汽车空气动力学数值模拟

汽车空气动力学性能的优化研究在现代汽车设计过程中，空气动力学性能的优化已成为一项重要工作。

汽车的空气动力学性能直接影响着车辆的燃油经济性、操控稳定性和驾驶舒适度。

因此，针对汽车空气动力学性能的优化研究日益受到汽车制造商和研究机构的关注。

一、背景介绍汽车空气动力学性能的优化研究是为了降低风阻、提高汽车的流线型性能。

通过减小风阻系数，能够降低汽车在高速行驶时的油耗。

此外，良好的空气动力学设计还能够增强汽车的操控稳定性，减少风噪和提高乘坐舒适度。

二、空气动力学性能的优化方法1. 数值模拟方法数值模拟方法是一种快速且成本相对较低的优化研究方法。

通过使用计算流体力学（CFD）软件对汽车的外形进行模拟计算，可以评估不同设计方案对车辆空气动力学性能的影响。

这种方法可以帮助设计师在设计阶段快速找到合理的优化方案。

2. 风洞试验方法风洞试验是一种传统且准确的空气动力学性能测试方法。

通过在风洞中对汽车进行实物模型测试，可以获取精确的空气流动数据。

这些数据可以用于验证CFD模拟结果的准确性，并进一步优化汽车的空气动力学设计。

三、优化性能的关键因素1. 车身造型车身的造型对汽车空气动力学性能有着重要影响。

通过调整车身前后起伏的高度、改变前后挡风玻璃的倾斜度以及优化车身尾部的设计，可以减小流体分离和湍流产生的阻力，从而降低风阻系数。

2. 下颚板和扰流器下颚板和扰流器的设计可以改善车辆的空气动力学性能。

“下颚板”位于车辆前部，用于引导空气流向后部，减小车辆底部的负压区域。

而“扰流器”则位于车辆后部，旨在改善尾部区域的气流分离，减小后部的拖曳力。

3. 车轮井和轮毂设计车轮井和轮毂设计对于减小空气阻力同样起到关键作用。

通过改变车轮井以及轮毂的形状，可以减小空气对车轮和刹车系统的阻力，进而改善整车的空气动力学性能。

四、实例分析：特斯拉Model 3特斯拉Model 3是一款标志性的电动车型，其外形设计经过了精心的空气动力学优化。

空气动力学与气动力学研究进展空气动力学和气动力学是研究飞机、火箭、汽车、风力机等在气流中的运动规律的学科。

随着现代科技的发展，这两个学科越来越受到关注和重视。

本文将探讨空气动力学和气动力学领域的研究进展。

一、空气动力学的研究进展空气动力学是研究物体在空气中运动的规律的学科，包括物体在空气中的阻力、升力、侧向力、滚转力等方面。

空气动力学涉及多个领域，如机械、航空、航天、汽车等。

近年来，随着技术的飞速发展，空气动力学领域也相应地取得了很多研究进展。

1. 数值模拟技术的应用在空气动力学研究中，数值模拟技术的应用越来越广泛。

基于计算流体力学（CFD）的数值模拟技术，可以模拟物体在大气中的运动，预测飞机、航天器等的性能参数，用于优化设计和改进性能。

数值模拟技术还可以对物体的气动特性进行研究，为制定相应的控制策略提供基础。

2. 小型飞行器的研究空气动力学领域的研究还包括小型飞行器的设计和研制。

小型飞行器的出现，让人们可以更加方便地探索大气层和地面的情况。

在小型飞行器的制造中，采用了先进的材料和先进的设计方法，使得小型飞行器的性能不断提升。

小型飞行器可以应用于许多领域，如制作无人机、研究大气层的科学也具有很大的潜力。

二、气动力学的研究进展气动力学是研究气体在物体表面的运动规律的学科，涉及气体的流动、压力、温度等参数。

气动力学的研究领域广泛，如空气动力学、水动力学、地面气动力学等。

在现代工业中，气动力学的应用越来越广泛。

1. 风力发电的研究在气动力学领域，风力发电是一个较为成熟的研究方向。

风力发电是一种利用风能来转动发电机产生电能的技术。

在风力发电的研究中，气动力学的原理被广泛应用。

研究人员通过对气流的流动规律进行分析和模拟，设计出效率更高的风力发电机，并优化风电场布局，提高发电效率。

2. 汽车空气动力学的研究汽车空气动力学的研究是为了减小汽车的空气阻力，提高汽车的燃油经济性。

汽车的空气阻力是汽车行驶时所受到的气体力学阻力，越大则汽车的油耗也越大。

空气动力学中的非定常流动数值模拟研究空气动力学是研究物体在空气中运动的力学学科，非定常流动数值模拟是其中非常重要的研究领域之一。

在过去的几十年里，非定常流动数值模拟已经成为了空气动力学研究的重要手段之一，对于许多行业和领域都具有重要的应用价值。

一、非定常流动数值模拟的意义和价值非定常流动是指在空气动力学中存在着时间上不稳定、空间上不均匀的气流现象。

这些气流现象通常包括了飞行器、汽车、船舶等物体运动中产生的涡旋、尾流等气流现象。

非定常流动数值模拟是一种通过数值模拟方法来研究这些气流现象的研究手段。

它可以帮助研究者了解非定常流动产生的机制和规律，进而对于减小气流阻力、提高效率、改进气动设计等方面具有重要的应用价值。

二、数值模拟的方法和技术在非定常流动数值模拟研究中，有许多数值模拟的方法和技术可供选择。

一般而言，这些方法和技术可以分为三类：欧拉方法、拉格朗日方法和欧拉-拉格朗日混合方法。

欧拉方法是以空气粒子在运动过程中所受到的作用力来计算空气流场的运动状态，它适用于基本上没有物体与空气之间的相互作用的流动。

拉格朗日方法则是用来研究物体运动时所产生的流动现象，例如在飞行器飞行时产生的尾流。

欧拉-拉格朗日混合方法则是将欧拉方法和拉格朗日方法相结合，既可以对欧拉方法适用的流动进行数值模拟，又可以对拉格朗日方法适用的流动进行数值模拟。

在非定常流动数值模拟的研究中，还会用到诸如贪吃蛇法、分叉皮带法、埃拉纳法等一系列基于无网格的数值模拟方法和技术。

这些方法和技术更具有灵活性和适用性，能够更加准确地描述非定常流动。

三、数值模拟在气象、航空航天等领域的应用非定常流动数值模拟在许多领域都具有广泛的应用，特别是在气象、航空航天等领域。

在气象研究中，非定常流动数值模拟可以帮助研究者更好地预测气象条件，从而为天气预报提供更加准确的数据。

在航空航天领域，非定常流动数值模拟不仅可以用来优化飞行器的设计，还可以帮助研究者了解飞机在高空飞行时遇到的各种气流现象，从而增强飞行安全。

数值模拟在流体力学中的应用和局限随着计算机技术的发展和数值计算方法的不断改进，数值模拟在流体力学中的应用越来越广泛。

本文将探讨数值模拟在流体力学中的应用以及其局限性。

一、数值模拟在流体力学中的应用1. 流体流动模拟数值模拟可以通过计算流体的速度、压力、温度等物理量，模拟出流体在不同条件下的流动状态。

这对于了解流体的动力学行为、优化设计和预测流体行为具有重要意义。

例如，在航空航天领域，数值模拟可以帮助优化飞机的气动设计，提高飞机的性能和燃油效率。

2. 边界层分析边界层是指靠近流体表面的一层流体，其速度和压力分布受到表面黏性的影响。

数值模拟可以有效地模拟和分析边界层的流动行为，为流体力学研究提供基础。

在风力发电机翼型设计中，数值模拟可以帮助优化气动性能，减小阻力和风噪。

3. 空气动力学模拟数值模拟在空气动力学领域中的应用十分广泛。

它可以模拟飞机、火箭、汽车等物体在空气中的运动和受力情况。

通过数值模拟，可以预测物体的阻力、升力、气动稳定性等参数，为设计和改进提供有效的依据。

二、数值模拟在流体力学中的局限性1. 网格依赖性数值模拟在流体力学中的一个重要问题是网格依赖性。

在模拟过程中，流体区域通常被划分为离散的网格单元，但不同网格剖分会对结果产生影响。

当网格过于粗糙时，会导致模拟结果的精度下降；而网格过于细致时，计算成本会增加。

因此，如何选择合适的网格剖分是数值模拟研究中的一个挑战。

2. 涡流和湍流模拟数值模拟在涡流和湍流模拟方面仍存在一定的局限性。

湍流是流体中不稳定的、无规律的流动，具有较强的非线性和随机性。

由于湍流的复杂性，精确模拟湍流流动仍然是一个困难的问题。

目前，涡粘模型和雷诺平均湍流模型等方法的应用仍然无法完全满足湍流模拟的需求。

3. 数值误差数值模拟中难以避免的问题是数值误差。

数值计算中的舍入误差和离散化误差会对结果的精度产生影响。

此外，部分数值方法可能对特定问题不适用，从而导致结果的不准确性。

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。

《工程流体力学－汽车空气动力学》复习大纲（答案仅供参考）1、 汽车空气动力学的发展有哪几个时期？基本型时期、流线型时期、最优化时期2、 汽车空气动力学的研究方法有哪些？实验理论数值模拟（CFD ）3、 汽车空气阻力与哪些因素有关？ 式中，CD 称为空气阻力系数；A 称为迎风面积；ρ是空气密度；ur 是相对速度，无风时即为汽车的行驶速度ua （m/s ）。

4、 什么是流体的粘性？流体的粘性与什么有关，怎样变化？粘性是指在运动状态下，流体具有抵抗剪切变形的能力。

温度是影响流体粘性的主要因素，液体的粘性随温度的升高而减小，气体的粘性随温度的升高而增大。

5、 什么是音速？什么是马赫数？它们是衡量气体的什么性质的指标？音速（a )：微小扰动在某种介质中的传播速率。

用来衡量气体的压缩性。

音速越大，越不易压缩。

马赫数：用来衡量运动气体的压缩性。

v----气体的运动速度；a---气体的当地音速。

6、 在什么情况下气体可看作不可压缩流体？Ma 小于0.3时，气体可看作不可压缩流体。

7、 什么是流线？流线有什么性质？流线（Streamline ）是某一时刻在流场中画出的一条空间曲线，在该时刻，曲线上的所有质点的速度矢量均与这条曲线相切。

流线的几点性质• 1. 流线簇的疏密程度反映了该时刻流场中各点速度的变化。

• 2. 对于恒定流，流线的形状和位置不随时间而变化。

• 3. 恒定流时，流线和迹线重合。

• 4. 一般情况下，流线不能相交，不能折转，只能是一条光滑曲线。

8、 什么是层流？什么是紊流？层流（Laminar Flow ）：各流层质点互不掺混，分层有规则的流动状态。

紊流（Turbulent Flow ）：质点运动轨迹极不规则，各流层质点剧烈掺混。

9、 什么是不可压缩一元流连续方程？有什么物理意义？221r D w u A C F ρ⋅=a v Ma =各过流断面上体积流量为常数，面积大则流速小，面积小则流速大。

汽车空气动力学的仿真与优化设计一、概述汽车空气动力学是指汽车与运动空气之间的相互作用。

汽车在高速行驶时会在前方形成一个压缩空气区，而在车身后方则形成一个低压区，这个区域叫做“尾流”。

汽车空气动力学仿真与优化设计可以帮助设计者在保证车辆外观美观的前提下，将车辆的空气动力学性能进行优化，从而提高车辆的性能。

二、汽车空气动力学仿真汽车空气动力学仿真是利用计算机对车辆在不同速度下的空气动力学特性进行模拟和分析。

通过仿真可以得到车辆的气动系数、压力分布、气动阻力、升力等等数据。

其中，气动系数指的是车辆外形、前进速度、气流方向等参数对空气动力学特性的影响。

在汽车空气动力学仿真时，需要采用数学模型对车辆在运动时所承受的气流压力、阻力进行分析，同时要考虑车辆的形状、尺寸、质量等因素。

针对不同的车型和设计方案，需要选取不同的数值模拟工具和方法。

以CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）为例，利用CFD软件可以对空气在车辆表面流动的物理过程进行数值求解。

在求解过程中，需要将车身模型放入数值计算区域内，通过建立网格、设定运动状态和气流条件等设定参数，得出汽车在不同速度下的气动力学特性。

三、汽车空气动力学优化设计汽车空气动力学优化设计是指在保持车辆外观美观的前提下，对车辆外型进行改良，从而降低车辆的空气阻力和汽车的油耗。

优化设计主要包括以下几个方面：（一）车身风阻降低车身的设计和外形是在保证车辆美观的基础上进行优化的。

优秀的外形设计不仅能够提升车辆品质的形象，还可以通过降低车身风阻来减少空气阻力。

例如，凸起和边角分明的车身设计会导致流体分离，提高拖拽系数，增加风阻。

相反，流畅的车身设计会减缓空气流动并降低阻力，使车辆动力性能更好。

（二）提高车辆通风性在车辆高速行驶时，为了降低车辆的空气阻力，通风口和散热孔一般要尽量少，但是这也会导致车内温度过高。

因此，通过改变通风口位置或者设置特殊的气流引导装置，可以解决车内通风问题。

空气动力学中的流场建模和数值模拟在现代工程学和科学研究中，气体流场的建模和数值模拟是一种重要的工具，以有效地分析和预测空气动力学相关系统的性能和行为。

此技术可以用于理解如何设计高效的飞行器和汽车，分析燃烧和能源系统，以及评估气体传输和环境管理方案等。

本文旨在介绍空气动力学中的流场建模和数值模拟技术，并讨论其在各个领域的应用。

一。

流场建模流场建模是在建立模型的基础上，从理论和实际角度考虑，通过数学和物理原理，对某一气体流动进行描述和计算的科学方法。

流场建模技术的发展是在数学方法，机器性能和计算技能的动态巨变中发展的。

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics），即CFD，是一种应用流体力学理论和计算机数值模拟方法的数学工具，它使用现代计算机系统来解决流体动力学的实际问题，例如流体流动，传热，混合和反应。

目前，流场建模有两种方法：1. 一元模型建模即在模型中固定一个空气特性参数，如温度，压力等。

然后对流体在一维或二维流动的情况进行建模和计算。

此方法通常应用于研究低速气流和简单流场的运动。

2. 多元模型建模即在模型中同时考虑多个空气特性参数，以便模拟各种流动条件和涡流运动等复杂的流动。

此方法更适用于高速气流和复杂的流场运动的研究。

二。

数值模拟数值模拟是CFD的一部分。

这是使用数学和物理方程来预测流体动力学行为的一种技术。

首先，用顺序计算方法将几何表面分解成微观的网格，然后根据所建立的模型数值方法计算出每个单元格内的流场比如速度, 压力, 密度等等。

是一种先进而可靠的气流仿真工具。

对于一些气体动力学问题，CFD通常是最有效的解决方案之一。

例如，对于飞行器和机器，可以对其各部分的内部气流和在外的气流的流动进行研究。

并可以使用数值模拟技术来模拟流场，以分析飞行器的流形设计是否最优。

此外，可以评估多个方案。

通过数值模拟技术，工程师可以找到最适合实际应用的设计和方案，并预测特定条件下流体动力学参数的行为。