汽车车身外流场计算模型及仿真

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。

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。

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 日目录1 绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1。

2 国内外发展状况 (2)1.3 毕业设计的主要内容 (4)2 汽车外流场分析的理论基础 (5)2。

1 引言 (5)2。

2 气动力 (5)2。

3 负升力产生原理 (6)2.4 负升力与操纵稳定性 (7)2.5 空气动力学套件 (7)2.6 流体数值模拟的理论基础 (11)3 赛车外流场分析 (15)3.1 赛车车身模型的建立及简化 (15)3.2 划分网格 (16)3。

3 边界条件的设定 (17)3.4 FLUENT计算结果 (19)3。

5 赛车仿真结果分析 (19)4 空气动力学套件方案确定 (23)4。

1 前翼的设计 (23)4。

2 尾翼的设计 (26)5 加装动力学套件后赛车仿真结果分析 (29)5。

1赛车模型的建立 (29)5.2赛车仿真结果分析 (29)结论 (33)参考文献 (34)致谢 (35)1 绪论1.1 研究背景及意义随着汽车工业的不断发展,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。

基于CFD的三种轿车模型外流场仿真及气动性能比较武浩浩【摘要】建立直背式、快背式和折背式轿车的简化模型,导入Fluent前期处理软件GAMBIT,在GAMBIT中建立汽车绕流场的三维物理模型。

用结构化网格对简化的汽车模型外流场划分网格,在计算流体力学软件FLUENT中采用N-S方程及SIMPLE算法求解阻力和力矩。

模拟出相同速度下三种轿车模型的气动压力场和速度场,计算出气动阻力系数、升力系数及阻力矩系数。

并通过车尾空气流态的模拟,对三种车身空气绕流的空气动力特性进行了研究。

通过比较,解释了这三种车身造型与气动力特性,及气动力特性与汽车性能的关系,为轿车车型产出比的决策及汽车造型优化设计提供参考。

【期刊名称】《管理工程师》【年(卷),期】2011(000)004【总页数】4页(P49-51,66)【关键词】轿车模型;压差阻力;CFD【作者】武浩浩【作者单位】中国矿业大学机电工程学院【正文语种】中文【中图分类】U469.11一、引言国际油价的不断飙升和环境对低碳的要求以及国内汽车行业竞争的日益加剧，提高燃油利用率成了汽车制造业越来越重视的问题。

而汽车在高速行驶时燃油利用率的高低，有很大一部分取决于车身造型的空气动力学特性.现代汽车按美国环保署(EPA)城市/高速公路混合循环的平均能耗分解数据显示，汽车驱动轮有效机械能约53%被用来克服风阻，47%用来克服其他阻力。

在风阻中，有85%左右为压差阻力，其余为空气与车身摩擦产生的阻力。

压差阻力中，汽车尾流占至少90%。

另外车身造型的空气动力学特性还会影响汽车的美观和清洁。

因此，通过研究汽车外流场压力分布求得阻力系数，再进行比较得出几种轿车的空气动力特性，可以使用户对轿车的选购趋于理性，也可以为制造商对不同车型的生产提供决策参考。

二、流场控制方程传统的空气动力学实验多以成本高、周期长、设备庞大的风洞实验为主，但是随着计算机技术的发展，设计人员的研究重点逐渐转向计算流体力学(CFD)及其相关应用软件的开发应用。

汽车外流场fluent仿真设计与分析汽车外流场Fluent仿真设计与分析SC12013043 高志谦摘要：汽车车型是汽车的重要特性之一,它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性与安全性。

而汽车外流场的压强分布则是比较各车型优劣的一项重要参考依据。

本文通过Fluent软件对不同外形的车辆进行外流场仿真计算，并得出其外流场压强分布。

通过比较分析得出各种车型的优势与劣势。

关键词： Fluent，汽车外流场，压强分布，车型1、引言近几十年来，汽车工业迅速发展，除了在发动机等内部器件方面进展迅速以外，对汽车外形的设计也有了很大的突破和提高。

汽车的外形设计一方面是为了满足消费者对汽车的美观要求，另一方面也可以通过外形设计减小汽车运行时的空气阻力，从而提高速度；与此同时，汽车运行时会由于空气作用产生升力，是汽车运行时稳定性大大下降，因此也可以通过外形设计减小升力，使得汽车行驶时稳定性安全性大大提高。

而Fluent公司是目前世界上最大的计算流体力学(CFD)软件供应商。

在全球众多的CFD 软件开发、研究厂商中，Fluent独占了大约40%以上的市场份额。

而汽车领域更是Fluent 公司最为重视的行业之一。

几乎全球所有知名的汽车厂家都是Fluent的用户。

因此，本设计中，主要通过Fluent对汽车外流场的压力分布进行仿真设计与分析。

如今最常见的汽车类型有三种：四人小轿车、面包车和小货车。

因此本文主要通过对这三种类型的汽车进行gambit建模，并划分网格。

再用fluent进行迭代计算，得出相同条件下三种汽车的外流场压力分布图。

并通过分析，得出各种车型的优点与劣势。

2、四人小轿车的建模和计算1、建立汽车模型本设计中，四人小轿车长宽高依次为3.6m*2m*1.5m,（其中，车高是从地面到车顶距离）。

轮胎直径为0.7m，胎宽为0.2m。

并将汽车套在一个尺寸为10m*4m*4m的长方体中，作为待分析的汽车外流场区域。

大连民族学院毕业设计（论文）汽车外形设计的流体力学仿真依据学院（系）：物理与材料工程学院专业：光电子技术与科学学生姓名：王世泽学号： 2011153221指导教师：毕振华评阅教师：赫然完成日期： 2015年月日大连民族学院Hydrodynamics simulation based automotive exterior designAbstractThe purpose of domestic and foreign large collection and read about the development process of automotive design, automotive design analyze advantages and difficulties, affect vehicle design and documentation of relevant information, to understand the performance and characteristics of automotive design methods of various techniques .This paper mainly through the familiar and simulation software COMSOL to simulate a different appearance of the car model, as much relevant data obtained under different designs for the main image and data analysis. Through a variety of different graphical appearance of the car model data comparison and contrast optimum model design, and analysis to do the report.To learn and master the physical simulation design software COMSOL. And application software COMSOL collected different modes simulation modeling and optimization, the final result of the data obtained after the simulation and optimization were discussed.Keywords: COMSOL; automotive design; simulation model摘要大量收集并阅读国内外关于汽车外观设计的发展历程，分析汽车外观设计的优势以及困境，对汽车外观设计的影响相关的资料和文献，达到了解汽车设计的各种技术方法的性能和特点的目的。

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。

2007年4月农业机械学报第38卷第4期轿车外流场网格生成策略及数值模拟*杨　博　傅立敏 【摘要】　采用3种网格策略对某轿车外流场进行数值模拟研究,并应用商业CFD 软件ST A R -CD 进行求解。

根据计算过程和结果,分析不同网格策略的效果,论述3种网格策略的特点。

数值模拟中考虑了车轮旋转和车轮固定两种边界条件,并将数值计算结果与试验数据进行了对比分析,探讨了高雷诺数k -E 湍流模型的计算精度。

关键词:汽车　外流场　网格策略　数值模拟中图分类号:U 461.1文献标识码:AMesh Generation Strategies of the External Flow Field arounda Sedan and the Numerical Simulation ResearchYang Bo Fu Limin (J ilin University )AbstractThree mesh strateg ies w ere applied in the numerical simulation r esearch of the ex ternal flow field around a sedan .Co mputatio nal meshes w ere solved by comm er cial CFD software ,STAR -CD.M esh strategies effects w ere compared and their featur es w ere sum marized according to the different co mputatio nal pr ocesses and results.Both the ro tating and stationary w heels boundary co nditions w er e consider ed and com putational results w ere compared w ith av ailable experimental data.The accur acy of the hig h Reynolds k -E turbulence model w as discussed.Key words Vehicle,External flow field,M esh strategies,Num er ical simulation收稿日期:2005-10-28*国家自然科学基金资助项目(项目编号:60222207)杨　博　吉林大学汽车工程学院　博士生,130025　长春市傅立敏　吉林大学汽车工程学院　教授　博士生导师 引言在实车的CFD 研究中,如何获得高质量的网格一直是研究重点,网格质量是决定整个研究过程进展的关键因素之一。