基于cfd的皮卡車流場數(shù)值模擬

基于cfd的皮卡車流場數(shù)值模擬

1汽車空氣動力學(xué)的研究隨著汽車的行駛速度的提高，從汽車安全和節(jié)能的角度來看，汽車必須具有良好的空氣動力學(xué)特性。為了降低汽油耗竭，節(jié)約能源，控制性能的變化，確保良好的操縱穩(wěn)定性，應(yīng)詳細(xì)進(jìn)行和應(yīng)用。汽車空氣動力學(xué)研究已成為汽車工程領(lǐng)域的研究方向之一。目前常用的汽車空氣動力學(xué)研究方法主要有:風(fēng)洞實(shí)驗和數(shù)值模擬。風(fēng)洞實(shí)驗雖然可以得到具有較高可信度的結(jié)果,但同時也有諸如成本高、周期長、設(shè)備龐大等局限性,并且難以避免洞壁和支架干擾等帶來的影響。應(yīng)用CFD數(shù)值模擬所需的費(fèi)用少,周期短,并且數(shù)值模擬在某種意義上比試驗對流體運(yùn)動過程的認(rèn)識更為深刻,更為細(xì)致,從而使我們可以方便、直觀地了解汽車周圍空氣的流動狀況,初步計算出整車的風(fēng)阻系數(shù),為進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計提供依據(jù)。2數(shù)值模擬過程數(shù)值模擬的基本流程如圖1所示。2.1縮比模型根據(jù)文獻(xiàn)中的實(shí)驗?zāi)Ｐ徒⑷S的半車身模型(圖1)。采用1∶10的縮比模型,模型總長432mm,總寬152mm,總高148.8mm(圖2)。模型簡化了車身細(xì)部結(jié)構(gòu)、省略了后視鏡、雨刮器等附屬裝置。這樣使模型更具有皮卡車的普遍性。2.2計算域的大小根據(jù)經(jīng)驗,流場模擬計算時計算域到達(dá)一定的大小,汽車流場就不再受計算域的大小影響。假設(shè)汽車模型的長為L,寬為W,高為H,則計算域的取法為汽車前部取3L,側(cè)面取4W,上部取4H,汽車后部取6L,汽車下部與地面間的距離取輪胎半徑。2.3近汽車網(wǎng)格的放寬由于主要關(guān)心車身周圍的流場變化,所以細(xì)化近汽車壁面處的網(wǎng)格,隨著遠(yuǎn)離車身外表面適當(dāng)放寬網(wǎng)格的大小,以控制網(wǎng)格的規(guī)模。網(wǎng)格的大小為8-25mm,半車約200萬個單元。2.4風(fēng)速模型設(shè)風(fēng)洞入口邊界條件為u0=30m/s,出口邊界條件為自由條件;空氣的密度為1.208kg/m3;計算中不考慮溫度的影響。采用RNGk-ε湍流模式和non-equilibriumwallfunctions壁面函數(shù);紊動能k和紊動能的耗散率ε由經(jīng)驗公式計算確定;計算選擇二階迎風(fēng)格式;收斂判斷條件的所有物理量的容差為1.0E-4。3cfd模擬誤差與實(shí)驗結(jié)果比較經(jīng)過計算,得出模型的空氣阻力系數(shù)為0.47,與實(shí)驗值0.45之間的相對誤差為4.4%,CFD模擬誤差控制在±15%以內(nèi)即可,因此本文CFD模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果較符合。3.1表面壓力分布(1)對稱面上表面壓力分布(見圖3)因皮卡車前部外形與轎車相似,所以其駕駛室上表面壓力分布與轎車類似,即車身前部存在滯點(diǎn),壓力系數(shù)值為0.93,實(shí)驗得此處壓力系數(shù)值為0.98。(2)對稱面下表面壓力分布對稱面下表面壓力分布圖中有兩個低壓區(qū)(見圖4),大約在前后車輪位置。其原因是車輪處氣流通過的截面積變小,氣流速度增大,導(dǎo)致此處壓力下降。3.2面水流場對比分析CFD用于汽車外流場模擬時,車身表面壓力分布與實(shí)驗值吻合較好不一定表明數(shù)值模擬是成功的,更重要的是要看數(shù)值模擬得到的流態(tài)結(jié)構(gòu)與實(shí)驗得到的流態(tài)結(jié)構(gòu)是否吻合。下面就流態(tài)結(jié)構(gòu)展開討論。(1)縱向?qū)ΨQ面流線分布圖5和圖6分別為實(shí)驗和CFD數(shù)值模擬所得的縱向?qū)ΨQ面流線分布圖?？梢钥闯鰞蓤DA區(qū)域中,部分氣流經(jīng)過駕駛室頂棚后發(fā)生分流,并且由于貨廂擋板的阻擋,在貨廂內(nèi)形成一個渦場。兩圖的B區(qū)域中,部分氣流經(jīng)過貨廂擋板后都是向下運(yùn)動,形成尾渦。由兩圖的各個區(qū)域流線對比可知,CFD模擬所得流線與實(shí)驗所得流線基本一致。(2)對稱面尾流渦場圖7和圖8分別為實(shí)驗和CFD數(shù)值模擬所得縱向?qū)ΨQ面尾流渦場。由兩圖中的A區(qū)域可知,CFD數(shù)值模擬所得的尾流渦場與實(shí)驗的所得尾流渦場基本一致。圖中兩個強(qiáng)渦場產(chǎn)生于駕駛室和車身底部的氣流分離處,并且都大約延伸至x=550mm處。(3)z=15mm水平面內(nèi)的流場分布圖9和圖10分別為實(shí)驗和CFD數(shù)值模擬所得縱向?qū)ΨQ面尾流渦場。兩圖對比可知,CFD數(shù)值模擬所得的流場與實(shí)驗的所得流場基本一致。在貨廂后方有一對對稱于縱向?qū)ΨQ面的渦流區(qū),且渦流區(qū)沿來流方向逐漸會合,氣流的這些特征都得到了很好的模擬。4模型的修改和分析4.1模型前后對比運(yùn)用CFD對汽車外流場進(jìn)行數(shù)值模擬的最終目的是改進(jìn)汽車模型,提高汽車的空氣動力學(xué)特性。為了減弱氣流經(jīng)過頂棚后到后擋板時的分流,從而減少湍流能的耗散,使皮卡駕駛室頂棚向下傾斜4°,如圖11所示。表1是修改汽車模型前后實(shí)驗和模擬的阻力系數(shù)變化值。修改后模型的阻力系數(shù)減少,并且兩者的變化值比較接近。4.2動機(jī)罩與私家車的負(fù)壓從圖12和圖13可以看出:由于模型前部相同,從車身前臉到車頂前緣的壓力云圖大致相同。正壓區(qū)主要分布在前臉部分、發(fā)動機(jī)罩與擋風(fēng)玻璃交界處,其余大部分均為負(fù)壓。出現(xiàn)負(fù)壓較大的地方在發(fā)動機(jī)罩前端、駕駛室頂棚和貨箱部分,且變化都比較平緩。對比兩圖中A區(qū)域可以看出,將模型的頂棚向下傾斜4°后,氣流流經(jīng)駕駛室頂棚時遇到的自由空間增大,減緩了氣流流經(jīng)駕駛室頂棚后的分流,致使駕駛室頂棚上部和貨箱內(nèi)的負(fù)壓區(qū)范圍縮小,負(fù)壓絕對值變小,因此氣動阻力變小,Cd值降低。5皮卡模型模擬結(jié)果本文利用fluent軟件對皮卡車的外流場進(jìn)行數(shù)值模擬