工作就是车身模型的建立。
我们采用图1所示的车型作为仿真模型，建模比例为1：20。
这种车型的原始模型首先在UG上建立，因为造型软件UG具有多种功能，而且提供了与多种软件的接口。
然后把车身几何模型文件的.cpt格式转化成.igs格式，再传到GAMBIT上去进行网格划分。
图1 车体模型该模型对汽车实体表面作了简化处理：省略了车灯、门把手、后视镜等。
同时，还对底部作了平整处理。
这些改变对流场总体特性并没有大的影响，却反而能提高计算的经济性。
5. 网格的划分和计算域的建立本文使用GAMBIT软件划分网格。
网格力求简单并贴体，网格简单时求解方便，网格复杂则可能导致求解不精确甚至不稳定。
对于复杂表面的网格生成而言，贴体则是至关重要的。
为了解决汽车几何形状复杂，求解域大，网格数目多的难点，要对整个求解域进行分区，车身周围的局部求解域为内部区域，其余的为外部区域。
按照离车身的距离不同，网格的数量和大小也不同：离车身近的区域网格划分比较密，同时对车身以及车身底部地面附近的区域进行网格加密，使之能够清楚的表现车身表面附近和地面边界层附近的细致情况。
而远离车身的区域，网格可以适当的稀疏，以减少网格的数量，减少计算量，节约计算时间。
由于汽车尾流对汽车的气动性能影响很大，并且在汽车后部很长一段距离内存在，为了更好地仿真尾流，在汽车后部取很长一段距离。
同理，为了再现汽车行驶状态，在汽车的前部、上部和侧面都取大于汽车几倍尺寸的距离。
根据经验[4]，流场仿真计算所取的计算域到达一定的大小时，汽车的流场就不再受计算域大小的限制。
假设汽车模型长为L，宽为W，高为H，则计算域的取法为汽车前部取3L，侧面取4W，上部取4H，汽车后部取6L。
-3-最终该斜背式车型划分网格数为684，535个，网格划分如图2所示。
图2 斜背式车型车身纵向对称面内网格6. 边界条件入口边界：取远端来流方向的端面为入口边界，气流速度s m u /35=出口边界：车身后远端端面为出口边界，压强0=p （相对于大气压），其余各变量分量梯度为0；地面边界：假设汽车行驶的工况：在静止的空气中（无风条件下）、平直的路面上等速直线运动。
这样，汽车与地面，汽车与空气的相对速度均为汽车行驶速度。
这种工况在计算机上进行模拟实验，通常用均匀气流流过汽车模型来模拟行驶的汽车相对于静止的空气运动，显然这导致了附面层问题[5]：运动的气流在静止的地面会产生附面层。
而实际汽车行驶时，地面附面层是不存在的，只存在车身表面的附面层。
为了消除在计算机模拟中的地面附面层的影响，本文在计算模拟时采用了移动地面的做法，以消除地面边界层的影响，0u u =地面（来流速度） 0=地面v 0=地面w ；车身表面：车身表面为固定边界，各方向速度均为零。
7. 计算结果与分析图3为车身纵向对称面及车身表面压力分布图。
由图可知，在车身上表面，除车身前脸部分、发动机罩与前风窗交界处，及后风窗与行李箱罩交界出现正压外，其余部分均为负压。
出现负值较大的地方是车身前面上端拐角及侧面拐角处。
在汽车前部压力比较大，后部存在着负压，前后的压力差造成了汽车的压差阻力，这部分阻力占总阻力的主要部分，要想降低汽车的气动阻力，必须设法使尾部的压力升高，以此降低压差阻力。
-4-图3 车身纵向对称面及车身表面压力分布图图4为车身对称面上下表面的压力分布对比图，横坐标正方向代表车身长度，纵坐标数值为车身表面的压力大小值。
从图中可知，车身底部都是负压区，且变化平缓。
作用在汽车上的气动力与汽车周围的压力分布直接有关，而压力的分布又与气流流经汽车的流谱有紧密的联系。
-5-图4 车身对称面上下表面压力分布对比图图5表明了此轿车纵向中心对称面的流态。
根据定义可知，流线的切线方向即是质点速度的矢量方向。
通过流态分析，可以理解重要的流动过程。
从图中可以看出各流线之间不是等间距，而各流线之间间距的差异，表明了升力的来源。
间距近，表明流速高，因此静压低，产生与汽车行驶方向垂直的纵向力（升力），它是向上的，趋于提起汽车，从而减小有效载荷，随之产生的俯仰力矩，则造成前后轴荷的转移。
图5 车身纵向流线图6是斜背式车型对称面的速度矢量图，图7为该车型尾部的速度矢量分布图。
从图7中可以看出，由于气流分离在汽车尾部造成的上下两个涡系；汽车上表面气流自后车窗某个位置分离，使汽车尾部很大一部区域淹没在分离流中。
-6-图6 对称面速度矢量图图7 对称面尾部速度矢量图图8、图9、图10、图11分别为距车尾20cm处、70cm处、1m处和1m又20cm处横截面的速度矢量图。
观察汽车尾部四个横截面的速度分布图可以看出：第一个图离车尾最近，约为1/25个车长，这时的尾部气流比较紊乱，可以观察到有上下两个逆向涡；其后1/12车长处，气流的涡旋已比较规则；再向后，约1/8个车长处，此拖拽涡已发展的很规则，再向后，涡系逐渐扩散，强度减弱，约1/2车长处，涡系消失。
这些涡是由于上下表面气流的压差与卷带形成的，其中上面一对涡流速度强度与尺度远大于下面的涡系，在不断向后发展的过程中，不断参混，最后形成了单一的一对大涡流，大尺度的涡形成与消散使得气流能量消耗增加，从而显著增加气动阻力。
-7-图8 距车尾20cm处的速度矢量图图9 距车尾70cm处的速度矢量图图10 距车尾1m处的速度矢量图图11 距车尾1m又20cm处的速度矢量图8. 结论①分析说明，在新车型开发过程中，应用CFD技术对汽车外流场进行建模和仿真模拟，是一种对其进行气动性能分析快速有效的方法。
②车身周围的压强分布，很大程度上决定了汽车所遭受的压差阻力，这部分阻力占汽车总阻力的主要部分。
设法升高汽车尾部的压力，或者减少汽车头部的压力，都将有助于降低压差阻力。
③应该合理设计车型，控制尾涡的形成强度。
-8-参考文献[1] 乔军平，《轿车外流场的数值模拟》：[硕士学位论文]，北京：北京航天航空大学，2004..[2] 王福军，《计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用》，北京：清华大学出版社， 2004[3] 陈景秋，胡韩飞，张永祥，《STAR-CD对汽车外流场的三维数值模拟》，重庆大学学报，2005[4] 谷正气，姜乐华，吴军，方刚，《汽车绕流的数值分析及计算机模拟》，空气动力学学报，2000.[5] 谢金法，《三维湍流轿车外流场数值模拟》[博士学位论文]，吉林：吉林工业大学，2000.Numerical Simulation of the External Flow Around a CarNing Yan，Xin ZheChina Agriculture University (100083)AbstractThis paper numerically simulates the outer flow fields of the notchback car with the CFD software FLUENT, analyzes and discusses the results. It researches the 3-dimensional structure of the V ortexes around the car body, and the situation about separated flow upper the car surface. Due to the pressure differences and wrapping of main flow, some complicated V ortexes appear in the wake region. Keyword：Aerodynamics；CFD；External flow field；FLUENT-9-。
