在汽车气动特性研究中的应用
风洞试验原理
风洞试验原理
风洞试验是一种用于模拟大气流场对物体的影响的实验方法，它在航空航天、
汽车、建筑等领域都有着广泛的应用。
通过风洞试验，可以模拟不同速度、压力、温度的气流环境，从而对物体的气动特性进行研究和分析。
本文将介绍风洞试验的原理及其在工程领域的应用。
首先，风洞试验的原理是基于流体力学和空气动力学的基本理论。
当物体在气
流中运动时，气流会对物体施加压力和阻力，同时也会产生升力和侧向力。
风洞试验就是通过模拟不同气流环境，测量物体在气流中的受力情况，从而分析物体的气动性能。
在风洞试验中，首先需要确定试验的目的和参数。
根据不同的研究对象和需求，可以确定试验的速度范围、气流密度、温度等参数。
然后，通过风洞设备产生符合要求的气流环境，将待测试物体放置在气流中进行试验。
在试验过程中，可以通过压力传感器、力传感器等设备实时监测物体受到的气动力，同时也可以通过流场可视化技术观察气流对物体的影响。
风洞试验在工程领域有着广泛的应用。
在航空航天领域，风洞试验可以用于研
究飞机、导弹等飞行器在不同速度、高度下的气动性能，为设计和改进飞行器提供重要依据。
在汽车工程领域，风洞试验可以用于研究汽车外形设计、空气动力学性能，提高汽车的燃油经济性和稳定性。
在建筑领域，风洞试验可以用于研究建筑结构在大风作用下的受力情况，为建筑设计提供可靠的风荷载数据。
总之，风洞试验是一种重要的工程实验方法，它通过模拟气流环境，研究物体
在气流中的受力情况，为工程设计和研究提供重要依据。
随着科学技术的不断发展，风洞试验在工程领域的应用将会更加广泛，为各行各业的发展提供有力支持。
FLUENT在汽车外形设计中的应用
FLUENT在汽车外形设计中的应用The application of FLUENT software in the car styling【摘要】气动特性是汽车外形的重要性能指标之一。
迄今国内对汽车外形的气动特性研究仍以风洞测试为主要手段。
采用计算流体软件对汽车外形流场进行三维模拟计算是获得汽车外形气动性能的一种新手段。
FLUENT软件具有3D实体造型、空气动力学计算、计算结果图形化等功能，将这些新概念、新功能引入到汽车外形的开发设计中，可以使汽车外形开发、设计实现节省时间、资金，取得更高质量的成果，从而为汽车外形的开发、设计开创了一条新的途径。
关键词：FLUENT 软件；汽车外形；三维实体造型；空气动力学计算【Abstract】Character of aerodynamics is one of the important performance index in the car styling. In our country, testing in the air tunnel is the chief way for the research of car’s shape aerodynamics, and now it is a new way for achieving character of aerodynamics in the car’s shape that use CFD software in the car’s shape floe field 3D analog computation. This paper introduces the new function of 3D modeling, aerodynamics calculation and consequence drawing into the development and design of the car’s shape to save temporal hour, fund and to meet achievement of high quality and therefore explore a new way for the design and development of automotive industry.Key words:FLUENT software; Car’s shape; 3D modeling; Aerodynamics calculation1、引言汽车外形设计主要由功能、经济、美学等因素决定。
CFD在汽车空气动力学研究中的应用
第24卷第4期湖南大学学报Vol.24,No.4 1997年8月JOURNAL OF HUNAN UNI VERSITY Aug.1997CFD在汽车空气动力学研究中的应用X姜乐华谷正气(湖南大学机械与汽车工程学院,中国长沙,410082)摘要阐述了CFD(Computational Fluid Dyna mics)方法在汽车空气动力学研究中的应用现状,分析了各种数值方法目前的局限性.关键词汽车,空气动力学,CFD,仿真分类号U270.1The Application of CFD Methods toAutomobile AerodynamicsJiang Lehua Gu Zhengqi(College of Mechanical and Automot ive Engineering,Hunan Univ,410082,Changsha,P R China)Abstract T he current status and applicability of CFD methods in the research of automobile aerodynamics are discussed and the present limitations on various numerical methods are analyzed.Key words automobile,aerodynamics,CFD,simulation空气动力学指标是汽车(特别是轿车)最重要的参数之一,它对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性等有着极其重要的影响.世界汽车工业发达国家(如美国、日本、德国等)都十分重视汽车空气动力学理论和实验的研究.许多国际知名的大型汽车公司除了具备汽车专用的模型风洞和实车风洞以外,还在汽车空气动力学计算机仿真方面投入了大量的人力和财力,旨在缩短新车开发周期,以降低成本、增强产品的市场竞争能力.众所周知,风洞实验历来是进行汽车空气动力学研究最传统和有效的方法,但风洞投资大、实验时间长.据统计,中型以上风洞建设投资以亿元计算,为获得良好的气动外形,国外每种大批生产的轿车都需经过1000小时以上的风洞实验.而随着计算机和计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的计算流体力学(CFD Computational Fluid Dynamics)则为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径.汽车工业部门之所以对数值技术感兴趣,其主要原因是为在产品开发过程中节省时间.国际汽车界甚至认为应把产品为适应市场需求而不断变化的这种快速反应能力放在优先于成本节约的位置上来考虑.因此,所用数值方法必须满足两个基本条件:X国家自然科学基金资助课题收稿日期:1996211222.第一作者姜乐华,男,32岁,博士生1)所模拟的物理过程必须有足够的精度.德国著名的汽车空气动力学专家Ahmed 提出,这种精度要达到能识别v C D =0.002(C D 风阻系数)这样微小变化的程度;2)就产品开发时间而言,计算机模拟必须比风洞实验快.美国国家航空和航天管理局(NASA)认为,在实际的空气动力学设计中,计算机只有在10~15分钟内完成模拟,才能把CFD 当作一种工程手段.迄今为止,在CFD 应用于汽车空气动力学数值模拟的实例中还未发现能同时满足上述两个条件的情况.因此,在汽车工程领域,CFD 还是一个尚待研究的对象而非一门研究工具.我国轿车工业正在蓬勃发展.令人遗感的是目前还不具备自主开发轿车的能力,而制约轿车自主开发的/瓶颈0在于车身工程中的车身造型和空气动力学研究.尽管我国在汽车空气动力学实验和理论研究方面起步较晚,但汽车空气动力学的计算机仿真为我们在该领域尽快赶上发达国家的研究水平提供了新的契机.因此,为提高我国汽车自主开发的能力,开展汽车空气动力学的计算机仿真理论和方法的研究具有极为重要的现实意义和重大的战略价值.1 计算机仿真的概念和特点汽车空气动力学计算机仿真是借助于计算机将CFD 应用于汽车空气动力学研究的一种方法,亦即模仿风洞实验的工况,在计算机上模拟吹风,运用数值分析的方法计算模拟汽车的空气动力学问题,为指导设计以获得良好的汽车外形造型提供科学依据.与风洞实验相比,汽车空气动力学计算机仿真除了节省开发时间和费用外,还有以下特点.1)有利于与CAD/CAM 系统相衔接.在车身开发过程中,可与计算机辅助造型设计交叉进行,在计算机上得到最佳的气动外形.最终造型师只需做1~2个油泥模型即可完成造型.2)计算机模拟不致受风洞那样的限制(如洞壁干扰和风洞实验段的阻塞效应等),计算机则可将计算空间做得很大,以清除这些影响.此外,计算机还不受实验雷诺数、气流角度及流体性质等的限制;且易于作实验段地面边界层的调整;还可进行纯二维的分析,而这在风洞中是无法实现的.另外,汽车和地面的相对运动,车轮旋转等的模拟在计算机上也比在风洞中容易实现.3)通过求解流体力学方程就可获得比通常风洞实验多得多的信息,有些甚至是目前实验难以测量和解释的信息.譬如,研究侧风条件下的瞬态气动特性对汽车操纵稳定性的影响,计算机仿真比风洞实验更具优势.2 CFD 应用现状本世纪60年代以来,针对飞行器空气动力学的先进的数值方法一直在研究发展之中.从80年代初开始,源于航空航天领域的CFD 方法逐步被移植到汽车工程领域,促使53第4期 姜乐华等:CFD 在汽车空气动力学研究中的应用汽车空气动力学计算机仿真的研究和应用日渐增多.归结起来,应用于汽车空气动力学的数值方法基于下列四个方面:1)解Laplace 方程;2)解雷诺平均Navier 2Stokes 方程(简称RANS);3)解瞬态Navier 2Stokes 方程,即直接数值模拟(简称DNS);4)分区模式(或称混合式).从流体力学可知,非粘性流可用不带粘性项的Navier 2Stokes 方程即Euler 方程来描述.在无旋状况下,非线性Euler 方程可利用速度势或流线函数变换成线性的Laplace 方程.面元法(Panel Method)是一种位流分析方法,常用来处理非粘性流问题.用面元法解Laplace 方程就是利用Green 定理把Laplace 方程转变成边界积分方程,在车身表面离散的单元上布置点源和偶极子,以计算位函数.尾涡则可通过涡格法(T he Vortex 2Lattice Method)求解.大量的数值计算表明,面元法能很好地预测气流非分离区域(如轿车车身前部)表面的压力分布,德国研制的高速列车ICE(Inter City Express)就成功地应用了面元法来设计列车的头部.雷诺平均Navier 2Stokes(RANS)方程通常需用一紊流模型来封闭,究竟哪个紊流模型更合适,在流体力学界仍存有争议.工程上,k 2E 紊流模型应用最广.在近墙区域,常应用经验壁面对数定理.1994年,Ford 公司的J.Williams 等人为评定CFD 的预测能力进行了大量的校准性研究.他们采用稳态可压缩三维RANS 方程和带对数紊流壁面函数的k 2E 紊流模型,运用二阶精度线性迎风差分格式,对尾部造型不同的十种轿车进行了计算模拟,并分别对每种车型进行模型风洞实验(实验模型与计算模型严格一致),结果发现:在车身前部,车底及地面,各种车型的中心对称面上压力分布与实验结果吻合很好;许多车图1 车身后背倾角的临界特征型的尾流结构与实验结果具有合理的一致性;大多数车型的阻力系数,升力系数及俯仰力矩系数与实验结果也有相同的趋向;而越过车身后背部的粘性气流的模拟却遇到了困难,后窗气流分离线和行李箱盖处重新附着的气流流谱与实验结果则不相符.完全瞬态Navier 2Stokes(DNS)方程可模拟车身后背倾角的临界特征(如图1所示),即在某一临界倾角附近气流流谱和阻力都出现显著变化,这是1975年Jansen 和Hucho 在研制大众Rabbit 时在实验中首先发现的,RANS 方程却无法模拟这一现象.此外,DNS 模拟的阻力系数和流谱与实验吻合很好.但在实验雷诺数下,是否所有尺度的紊流都可通过计算网格得54 湖 南 大 学 学 报 1997年到充分的求解,还是一个有待探讨的问题.虽然DNS 尚不完善,但它被人们认为是一种最有希望的方法.在日本,DNS 已应用于实际汽车的开发.三菱(Mitsubishi)汽车公司的研究人员用了近106个网格来模拟轿车车身的一半,网格生成费时三天,用DNS 方法在大型计算机上计算所占CPU 时间为10~20小时,计算结果可识别车上各种空气动力学附加装置对阻力和升力的影响,阻力和升力的计算值与实验值相比误差在5%以内.如图2所示.图2 带各种空气动力学附加装置的跑车的阻力系数和升力系数计算值(DNS)与实验值的比较 分区模式计算方法则需要对流场结构有一个预先的了解,根据分离位置不同将汽车绕流分成几个分离区和非分离区.对非分离区气流,可用面元法和附面层方法(Boundary Layer Method)迭代循环求解.对分离区气流,则可采用RANS 方程或DNS 方法处理,也可用Euler 法和附面层法计算附着气流和尾流.由于涡旋是在附面层内形成的,涡旋的输运可由Euler 方程求解.分区模式方法在绕圆柱体的二维流计算中取得了较满意的结果.在计算复杂的三维流场时,分区模式方法的最大特点是比用单区模式求解Navier 2Stokes 节省机时.瑞典的rsson 等人运用分区方法对汽车绕流进行了模拟计算,得到了与实验较吻合的尾流特征和后背临界倾角处阻力由高到低的显著变化特征.CFD 除了广泛应用于汽车车身外流场研究之外,也已在非等温的汽车内流系统中得到运用.例如,通过联立内、外流方程,采用k 2E 模型对RANS 求解来处理发动机机舱内气流和车底气流的相互作用,通过离散热2生理学人体模型来计算模拟车内气流温度和速度的分布,改善乘员的热舒适性,空气流速较缓的地方用层流处理,而流速较急的地方则作紊流处理.此外,CFD 还有助于风洞数据的修正研究.虽然此项应用不多,但如果计算出不受扰流线型风洞墙壁(固定的或可调的)的形状,则可减少至少20%的风洞阻塞率.总之,CFD 在汽车空气动力学中的应用正处在方兴未艾的研究之中,计算结果和实验结果还有误差,这种误差究竟是由物理方程(紊流模型)或数值特征(网格形状、数值方法和计算方案)所引起抑或由二者结合所致,目前尚不清楚.55 第4期 姜乐华等:CFD 在汽车空气动力学研究中的应用56湖南大学学报1997年3结束语在日趋激烈的市场竞争中,谁赢得了时间谁就赢得了市场.如何将CFD成功地运用于汽车车身设计,已成为国际汽车技术界的热门研究课题,虽然目前CFD无论从精度还是速度上都不能满足汽车工程设计的要求,汽车空气动力学研究仍以风洞实验为主,计算机仿真还只能部分地替代风洞实验或对实验作某些补充,但随着计算机速度的加快和容量的进一步增大,特别是巨型计算机的出现,以及计算技术的不断改进,象并行算法的应用,加上对汽车绕流机理的进一步认识,CFD方法将有可能逐渐取代风洞实验,直接用于指导汽车车身设计.参考文献1Huang Tianze.Pr eliminar y Computat ional Investigation of Vehicle Aer odynamics.Journal of Hunan Univ.1995,22(1):477~82.2Williams J,Quinlan W J.A Calibration Study of CFD for Automobile Shapes and CD.SAE9403233Kataoka T,China H.Numerical Simulation of Road Vehicle Aerodynamics and Effect of Aerodynamic Devices.SAE9105974Ono K,Himeno R.Simultaneous Computation of t he External Flow around a Car Body and the I nternal Flow through its Engine Compartment.SAE9203425Wagner B,Schmidt putat ion of Automobile Aerodynamics by Use of Numer ical Methods Developed in Aeronautical Industry.SAE8707166Larsson L,Broberg L,Janson C E.A Zonal Method for Predicting Exter nal Automobile Aerodynamics.SAE9105957谷正气.汽车车身外流场的数值计算与应用研究:[博士论文].长沙:湖南大学机械系,1994。
汽车车身气动性能评估与选择
汽车车身气动性能评估与选择随着汽车工业的发展，汽车的性能评估和选择变得越来越重要。
而汽车车身的气动性能是其中一个关键方面。
本文将介绍汽车车身气动性能评估的几个重要指标，并探讨如何选择具有出色气动性能的汽车。
一、气动力学基础汽车车身气动性能评估首先要了解气动力学的基础概念。
气动力学研究空气在运动物体表面产生的力，其中最重要的是阻力和升力。
阻力会使汽车在行驶过程中需要消耗更多的能量，而升力则会影响汽车的稳定性。
因此，设计一个低阻力、高稳定性的车身形状对于汽车性能至关重要。
二、车身气动性能评估指标1.阻力系数（Cd值）阻力系数是衡量车身气动阻力的重要指标。
Cd值越小表示车身产生的气动阻力越小，车辆在行驶时对空气的阻力也会减小，从而降低油耗。
一般而言，Cd值在0.25到0.35之间被认为是良好的汽车气动性能。
2.升力系数（Cl值）升力系数用于评估车身的升力特性。
在高速行驶时，过大的升力会导致车辆失去稳定性，加大驾驶的风险。
因此，选择具有较小Cl值的车辆是比较明智的选择。
3.绕流分离点绕流分离点是指在车身表面上空气流动变得不规则的位置。
分离点的存在会导致阻力增加，因此车辆的气动性能会受到影响。
评估车辆绕流分离点的位置和数量对于选择具有出色气动性能的汽车至关重要。
三、汽车车身形状与气动性能1.设计优化为了获得较好的气动性能，汽车制造商通常会对车身形状进行优化。
例如，通过减少车身前部面积和提高车身底部平坦度，可以降低阻力系数。
同时，在车辆的后部加装扰流板等装置也可以改善气动性能。
2.流体模拟技术现代汽车工程使用流体模拟技术来评估车身的气动性能。
通过计算流体力学模拟，可以预测车身在不同速度下的阻力和升力特性，从而指导设计和优化过程。
四、汽车选择与气动性能对于消费者而言，选择具有出色气动性能的汽车意味着更低的油耗和更好的操控性。
同时，具备较小阻力系数和较好稳定性的汽车在高速行驶时将更加安全可靠。
在选择汽车时，消费者应注意参考厂商提供的气动性能数据，并尽量选择具有较小阻力系数和较小升力系数的汽车。
高速行驶汽车的空气动力学分析
高速行驶汽车的空气动力学分析汽车是现代人生活中必不可少的交通工具之一，而在高速公路上行驶的汽车不仅仅需要安全、舒适，还需要具备一定的稳定性和速度。
在高速行驶中，车辆与周围环境之间产生的空气运动将会对车辆的行驶产生影响，因此，对高速行驶汽车的空气动力学分析显得尤为重要。
一、汽车在高速行驶中的气动力学特性在高速行驶中，空气动力学特性是影响汽车行驶的关键因素之一。
当汽车以高速行驶时，空气将会对整个汽车造成一定的阻力，同时也会形成一定的升力。
与此同时，高速气流对轮胎、悬挂系统、动力系统等部件都产生影响。
因此，进行汽车的空气动力学分析是确保汽车行驶安全、稳定的重要步骤之一。
二、汽车在高速行驶中的阻力与升力在高速行驶时，汽车前方所承受的空气阻力是很大的。
阻力会随着行驶速度的增加而增加，但阻力的大小并不是线性增加的，而是随着速度的平方而增加。
当汽车行驶速度超过200km/h时，空气阻力所占比重将会超过汽车本身重量的一半。
因此，降低汽车阻力是一项很重要的工作。
与汽车承受的空气阻力不同，当汽车行驶时，在车身的上表面会形成一定的升力。
升力的大小与汽车的角度、车速、空气密度等因素有关。
升力的对汽车的影响不容忽视，如果升力过大，车轮可能会失去地面的抓力，从而影响整个汽车的稳定性。
三、汽车的气动外形和气动防护汽车的气动外形是影响汽车空气动力学特性的主要因素。
汽车在高速行驶时，较为平整的气动外形会减小汽车承受的空气阻力，从而提高汽车的速度、稳定性和燃油经济性。
此外，气动防护也是汽车空气动力学分析中不可忽视的一方面。
例如，在高速行驶时，汽车侧窗玻璃开启会改变汽车的气动力学特性，从而增加阻力，影响汽车的稳定性。
四、汽车空气动力学分析的应用汽车的空气动力学分析可以帮助改善汽车的流线外形设计、减小汽车承受的空气阻力，提高汽车的燃油经济性和行驶稳定性。
同时，空气动力学分析也可以指导汽车的气动防护设计，实现更加安全的汽车行驶。
总之，汽车的空气动力学分析是汽车安全、舒适和速度的保证。
【研究】汽车车身空气动力学应用
【关键字】研究研究性学习论文小组成员：班级：机电1011指导教师：卢梅汽车车身的空气动力学应用摘要：汽车在行驶中由于空气阻力的作用，围绕着汽车重心同时产生纵向，侧向和垂直等三个方向的空气动力量，对高速行驶的汽车都会产生不同的影响。
因此轿车的车身设计既要服从空气动力学，要有尽量低的空阻系数，降低发动机的输出负担，又要采取措施，降低诱导阻力，以保证轿车的行驶安全。
关键词：空气动力学，车身外形设计，导流板，扰流板背景：迄今为止，汽车的发展已经过了112年，无论是汽车的速度，还是汽车的配置，或者是汽车的造型多有了长足的发展。
随着汽车速度的提高，空气阻力成为汽车前进的最大障碍。
在此因素下，汽车造型经历了马车型汽车,箱型汽车,甲壳虫型汽车,船型汽车,鱼型汽车以及楔型汽车等六个阶段的演变，从而越来越符合空气动力学的要求，越来越符合人们的审美观。
在这一发展历程，也可看做是人们对空气动力学的认识及应用过程。
1934年，流体力学研究中心的雷依教授，采用模型汽车在风洞中试验的方法测量了各种车身的空气阻力，这是具有历史意义的试验。
它标志着人们开始运用流体力学原理研究汽车车身的造型。
1937年，德国设计天才费尔南德·保时捷开始设计类似甲壳虫外形的汽车。
它是第一代大量销售的空气动力学产物的汽车。
1949年福特公司推出了福特V8汽车,这种车型改变了以往汽车造型模式、使前翼子板和发动机罩,后翼子板和行李舱溶于一体,大灯和散热器罩也形成整体,车身两侧是一个平滑的面,驾驶室位于中部,整个造型很象一只小船,因此,我们把这类车称为“船型汽车”。
船形汽车不论从外形上还是从性能上来看都优于甲壳虫形汽车，并且还较好地解决了甲壳虫形汽车对横风不稳定的问题。
船型汽车尾部过分向后伸出,形成阶梯状,在高速行驶时会产生较强的涡流,为了克服这一缺点,人们把船型车的后窗玻璃逐渐倾斜,倾斜的极限即成为斜背式。
由于这个背部很象鱼的背脊,所以这类车称为“鱼型汽车”。
机械结构的气动特性分析与改进
机械结构的气动特性分析与改进一、引言机械结构的气动特性是指在空气流动条件下，机械结构所表现出的动力学特性和流体力学特性。
它在机械工程领域中具有重要的意义，特别是在飞行器、汽车、风力发电等应用中。
本文将对机械结构的气动特性进行分析，并提出改进的方法。
二、气动特性分析1. 阻力分析机械结构在空气流动中会受到阻力的作用，阻力的大小直接影响机械结构的性能。
阻力主要由摩擦阻力和压力阻力两部分组成。
摩擦阻力是指空气流过机械结构表面产生的摩擦所造成的阻力，而压力阻力是指空气压力对机械结构所造成的阻力。
2. 升力分析机械结构在某些情况下需要产生升力，以支持其运动或保持平衡。
升力是指垂直于气流方向的力，它的大小与机械结构的形状、倾斜角度以及气流速度等有关。
在飞行器设计中，升力是保证飞机能够飞行的重要因素。
3. 气动失稳分析机械结构在空气流动中可能会出现气动失稳现象，这会对机械结构的性能和安全性产生严重影响。
气动失稳的原因主要有气动力矩的不平衡、气动力的突变、气动力的非线性特性等。
通过对气动失稳的分析，可以找出引起失稳的原因，并采取相应的改进方法。
三、改进方法1. 优化结构设计在机械结构的设计过程中，应考虑气动特性的影响，以便在设计阶段就能够减小阻力、增加升力，并提高结构的稳定性。
在设计中，可以采用气动外形优化方法，通过改变机械结构的形状和尺寸来改变其气动特性。
2. 使用流动分析软件在机械结构的优化过程中，可以使用流动分析软件对其气动特性进行模拟和分析。
流动分析软件可以帮助工程师更好地理解气动特性，并根据分析结果进行优化设计。
3. 增加附加装置为了改善机械结构的气动特性，可以考虑增加一些附加装置。
例如，在飞行器设计中，可以增加襟翼、前缘襟翼、尾翼等装置，来改变机械结构在空气流动中的气动特性。
四、案例分析以风力发电机组为例，通过对其机械结构的气动特性进行分析和改进，可以提高风力发电的效率和可靠性。
在风力发电机组的设计中，可以采用优化的叶片形状、增加控制装置等方法，来减小阻力、增加升力，并改善机械结构在风中的稳定性。
低速风洞实验在气动优化中的应用
低速风洞实验在气动优化中的应用随着现代科技的快速发展，气动设备在各个领域中的应用越来越广泛。
在航空、汽车、船舶、建筑等方面，气动优化的需求也越来越高。
对于气动优化来说，通过低速风洞实验进行模拟分析是一种较为常见的方法。
低速风洞实验可用于测试、观测、分析各种流体力学现象，从而对气动设备进行优化。
一、低速风洞实验及其原理低速风洞实验是评估机翼和其他航空器构件性能的主要方法之一，同时也是各种共振结构、车辆和建筑物外形模型的优化形状设计的工具之一。
低速风洞实验的原理是通过使用一个加速气流来模拟现实中的行车、飞行和流体运动。
风洞内的模型是按照实际大小和比例制造，通过调整风洞的参数来模拟不同的外部条件，例如空气流动的速度、温度、湍流等信息。
通常，低速风洞实验的流速范围为30 m/s至飞行速度以下。
为了达到低速风洞实验的目的，风洞室内必须具有恒定气流、无湍流、无旋转流等特点。
为了进一步确保实验过程中的稳定性，风洞室内还需要对气流流向控制、气象环境进行管理等。
二、低速风洞在气动优化中的应用在各种气动设备中，低速风洞实验的应用尤其重要。
通过低速风洞实验，气动设备的设计和制造过程可以更加准确和高效。
在飞机和汽车的气动优化、建筑物外形设计中，低速风洞实验特别常见。
1. 飞行器气动特性优化飞行器受空气流动的影响非常大，因此在航空器的设计、制造及测试阶段，气动参数的优化至关重要。
低速风洞实验是评估机翼和其他航空器构件性能的主要方法之一。
例如，对于飞机机翼的气动优化，可以通过低速风洞实验控制风速和风向等参数来进行气动力测试，以寻找更优秀的翼型和气动表现。
2. 汽车气动特性优化在汽车制造过程中，低速风洞实验主要用于汽车外形的风险分析和优化设计。
通过低速风洞实验对汽车外形进行测试，可以掌握汽车在行驶时的风阻及其产生的气动力特性，从而优化整车的设计。
3. 建筑外形设计在现代建筑设计中，建筑外形设计不仅要注重美观、时尚，也要考虑到气动力学因素。
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万方数据
万方数据
第３期
薛劲橹，等：Ｆｌｕｅｎｔ在汽车气动特性研究中的应用
３５
添加轮子，并生成一个长１０ｍ、宽２ｍ、高３ｍ的流场区域，由于车体沿中纵剖面对称，故只对～半车体建模，以简化计算。
可沿流场中纵剖面将计算区域分开，将中纵剖面设为对称面边界，在后处理过程中可观看完整流场。
Ｇａｍｂｉｔ具有很强的非结构化网格生成功能，利用Ｇａｍｂｉｔ中的ｍｅｓｈ模块，对已经建立的汽车流场３Ｄ模型进行网格划分，如图３所示。
图３划分网格
汽车外流场的数值模拟是在有限区域内进行的，因此在计算区域边界上要设置合适的边界条件。
具体设置如表２所示。
表２区域边界设置
２．４求解过程
将Ｇａｍｂｉｔ生成的ｍｅｓｈ文件导人Ｆｌｕｅｎｔ进行求解运算。
本研究设置汽车８０ｋｍ／ｈ的相对行驶速度，此时空气流场属于三维定常不可压黏性流动。
使用非耦合隐式算法进行求解，离散格式使用二阶迎风格式，湍流模型使用ｋ－ｅ方程。
分别用稳态和非稳态２种求解器进行计算，稳态计算速度较快，瞬态计算精度较高。
２种计算方法结果对比如表３（以模型１为例）所示。
表３计算方法对比
根据文献［３］，小轿车的阻力系数范围是０．３５～０．５５，升力系数范围是０．１—０．２，说明本文所建模型以及计算结果均符合工程实际。
通过表３可知：本文所述问题用稳态和瞬态２种求解器所得解基本一致，故在做类似简单计算时可选择稳态求解器，可以大大节省计算时间。
图４为２种方法残差曲线，其中稳态计算迭代１５０步可收敛，而瞬态计算
迭代１６００余步可收敛。
樊蜷辐娶
迭代次数（ａ）瞬态方法
（ｂ）稳态方法
图４计算结果对比
２．５计算结果后处理
利用Ｆｌｕｅｎｔ的后处理功能，可以绘制出车身表面的压力分布图以及外流场速度分布图，如图５—９
（以模型１为例）所示。
万方数据
３６装甲兵工程学院学报第２３卷
２．６气动特性分析
１）车身表面压力分析。
由压力等值线图（图５）和压力剖面图（图６）可知：汽车头部表面压力最大，这是由于气流速度与车头相遇，气流遇到车头而受到阻滞，使气流速度大大降低，因而在车头形成正压区。
之后，气流分绕上、下表面，流向汽车上方的气流，在流经车头上缘角时，由于上缘角曲率大，气流来不及转折而出现局部分离，这时的气流速度也较大，因而在此处形成负压峰值。
然后气流又重新附着于发动机罩上，发动机罩通常有一定的斜度，其上气流仍然较快，故压力仍为负值，形成负压区。
当气流继续流向前风窗时，由于前风窗的阻挡，气流在发动机罩和前风窗玻璃的凹角处会发生分离与再附着的现象，该区为正压区。
在气流到达前风挡上缘时，
结构上又是一个转角，因而会在此处再次形成一个负压区。
之后，气流流动较为顺畅，流速较快，压强为负值。
当气流达到后行李箱盖时，由于后行李箱盖的存在，会对气流产生阻挡作用，因而在后行李箱盖上形成较小的正压区。
气流顺着后行李箱盖流动速度加快，并沿后行李箱盖后端上表面切向流出，又形成负压区。
流向汽车下方的这部分气流，在流经车头下缘角时，同样由于下缘角曲率大，气流将出现局部分离而在此处形成负压区。
然后，气流进入地面与车底之间的间隙，由于地面的存在，气流通道狭窄，气流较快，故压强基本为负值。
２）气流流向分析。
图７为某轿车外部流场速度矢量图，从图７，９可看出：气流从车头绕过下缘的时候即发生分离，但是由于前方来流的影响，很快又附着在车体上；由于受到这一大的扰动影响，车体下表面边界层很快地发展成湍流边界层，并且迅速增厚，达到可与底部通流空间高度相比拟的程度。
流向发动机罩的气流，由于前挡风玻璃与发动机罩之间形状的突变，加上气体的黏性作用，气流在发动机罩上的某一位置发生分离，其后的气流为紊流。
当气流继续流动，到挡风玻璃上的某一位置，气流再次附着在车身上，继续流向顶盖，流向顶盖的气流是比较均匀的，基本上是呈层流流动。
到了上表面气流在绕过顶盖后缘之后，由于过大的曲率导致的逆压梯度的作用，很快就在后车窗上分离，最后在汽车的尾部形成２个大的涡流（图８），这些涡流对尾部压力的损失产生很大的影响，压力损失大，进而使汽车前后的压差增大，汽车的阻力增大，同时也会影响汽车操纵稳定性，所以，可通过加装扰流器等附加装置来控制这些涡流的形成并降低形成强度，提高汽车整体性能。
扰流板的作用是：破坏在车后部即将形成的强大的尾涡，致使高速气流被滞缓，使汽车的尾流结构由大的漩涡变成由一些不规则的小漩涡构成的湍流，强大的尾涡减弱了，湍流损失也随之减少，从而降低了压差阻力。
３）为了将车身形状对空气阻力和升力的影响进行对比，笔者建立了２种模型，如图ｌ，２所示。
对２种模型分别作计算，可得出计算收敛时的阻力系数和升力系数，如表４所示。
表４阻力系数和升力系数 万方数据
第３期薛劲橹，等：Ｆｌｕｅｎｔ在汽车气动特性研究中的应用３７
由表４可知：改变汽车的流线型，汽车空气阻力系数减小。
这是因为模型ｌ在车头以及发动机罩与挡风玻璃的交界处有２个高压区，而模型２只在车头存在一个高压区，从而减小了整车的压差阻力。
模型ｌ和模型２车身表面压力分布对比如图１０。
该结论可启发我们在今后的车型设计中，可考虑设计类似模型２车型的新概念车型。
图ｌＯ２种模型车体表面压力对比
由表４可见：２种车型行驶中均有较大升力。
为此，在车后箱盖上加扰流板进行计算，结果如图１１（以模型１为例）所示。
表５给出了加扰流板前升力系数值和阻力系数值。
图ｌｌ加扰流板的模型ｌ表面压力分布
表５加扰流板前后升力系数和阻力系数
由表５可知：加扰流板后汽车升力系数大大降低，增强了地面附着性。
在实际车型设计中，应寻找一条综合考虑阻力和升力的最优路径。
笔者对汽车模型的建立没有依据已有车型，为此，将分析结果与文献［３］作比较，所得结论相同，说明利用Ｆｌｕｅｎｔ仿真手段分析汽车行驶气动特性是可行的。
３结论
本文利用Ｆｌｕｅｎｔ软件对汽车外形进行三维流场计算，得到了其阻力系数、升力系数等空气动力学数据，以及车身表面压力分布、三维流场速度分布等结果，并通过图形化功能将这些结果直观地表现出来，对高速行驶的汽车进行了气动特性的分析。
利用Ｆｌｕｅｎｔ对汽车气动特性的分析可用于汽车外形设计等领域，摆脱了以往仅仅靠风洞试验的单一手段获得汽车外形空气动力学性能，再来指导汽车外形设计的局面，对于汽车外形开发设计部门早期掌握产品性能、节省试验经费、缩短开发周期、提高产品的自主开发设计具有重要意义，为汽车外形设计开辟了一条值得探索的途径。
但由于实际空气流动特性较为复杂，利用ＣＦＤ软件对汽车行驶的流场进行模拟与实际情况有不可避免的偏差，因此在解决空气动力学的实际问题中，需要风洞试验和软件仿真相配合和补充，取得符合实际的精确结果。
参考文献：
［１】喻凡，林逸．汽车系统动力学［Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００５：６９—８６．
［２］王福军．计算流体动力学分析——ｃＦＤ软件原理与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社。
２００４：７一１１．
［３］小林明．汽车工程手册［Ｍ］．汽车工程手册编译委员会，译．北京：机械工程出版社，１９８４：１６４—１７２．
（责任编辑：张瑞清） 万方数据。