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。

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=vd
υ=16.67∗2
14.8∗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-velocity coupling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具体参数设置与上文中四人小轿车完全相同，在此就不多做赘述，直接进行迭代，得到残差图如下所示：
收敛得不是很稳定，尤其是continuity曲线，同上文所述，查看流量报告。

显然进出口流量相同，因此认为continuity曲线收敛成功。

5、面包车外流场压力分布图
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）：
4、小货车的建模和计算
1、建立小货车模型
如下图所示建立长宽高尺寸为6m*2m*2.5m，轮胎直径0.7m，轮胎厚度0.2m的小货车模型。

2、划分网格
与上面类似，划分尺寸为0.15的网格，其余参数设置如图所示。

3、定义边界层类型
与前文所述完全一样，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
与前面一样再次不多做解释。

给出计算残差图：
同样查看流量报告：
流量守恒，因此认为迭代收敛。

5、小货车外流场压力分布云图从前往后看
从后往前看：
车身压力分布等值线：
小货车外流场中心面压力分布：
5、三种车型压力比较分析
1、水平方向阻力比较分析
比较三种车型的外流场中心面压力分布云图可以很明显地看出，小轿车前进中水平方向所受到阻力最小，面包车次之，小货车由于其前方接触面较大，因此所受到水平方向的空气阻力也远大于前面两种车
2、升力比较分析
比较三张外流场中心面压力分布云图可以得出，面包车上下两侧空气压力差别不大，因此所受到的升力最小，小货车次之，而小轿车可以很明显地看出上下两侧的压力分布不同，因此受到的升力最大。

6、小结
通过上面的计算分析我们可以发现，车型不同对汽车行驶过程中所受到的阻力和升力有着较为明显的作用。

因此通过改变车型不仅可以使车身美观，同时对于改善汽车运行状况也有着不可忽视的影响。

因此，随着时间的流逝，我相信一定会有更合适、更先进的车型问世。

通过本次课程设计，我对fluent及其前处理软件gambit也有了更深入的了解。

对其常用功能也基本能做到熟练使用。

在此感谢刘老师的指导，也感谢几位同学的帮助，谢谢!。