轿车外流场网格生成策略及数值模拟

农业机械学报

第38卷第4期

轿车外流场网格生成策略及数值模拟

杨　博　傅立敏

*

　　【摘要】　采用3种网格策略对某轿车外流场进行数值模拟研究,并应用商业CFD软件STAR-CD进行求解。根据计算过程和结果,分析不同网格策略的效果,论述3种网格策略的特点。数值模拟中考虑了车轮旋转和车轮固定两种边界条件,并将数值计算结果与试验数据进行了对比分析,探讨了高雷诺数k-E湍流模型的计算精度。

关键词:汽车　外流场　网格策略　数值模拟中图分类号:U461.1

文献标识码:A

MeshGenerationStrategiesoftheExternalFlowFieldaround

aSedanandtheNumericalSimulationResearch

YangBo　FuLimin(JilinUniversity)

Abstract

Threemeshstrategieswereappliedinthenumericalsimulationresearchoftheexternalflowfieldaroundasedan.ComputationalmeshesweresolvedbycommercialCFDsoftware,STAR-CD.Meshstrategieseffectswerecomparedandtheirfeaturesweresummarizedaccordingtothedifferentcomputationalprocessesandresults.Boththerotatingandstationarywheelsboundaryconditionswereconsideredandcomputationalresultswerecomparedwithavailableexperimentaldata.TheaccuracyofthehighReynoldsk-Eturbulencemodelwasdiscussed.

Keywords　Vehicle,Externalflowfield,Meshstrategies,Numericalsimulation

转动和地面滑移的边界条件来模拟地面效应,可以为试验研究提供参考。

湍流模型的发展比较迅速,Yamada和Ito[4]进行了瞬态半直接数值模拟与稳态的k-E模型的对比计算分析,说明稳态模型在定性分析流场方面值得信赖,而在精确计算气动力的大小方面还有较大的误差。本文对比了CFD计算结果与风洞试验结果,分析k-E湍流模型的有效性和局限性。

　　引言

在实车的CFD研究中,如何获得高质量的网格一直是研究重点,网格质量是决定整个研究过程进展的关键因素之一。结构化网格与非结构化网格具有各自的优缺点,混合网格方案(hybridmeshes)得到了广泛关注。很多汽车外流场的CFD研究中使用了混合网格方案,如四面体和三棱柱结合、四面体和六面体结合等[1～3],但是关于这些方案的对比分析还未见详细论述。

车轮附近的流场在近年来得到了越来越多的重视。风洞试验中比较先进的方法是应用移动地板系统来模拟地面效应,然而目前世界上具有移动地板的大尺寸风洞屈指可数。CFD研究中通过采取车轮

收稿日期:2005-10-28

*国家自然科学基金资助项目(项目编号:60222207)杨　博　吉林大学汽车工程学院　博士生,130025　长春市

傅立敏　吉林大学汽车工程学院　教授　博士生导师1　几何模型

采用某国产轿车产品数据库中的CAD数据并进行了简化处理。去掉了后视镜、天线、门把手,省略了车底部的一些细节,简化了轮腔内部的形状,用简单的车轮模型代替真实的轮胎和轮辋,并且省略了

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悬架、制动等复杂结构,如图1所示。

并不是完全处于车身的遮蔽之中,如图4所示。这个

外形特点使此区域的block扭曲较为严重,网格质量较差。车身对称平面网格如图5所示。

图1　研究对象的几何外形Fig.1　Geometricalmodel

2　网格策略

2.1　策略A(四面体单元与三棱柱单元)

在车身以及计算域边界的表面生成三角形单元,在空间生成四面体单元。在车身和车轮表面上拉伸3层三棱柱单元,车身对称平面网格如图2所示。试运算表明仅拉伸1层三棱柱单元常常会导致计算的发散。一般为了获得高质量的边界区域网格,希望生成更多层的三棱柱单元,但是三棱柱单元层数越多,往往会导致四面体质量下降得越剧烈。本文采用了3层三棱柱单元,计算时收敛性较好。

图5　网格策略CFig.5　MeshstrategyC

图4　车轮和轮罩的几何外形

Fig.4　Geometryofthewheelandthewheelarch

3　计算对比

3.1　计算域

计算域:入口与车身前部边缘的距离为10倍的车高,整个计算域长度为10倍的车长,高度为5倍

图2　网格策略AFig.2　MeshstrategyA

车高,宽度与高度对称[1]。3.2　边界条件

入口来流速度:U∞=30m/s。

地面条件:地面以来流速度U∞移动。

计算域侧面与顶面条件:滑移壁面(slipwall)。车轮运动条件:车轮静止;车轮转动,轮胎接地处的线速度与计算域入口来流速度相同。3.3　计算过程对比

应用STAR-CD求解3种网格方案,在PⅢ866MHz,512MB内存的计算机上运行。计算过程对比见表1所示。

由于车轮附近的低质量单元导致策略C(完全六面体单元)没有收敛。

表1　计算过程对比

Tab.1　Comparisonofcomputationalprocess

网格

2.2　策略B(四面体单元、三棱柱单元与六面体单

元)

在车身表面应用三棱柱单元,临近车身表面的小范围区域应用四面体单元,在四面体外侧较大范围空间应用六面体单元,车身对称平面网格如图3所示。3种单元类型混合网格的目的是发挥六面体单元的求解优势。一般需要在四面体单元和六面体单元的交界面处调节节点的位置使节点一一对应,所以在交界面上2种单元采用大小接近的单元边长(edgelength)。

图3　网格策略BFig.3　MeshstrategyB

策略ABC

网格数量7.4×1056.86×1056.35×105

达到收敛的迭代步数124104

>200,计算结果发散

计算机工作时间/min约285约255

2.3　策略C(完全六面体单元)

采用O形网格在车身表面周围人工划分出与车身接近正交的Multiblock。从轿车正前方看,车轮10

农　业　机　械　学　报2007年　

3.4　车身表面压力分布计算结果对比

在车轮转动的边界条件下对比策略A和策略B2种混合网格的计算结果。策略A(图6)与真实情况有较大的差距,而策略B(图7)的定量计算结果能比较真实地反映实车表面压力分布状态。

图6　策略A的车身表面压力分布Fig.6　PressuredistributionofmeshstrategyA

图7　策略B的车身表面压力分布Fig.7　PressuredistributionofmeshstrategyB

3.5　尾部流场计算结果对比

以往的研究表明,阶背式车身的尾流特征是有两对尾涡,其一是来自车身侧面的气流在后风窗底部形成一对尾涡;其二是车身侧面的分离流动与来自车身顶盖以及后风窗的气流汇合,在后行李箱处形成一对尾涡[5]。在车身后方用一系列截面位置来显示尾流场的拖拽涡的变化。截面位置如图8所示。

图9　2种策略5个尾流截面速度和压力分布图Fig.9　Velocityandpressuredistribution

of5wakesections

(a)策略A　(b)策略B

图8　截面位置示意图

Fig.8　Sketchofthesectionpositions

3.6　3种网格策略的优缺点

3种策略对比见表2所示。

图9为2种策略5个尾流截面速度和压力分布,自上而下依次为尾流截面1～5。2种混合网格策略在第1截面的定性结果较相近,而由其他截面的结果可见,策略A没有真实地反映出尾部涡系的结构,可以认为本次研究中策略A并不合适。策略B的计算结果较好。

4　CFD计算结果分析

4.1　CFD计算结果与试验结果对比

此轿车的实车风洞试验研究中封闭了模型前部进气口且固定车轮,数值计算研究中去掉了车轮[6]。计算结果与试验结果对比见表3所示。

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表2　策略对比

Tab.2　Comparisonofmeshstrategies

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系,但是CD计算值出现了问题,固定车轮时的计算结果反而与风洞试验相差很大。k-E湍流模型不能精确捕捉轿车后部的分离流动,这就导致了气动阻力的计算值与风洞试验值相差较大。k-E湍流模型可以比较精确地反映轿车上下表面的流动特性,因此气动升力的计算值与风洞试验值比较吻合。4.3　不同车轮边界条件下的计算结果对比车轮旋转边界条件下计算的CD值、CL值分别比车轮固定条件下的值要小0.020和0.011,这一减小趋势与前人对其他轿车的试验研究定性一致[7],但这是在本文的研究条件下得出的特定结果,具有普遍意义的结论还需要进行更深入的研究。

策略优点A

生成网格速度较快。

缺点

求解速度较慢;

对于实车等复杂模型求解不可靠;网格数目庞大。

B节省网格单元数或者达四面体与六面体单元合并区域单到更致密的网格分布;求解速度较快。

元质量低;

需要分析2种单元占据空间分配。

C网格质量很大程度上依人工划分Block耗费较多时间;赖block的质量;求解速度快。

很难保证车轮区域的网格质量。

表3　计算结果与试验结果相对误差

Tab.3　ComparisonbetweenCFDandexperiments

%

计算条件去掉车轮车轮固定

气动阻力系数CD

235.2

气动升力系数CL

608.6

5　结束语

对某国产轿车进行的外流场数值计算表明,四面体、三棱柱和六面体相结合的混合网格策略较有效,收敛情况较好,可以满足CFD设计的要求。

对于在车轮表面是否可以仅用四面体单元而无需生成三棱柱单元的方案需要进一步研究。由计算结果可以看出采用车轮转动的边界条件是必要的。在车轮转动条件下计算的CD和CL值都要比车轮固定条件下的值小。此轿车的CD计算值偏大,CL计算值与试验值吻合较好,这是因为k-E湍流模型不能精确捕捉轿车后部的分离流动,而对轿车上下表面流动特性的计算比较精确。

文

献

　　可见,去掉车轮的条件下,CD计算值与风洞试验值吻合较好,CL计算值与风洞试验值相差很大。带有车轮且车轮固定的条件下,CD计算值与风洞试验值相差较大,CL计算值与风洞试验值吻合较好。4.2　k-E湍流模型计算精度分析

一般来说,计算条件与风洞试验条件越相似,计算结果与试验结果也越吻合。CL计算值符合这种关

参

考

1　SimoneSebben.Numericalflowsimulationsofadetailedcarunderbody[C].SAEPaper2001-01-0703,2001.2　JunyaOno,YasushiMurakami,KenjiOkumura.Developmentofunderbodyaerodynamicsimulationusingautomati-callygeneratedtetrahedralandprismaticcells[C].SAEPaper2001-01-0704,2001.

3　FrancisTMakowski,Sung-EunKim.Advancesinexternal-aerosimulationofgroundvehiclesusingthesteadyRANSequations[C].SAEPaper2000-01-0484,2000.

4　SvenPerzon,LarsDavidson.OnCFDandtransientflowinvehicleaerodynamics[C].SAEPaper2000-01-0873,

2000.5　傅立敏.汽车空气动力学[M].北京:机械工业出版社,1998.

6　范士杰,王开春.国产新型轿车空气动力特性的三维仿真计算[J].汽车工程,2000,22(5):293～295.

7　PerElofsson,MarkBannister.Dragreductionmechanismsduetomovinggroundandwheelrotationinpassengercars[C].SAEPaper2002-01-0531,2002.