基于Ansys的汽车空气动力学特性分析

2024年3月26日发(作者：索10现代价格)

１１４　李毓洲等：基于Ａｎｓｙｓ的汽车空气动力学特性分析　第２期　

压到可压缩，从无粘性到有粘性的几乎所有的流动现象　。将利　

用ＡＮＳＹＳ中的ＣＦＤ来研究汽车空气动力学特性。　

平均连续方程：　＝０　

．　

（２）　

２汽车车身几何模型建立　

车身几何模型建立的软件采用的ＵＧ，ＵＧ软件能为用户提　

供一个全面的产品建模系统。其将优越的参数化和变量化技术与　

平均动量方程：　

６ｕ　

ｐ　

－　６ｕ

一

器＋嘉　筹＋萋））　

６

（３）　

（４）　

（５）　

传统的实体、线框和表面功能结合在一起，以Ｐａｒａｓｏｌｉｄ几何造型　

核心为基础，并采用基于约束的特征建模和传统的几何建模为一　

体的复合建模技术。利用ＵＧ建立车身几何模型。在建模过程中　

采用Ｇａｕｓｓ曲率作为车身曲面光顺性的评价指标，将车身表面上　

脉动运动方程：Ｕｉ＝　＋　

方程：Ｐ　６ｋ十ｐ　６ｋ＝砉（ｒｕ，ｉ　６ｋ，』Ｉｌ　＋Ｇ．ｐｓ　

ｓ方程：ｐ　６

ｔ

＋ｐｕｊ＆　

ｊ

＝　

ｕ　￣　＆　１　Ｇ

＼　

ｅ，

Ｇ｝　Ｇ　８２　（６）　

各点的Ｇａｕｓｓ非负曲率值作为曲面光顺的评价依据，并能以彩色　

云图方式显示车身表面多点的Ｇａｕｓｓ曲率值，若整张曲面的颜色　

比较一致，则曲面的曲率变化较为连续，光顺性较好，否则需要对　

曲面进行修改。由于曲面是在曲线的基础上生成的，所以可以通　

过调节曲线来使曲面达到光顺　。同时基于工业设计及美学的考　

虑，汽车表面在多数情况下需要满足光顺的特性要求，即避免在　

光滑表面上出现突然的凸起、凹陷等“缺陷”。把这种有特定要求　

和用途的产品表面定义为　级表面。所以在模型建立后要检查　

生成的曲面是否符合　级表面的特性，检查方法如下：（１）检查　

单个曲线曲面Ｇ。（无）、Ｇ　（相切）、Ｇ　（曲率）连续性，用Ｓｐｌｉｎｅ曲线　

分析和Ｂ—ｓｕｒｆａｃｅ曲面分析；（２）检查曲线曲面连接的连续性，用　

曲线分析，和曲面分析；（３）检查两曲面间连接情况，用偏离分析；　

（４）检查、保证曲面的一致外凸形，用曲面分析中的高斯等值线　

法。此外在车身几何模型建立时需注意如下问题：（１）镜像处理。　

由于汽车是左右对称的，故建模时只需构造其左（或右）半部分，　

然后再作镜像复制，但要注意，在构造特征线时，应使其在与对称　

面的交点处与对称面垂直。（２）模型的完整性和无重合性。为了方　

便以后的流动数值模拟计算中的网格划分，几何模型必须保证完　

蛰　和无重合性，即模型中既不能有断开的地方，又不能有重合　

的地方。（３）模型的近似处理。在建模过程中对一些细微部分作了　

近似处理，省略了后视镜等一些凸起部分，车身底部也近似处理　

成为一个平面。选择了某汽车作为参考车型，通过“反求”并在ＵＧ　

的环境中建立其几何模型，并对曲面造型的曲线的光顺性及整车　

的曲面造型的光顺性进行检查，几何模型，如图１所示。　

图Ｉ车身几何模型　

３数值模拟与仿真的物理模型　

轿车绕流问题一般为定常、等温、不可压缩的三维流场，由于　

复杂外形会引起气流的分离，应按湍流处理。采用标准，ｃ—ｓ模型　

来模拟，其控制方程的一般形式为：　

ｄｉｖ（ｐ￣　一　‘ｇｒ。　）＝ｇ　（１）　

式中：　，　，ｑ　—取不同的值时，表示不同的方程。　

汽车外流场时间控制方程如下：其中ｉ，ｊ＝ｌ，２，３　，ｘ２＝ｙ，　

其中，Ｇ：Ｉ－＊ｉ（＇６ｈ　￣Ｌ＿）６ｈ　ｌ—　＝　＋　

式中：ｔｘｏ一流体动力粘性系数　一涡粘性系数；它是鲍辛涅斯提出　

来的，主要取决于流　盅流特性，是济　场空间位置的函数。满足　

ｐｕ—￣ｕｊ＝　ｆ

１

　

　Ｕ　１　

＋　

Ｕ伍Ｌ｜

｝

　

　（７）　

式中：　一由对动量方程平均化后得到的雷诺应力项。　

涡粘性系数　用ｋ和　表示，根据量纲分析可得　

＝ｐ　

对于“标准”的Ｋ—ｓ模型，其常数值为：　

Ｏ＂ｋ＝１．０，　＝１．３，　＝１．４４，　＝１．９２，　＝０．０９　

标准，ｃ叶模型相对于其他模型来说具有简单易懂，适用范围　

广的优点。但对了它自身来说还存在一些缺点：（１）标准　模式　

假定雷诺应力和当时当地的平均切变率成正比，所以它不能准确　

反映雷诺应力沿流向的历史效应；（２）标准　模式是各向同性　

的，不能反映雷诺应力的各项异性，尤其是近壁湍流，雷诺应力具　

有明显的各向异性，例如方管中的二次流是由于雷诺正应力之差　

产生的，标准　—　模式不能正确表达雷诺正应力，因此不能预测　

到方管湍流的二次流；（３）标准，ｃ—ｓ模式计算量比较大，但是随着　

计算机技术的发展是可以克服的［】ｏｌ。　

４模拟仿真结果　

４．１三维流场纵向中心对称截面速度矢量分布图　

流场在汽车纵向截面处的速度分布图，如图２、图３所示。描　

述了空气绕汽车外部流过时的部分特征。　

图２汽车纵向中心对称截面速度矢量分布图　

图３汽车纵向中心对称截面尾部速度矢量图　

ＮＯ．２　

Ｆｅｂ．２０１０　机械设计与制造　１１５　

通过图２可以发现：在汽车的外表面上都有明显的气流附着　况，因为漩涡的存在，形成负压区。　

层，该层是因为气流流经汽车外表面时，因为空气的粘性，使气流速　由模拟仿真的结果可知，在模拟中，流体平滑地通过了车身　

度急下降，甚至出现气流的止滞。同时气流在该车的发动机罩和前　

表面（汽车尾部外除），并没有产生很显明的流体分离现象。从压　

挡风玻璃之间及后挡风玻璃和行李厢之间并未出现旋涡和分离、再　

力场可以看出，在发动机前罩的拐角处和车顶的前缘，后缘并没有　

附着的现象，基本上呈贴着车身平滑的流动。但是在发动机罩中部　

产生很大的负压力，这说Ｈ月：ｉ亥车身的设计在发动机前罩与汽车前　

及车顶部都出现了气流的轻微分离、再附着的现象。这说明车身设　

窗的边缘处和车顶与汽车前，后窗的边缘处过渡都比较平滑。因此．　

计在这部分需要改进，发动机罩前缘过＝Ｆｆ顷祭｝，车顶的曲率过大。　

良好的设计发动机前罩与汽车前窗的过渡边缘和车顶与汽车前，　

另外，在车的尾部出现一段死水区，如图２，图３所示。在这　

后窗的过渡边缘，可以尽呵能的减小这些部位的负压，使流体比　

里的气流流动是非常复杂的，存在着大尺寸的涡。距离车尾一定　

较平滑的流过车身，使汽车具有良好的空气动力特性。　

距离上，气流出现倒流现象，从这个位置开始，随着距离的增大，　

速度损耗越来越小，直到距离汽车很远处速度才接近来流速度。　

分析在此区出现倒流的原因是：流体流经汽车尾部末端处，　

突然失去了限制，进入了自由边界层，这些流体与汽车尾部的死　

水区之间形成了剪切层而被卷吸。由于汽车流场的雷诺数很大，　

再加上剪切层附近的混合作用，将死水区内的流体卷吸到主流中　

去，于是在汽车尾部形成大尺度的漩涡。也正是因为这个漩涡的　

存在，对汽车产生很大的空气阻力，因此它大大地影响了汽车动　

力性，并且随着车速的提高，这种影响成倍增加。　

４．２纵向中心对称面压力分布图　

除前脸部分，发动机罩和前风窗交界处出现正压外，其余部　

分均为负压，如图４所示。出现负值较大的地方是汽车后窗和汽　

车尾部，而车身顶部出现变化平缓的负压。　

图４纵向中心对称面压力分布图　

汽车上的气动力与汽车周围所受的压力分布直接相关，并且　

压力分布又与汽车的流谱有紧密的关系。汽车行使时，前方来流　

首先遇到车身前部，由于气流受阻，速度大大降低，气流的动压转　

变为静压，在车头前部形成一个正压区，如图５、图６所示。这股　

气流分成两部分，一部分向上，通过发动机罩、前挡风玻璃、驾驶　

室顶然后向后流去；另一部分向下，通过车身下部，然后向车尾流　

去。流向上方的这部分气流在流经车头上缘时，由于缘角的半径　

较小，气流往往来不及转折，而出现局部分离，又由于流速比较　

大，在上缘角附近形成吸力峰。随后，气流又重新附着在发动机罩　

上。由于发动机罩有一定的斜度，其上的气流速度仍然较快，因而　

力仍为负值，所以在发动机罩前部形成一个负压区。当气流到　

达发动机罩和前挡风玻璃交界处时，由于挡风玻璃的存在，气流　

速度降低，同时由于凹角的存在，在凹角处形成一个滞区，在滞区　

中又有内部涡流的存在，该区具有正压力。在气流到达挡风玻璃　

上缘时，又遇到一个转角，因而在车顶前缘附近又出现一个吸力　

峰。由于车顶车身外形鼓起，流经他的气流速度低，因而负压有所　

减小。后窗处由于顶部的气流未受到任何的阻碍，流速较大，又受　

尾部吸力峰的影响，压力减小，彤成负压区。车身尾部的压力情　

而在汽车尾部，此车还是出现大尺度的涡旋，产生了巨大的负　

压，它还引起了能量的极大消耗，是产生空气阻力的主要因素。因　

此，在汽车设计时应该尽可能的减小此处涡旋的规摸，如在尾部，应　

该尽量减少锋锐菱角的过渡，应该使汽车尾厢平缓的过渡或使用圆　

滑的曲面代替菱角。这样有助于减小涡旋的规模，使空气阻力　、。　

图５汽车尾部压力分布图　

图６汽车尾部压力分布图　

５结论　

汽车的空气动力学特性直接影响着汽车的经济性、动力性和　

稳定性。在利用反求法建立车身模型的基础上，在ＡＮＳＹＳ／ＣＦＤ　

有限元仿真环境中对所建立的模型进行了数值模拟计算并得出　

相关的仿真结果，为优化汽车车型及改善汽车空气动力学特性的　

进～步研究提供了参考。　

参考文献　

１沈俊，傅立敏，范士杰．ＣＦＤ在汽车空气动力学设汁中的应用．汽车技术，　

２０００（５）：１４　

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５杜子学．微型面包车气动特性研究及气动造型优化设汁方法探讨：［博士学　

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Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ　Ｏ１３　Ｃａｒｓ　Ｕｓｉｎｇ　ＣＦＤ—Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｇｒｉｄ　Ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　

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８赵波，龚勉，浦维达．ＵＧ实用教程．北京：清华大学出版社，２００２：２４－－８７