汽车空气动力学2

5.1 大涡模型LES数值仿真
LES （Large Eddy Simulation ）可以精确模拟不稳定的 湍流工况，但由于使用此方法模拟需要非常庞大的计算 数据，故而它在汽车空气动力学上的应用非常少。 LES （Large Eddy Simulation ） will be an encouraging solution to the problem because it can reproduce unsteady turbulence characteristics with high accuracy, but in turn it requires excessively large computational resources. Consequently, only few attempts have been made so far to apply LES to the assessment of vehicle aerodynamics.
附：风阻系数对燃油耗费的影响到底有多大？ 风阻系数对燃油耗费的影响到底有多大？ 风阻系数对燃油耗费的影响到底有多大
研究表明，当一辆轿车以80千米/小时的时 速前进时，有60%的耗油是用来克服风阻的。在 时速200km/h以上时，空气阻力几乎占所有行车 阻力的85%。即使风阻系数只相差0.01，也会给 油耗带来明显的变化。而一旦风阻系数降低10％， 那么燃油的消耗量至少可以节省7％。
3.3 车辆外流场数值仿真研究
谷正气 何忆斌 张洪涛 何军 向宇 《新概念车外流场数值仿真研究》发 表在2007年下半月（第18卷）第14期 2007 18 14 的《中国机械工程》上，进一步进行 该新概念车的外流场数值研究。
3.3 车辆外流场数值仿真研究
比较05年何军的博士论文，此次用了Yakhot的新 版RNGk-ε湍流方程。 其特点是采用一种双向展开(double expansion)的 技术对ε方程进行展开，在ε的模化输运方程中，它与 Yakhot修正版的RNGk-ε湍流方程的区别是：在ε方程源 项中的系数Cε1中加入了一个附加产生项。 该产生项主要是考虑流动中的不平衡应变率而加 入的，它对于具有大应变率的流动以及具有强曲率影 响和壁面约束的湍流分离流动都具有重要作用 。 还有另一区别是计算区域网格单元总数增至256万 个体积单元。
附：风阻系数对燃油耗费的影响到底有多大？ 风阻系数对燃油耗费的影响到底有多大？ 风阻系数对燃油耗费的影响到底有多大
在10万到15万的热门车型中，大众POLO、现代伊 兰特、福特福克斯的风阻系数均是0.31，铃木天语、 起亚赛拉图、三菱蓝瑟的风阻系数是0.30，成绩较 为突出的是东风日产的TIIDA，风阻系数仅为0.29， 这个成绩堪比日产著名跑车350Z，萨博9-5、讴歌 RL、标致 407等豪华车型的风阻系数也与之相同。 而同级车中，新凯越的风阻系数竟高达0.35，成绩 不太理想。
扩散器——其原理类似于装个吸盘，即被压缩在很小 空间的气流(底盘下面)进入扩散器后体积突然变大几百 倍，高速行驶时又没有其他空气补充，就会在扩散器 内形成真空，将其吸附在路面。
图4.9 丰田赛车上的扩散器
图4.10 扩散器边沿文丘理涡
4.2 空气动力学附加装置
图4.11 赛车上的负升力示意图 4.11
5.1 大涡模型LES数值仿真
CFD数值模拟的不足 Computational Fluid Dynamics has two fundamental problems : its strong dependence on turbulence models adopted, and its difficulty of capturing the unsteady flow characteristics. Thus, RANS plays only a supplementary role of a wind tunnel test at the moment. 风洞试验无法模拟风速和风向持续或间歇变化时的实际 工况，同样，CFD的RANS模型(the Reynolds-Averaged Navier–Stokes model)也无法做到。
图4.3 负升力产生的主要区域
4.2 空气动力学附加装置
鼻锥——导流有效、承载前负升 力翼、加快更换负升力翼的速度 及撞车时保护车手的安全是鼻锥 的基本要求。 前负升力翼——前负升力翼产生 较大的负升力可以抵消一部分气 动升力，增加车轮的地面附着力 ，改善高速F1 赛车的轮胎转向 性能

图4.4 迈凯轮车队试验赛车的新型前鼻锥 4.4
4.1 F1气动特性初探
4.1.1 负升力产生原理 在F1 赛车上所使用的负升力翼的基本原理与飞机的机 翼是相同的。 飞机的机翼是产生向上抬升的力量，而赛车的负升力 翼是要产生向下压制的力量。
图4.1 机翼受力原理图
4.1 F1气动特性初探
4.1.2 F1赛车气动特性演化 红色向下 箭头表示负升 力、红色向上 箭头表示赛车 所受的升力、 蓝色箭头表示 气流走向、黄 色表示制造负 升力的表面。
图5.9 0.2和0.25S时车身压力系数分布图
5.4 侧偏角作用下的外流场分析
结论： 与侧偏角为定值的状况相比，变化的侧偏角状况下会产 生相对更大侧向运动。 同时，图像也解释了0.15s ～0.2s时的侧向运动主要由 车身后部的负压所造成。 This result clearly indicates the fact that, compared with the situation when the yaw-angle is stationary, a relatively strong yawing moment acts on the car during the dynamic yaw-angle change. The figure also explains that, comparing those at T = 0.15 s and 0.2 s, the main reason of the unsteady yawing moment is the negative pressure on the rear of the body.
3.3 车辆外流场数值仿真研究
结算结果为：
05年何军博士论文计算数值：
对比05年的仿真结果，精度有所提高。对结 果分析的结论仍然一致。
4 F1赛车空气动力学
4.1 F1气动特性初探 4.2 空气动力学附加装置
4.1 F1气动特性初探
湖南大学郭军朝2007年硕士学位论 文《理想车身气动造型研究与F1赛车空 气动力学》从空气动力学的角度深入剖 析了影响F1 赛车气动性能的因素——负 升力和阻力以及二者与赛车高速转弯的 力学关系。文中对赛车进行了初步的 CAD建模，对赛车外部绕流也加以深入 地分析。
图5.7 侧偏角变化情况
5.4 侧偏角作用下的外流场分析
图5.8 0.1和0.15S时车身压力系数分布图
5.4 侧偏角作用下的外流场分析
我们可以看到 当侧偏角从0° ～ -5 °变化时，车身 前左侧和后右侧产 生较大的负压 （0.15s时）， 0.2s时这种压力不 对称分布有所缓和， 而侧偏角恢复0 ° 时这种不对称压力 又出现。
车底部的凹槽 地面与车底部的凹槽构成拉伐 尔管，亚声速气流在该管收缩段加 速，车身底部与车身上表面的压差 增加，即增加了气动负升力
图4.12 拉伐尔管气流
5 高性能计算机 对环绕车辆不稳定气流的仿真
Computational Visualization of Unsteady Flow Around Vehicles Using High Performance Computing
右图4.2 F1 赛车气动 特性研究演化图
4.2 空气动力学附加装置
F1 赛车能在5 秒之内瞬间加速到200km/h 以上，最大过弯侧 向加速可达５g，极速最高可超过350km/h，这样高的速度与 过弯能力，除了需要优异的悬吊设定来让轮胎尽可能的保持 与跑道路面接触之外，更要有足够的负升力来使轮胎产生足 够的附着力，否则动力再强大，在过弯时也将无从发挥。 产生负升力的区域主要集中于赛车的三个具体的区域，即前 负升力翼装置、底盘、后负升力翼装置，如图。
试验车型为马自达Atenza 风洞和数值模拟使用模型比例均为1:1
图5.1 分析模型及其在流场空间的布置
5.2 LES与CFD比较
网格划分 该模型由3800万个四面体 和700万个节点组成。
图5.2 网格划分
图5.3 数值模拟下车身上下压力分布曲线
5.2 LES与CFD比较
用CFD和LES模拟 的车身上下表面压力 分布都很接近试验值。 然而平均压力分布明 显LES准确度更高。
图4.5 前负升力翼襟翼
4.2 空气动力学附加装置
后负升力翼——后负 升力翼的作用是增加 F1 赛车后部的负升 力，改善赛车驱动轮 的附着性能，以提高 赛车的起步加速性能 和入弯道前的制动性 能。
图4.6 单尾翼赛车尾部压力分布云图
图4.7 双尾翼赛车尾部压力分布云图
左图4.8 双尾翼赛车外形图
4.2 空气动力学附加装置
5.1 5.2 5.3 5.4
大涡模型LES数值仿真 LES与CFD比较 LES与风洞试验结果比较 侧偏角作用下的外流场分析
5.1 大涡模型LES数值仿真
东京大学Makoto Tsubokura , Toshio Kobayashi, Takuji Nakashima, Takahide Nouzawa , Takaki Nakamura ,Huilai Zhang , Keiji Onishi, Nobuyuki Oshima 与2008年5月 发表在ELSEVIER上的论文，题为 Computational Visualization of Unsteady Flow Around Vehicles Using High Performance Computing。该篇论文介绍了 用LES分析方法对汽车不稳定外流场的数值 分析。