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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。汽车以60km/h的速度行驶(16.67m/s),具体汽车模型如图所示: 2、划分网格 对汽车外流场区域划分网格,网格尺寸为0.15。其余设置如下图所示。 3、定义边界层类型 该模型中,我们近似地认为汽车静止,而风从左边的面中灌入,从右边的面中逸出,地面以和风相同的速度向右移动,而中间其余三个面以及汽车表面都是固壁。 因此,入口壁面定义为velocity_inlet(命名为inlet),出口壁面定义为pressure_outlet(命名为outlet),其余面均定义为wall,为了后面方便将地面和汽车表面取出来,分开定义,并命名为ground和car。 4、fluent条件设置 1)、将msh文件导入fluent中,check之。由于该过程运动速度较大,且气体可压缩,因此选用耦合求解器(具体在后面设置)。 2)、上文中已经提到,假定汽车速度为60km/h(16.67m/s)。 考虑雷诺数:Re=vdυ=16.67*214.8*10-6=2.25*106 因此该模型显然是湍流模型,故选用k-e求解模型。 3)、定义材料为空气,参数默认 4)、设置操作条件,重力存在,方向为z方向向下。 5)、设置边界条件,空气入口速度为16.67m/s。同时,相对车而言,地面也以16.67m/s的速度运动。其余保持默认。 6)、选用耦合求解器 将pressure-velocitycoupling一栏中原本的simple改为Coupled,其余参数均保持默认。 7)、初始化设置为从inlet开始计算 8)、设置残差值为10-5。 9)、设置迭代,并预计迭代500次。 如图,迭代到100次以后各项残差基本保持稳定,但continuity曲线残差值相对还是较高,故通过报告中的质量流量观察连续性方程是否收敛。 显然进口质量等于出口质量,连续性方程没有问题,故认为质量残差值收敛。 5、四人小轿车外流场压力分布图 通过上面计算,可以得到四人小轿车的外流场压力分布云图。具体图像如下所示: 从前往后看: 从后往前看: 车身压力分布等值线: 车身中心面上压力分布图(车子在向左行驶): 3、面包车的建模和计算 1、建立面包车模型 建立长宽高尺寸为3.6m*2m*1.8m,轮胎直径为0.7m,轮胎厚度为0.2m的面包车模型。如图所示: 2、划分网格 以0.15为网格尺寸划分网格,其余设置见下图: 3、设置边界层类型 与上面的四人小轿车边界层类型类似,风从左边面进入,从右边面出,地面以16.67m/s的速度向右运动,其余面均为静止的wall。 因此左面设为velocity-inlet,右面设为pressure-outlet,其余均是wall。为后面使用方便分别将地面命名为ground,汽车表面命名为car。 4、fluent参数设置 Fluent具