朱 暉,楊志剛,譚 鵬,豐成杰

(1.同濟(jì)大學(xué),上海地面交通工具風(fēng)洞中心,上海 201804; 2.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

2016026

流體仿真平臺對汽車外流場仿真能力的對比研究*

朱 暉1,楊志剛1,譚 鵬2,豐成杰2

(1.同濟(jì)大學(xué),上海地面交通工具風(fēng)洞中心,上海 201804; 2.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

基于同一個硬件平臺和相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，采用Fluent 12.1和Star-ccm+8.04流體仿真平臺對某車身的1/3縮比模型外部繞流場進(jìn)行數(shù)值仿真。以相同模型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，通過計(jì)算獲得氣動升/阻力、車身表面壓力和尾跡區(qū)流場結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息，對比研究了兩款流體仿真平臺對汽車外流場的仿真能力，為流體仿真平臺的選擇提供了依據(jù)。

汽車外流場；流體仿真平臺；仿真能力

前言

由于突出的經(jīng)濟(jì)性及時(shí)效性優(yōu)勢，計(jì)算流體力學(xué)在汽車空氣動力學(xué)研究中被廣泛采用；該方法對汽車外部繞流場的精細(xì)解算能力、對提高汽車空氣動力學(xué)性能至關(guān)重要[1-3]。

企業(yè)調(diào)研和文獻(xiàn)檢索結(jié)果表明：目前主流的流體仿真平臺為Fluent(Ansys Co. Ltd.)和Star-ccm+(CD-adapco Co. Ltd.)；二者皆基于有限體積理論框架構(gòu)建，且內(nèi)嵌的湍流模型基本相同[4-5]。在汽車空氣動力學(xué)領(lǐng)域，無論是研究還是產(chǎn)品開發(fā)，F(xiàn)luent平臺和Star-ccm+平臺皆得以廣泛應(yīng)用[6-8]。

公開發(fā)表的文獻(xiàn)內(nèi)容可概括為：基于仿真平臺對流動現(xiàn)象進(jìn)行研究所獲得的規(guī)律性認(rèn)知；缺乏對兩款平臺性能對比的研究成果。只有明確仿真平臺在主要性能方面各自的特點(diǎn)，才能在商業(yè)或科研工作中對其進(jìn)行正確的選擇。

本文中基于Fluent 12.1平臺和Star-ccm+8.04平臺，對某款自主設(shè)計(jì)車型的外流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并將仿真結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以比較兩款流體仿真平臺針對具有分離、剪切和臨地面特性繞流的解算特點(diǎn)。

1 幾何模型及流場空間離散

實(shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真對象統(tǒng)一為自主設(shè)計(jì)的某款車型的1/3縮比模型，其造型特點(diǎn)為：車體A柱和車頭實(shí)行一體式設(shè)計(jì)；車體頂部和C柱實(shí)行一體式設(shè)計(jì)并延伸至車尾；車體側(cè)面采用半分體式設(shè)計(jì)；尾部采用簡潔的“截尾”設(shè)計(jì)；車型底部光滑。

縮比模型長L=1 562mm，寬W=591mm，高H=486mm，軸距為875mm，輪距為480mm，正投影面積為0.249 3m2；輪胎采用帶輻條的仿真輪胎，具體構(gòu)造如圖1所示。

采用尺度在0.4～3mm之間的三角形網(wǎng)格對縮比模型表面進(jìn)行劃分。其原因?yàn)椋?1)車身底部與地面之間間隙狹小，可能導(dǎo)致體網(wǎng)格生成困難或者質(zhì)量不高，從而加細(xì)網(wǎng)格；(2)在型面結(jié)合部位流動極易產(chǎn)生扭曲變形，需要細(xì)化網(wǎng)格以更好地捕捉流場信息；(3)為保證與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)完全一致，保留了仿真模型的全部細(xì)節(jié)(車輪輻條、螺栓、車軸法蘭等)，因此細(xì)化面網(wǎng)格。

體網(wǎng)格的制作遵從兩款仿真平臺各自的推薦方案：Fluent平臺采用四/五/六面體混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(四面體、棱柱體、金字塔、六面體)；Star-ccm+平臺采用切塊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(trimmed mesh，五/六面體混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu))。具體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。

空間計(jì)算區(qū)域：長為15.0m，寬為6.0m，高為2.5m，阻塞比為1.66%。x正向?yàn)閺淖蟮接业目諝饬鲃臃较?z正向垂直向上,y正向以右手螺旋定則確定。為了減輕數(shù)值黏性的影響，大部分計(jì)算區(qū)域劃分為大小不等的六面體網(wǎng)格。為高效利用計(jì)算資源并提高計(jì)算精度，在包裹模型及流場變化劇烈的局部區(qū)域采用統(tǒng)一尺度對體網(wǎng)格進(jìn)行加密。網(wǎng)格總數(shù)為：Fluent平臺1 800萬單元；Star-ccm+平臺1 100萬單元。

近壁面第1層網(wǎng)格中心離壁面的法向高度，以y+=30～150加以控制(采用RANS框架湍流模型)，高度為0.6mm。在實(shí)現(xiàn)邊界層網(wǎng)格全面覆蓋模型及相關(guān)型面細(xì)節(jié)的條件下，體網(wǎng)格質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為：Fluent平臺skewness<0.94；Star-ccm+平臺volume change>10-4。

2 湍流模型及邊界條件

本文中統(tǒng)一采用RANS模型框架下Realizablek-ε湍流模型[9]結(jié)合2階迎風(fēng)格式(1階格式1 000步迭代，2階格式3 000步迭代)完成數(shù)值計(jì)算。Realizablek-ε湍流模型引入部分雷諾應(yīng)力數(shù)學(xué)約束，湍動能k和耗散率ε基本方程為

(1)

(2)

其中σk=1.0；σε=1.2；C2=1.9

式中：Gk為由平均速度梯度引起的湍動能k產(chǎn)生項(xiàng)；σk和σε分別為與湍動能k及耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)。

參照實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)、氣流品質(zhì)和運(yùn)行工況，入口處統(tǒng)一采用速度入口邊界條件(velocity inlet)，認(rèn)為速度為均勻分布，u=40m/s，v=w=0；入口湍流強(qiáng)度0.2%，湍流黏性比10；出口采用壓力出口邊界條件，表壓取為0，出口湍流強(qiáng)度及湍流黏性比的確定法與進(jìn)口類似。按車長計(jì)算的雷諾數(shù)Re≈3.25×106。

地面和車身(含車輪)皆采用無滑移邊界條件，其目的是與實(shí)驗(yàn)情況保持一致(實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞無移動帶，車輪無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動，不采用MRF法)；計(jì)算域左右兩側(cè)和頂部采用對稱邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算過程中，在監(jiān)測殘差的基礎(chǔ)上，對車身的阻力系數(shù)CD和升力系數(shù)CL進(jìn)行監(jiān)測。計(jì)算結(jié)束后統(tǒng)計(jì)出的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1，表中相對誤差計(jì)算以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)值為準(zhǔn)，其中升力系數(shù)誤差取絕對值。

表1 CD和CL比較

由表可知：在本次數(shù)值仿真中，對于阻力系數(shù)的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺明顯優(yōu)于Star-ccm+平臺，前者計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差已控制在1%以內(nèi)；對于升力系數(shù)的計(jì)算，在升力方向預(yù)測準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，具體數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值偏差皆大于30%。因此，在本次仿真中，針對氣動阻力的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺優(yōu)于Star-ccm+平臺；針對氣動升力的計(jì)算，二者的計(jì)算結(jié)果皆不理想。

通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對車體表面壓力進(jìn)行測量，所使用的主要儀器為DTC電子壓力掃描閥系統(tǒng)(128通道)。測壓孔布置于車體上部縱向?qū)ΨQ面、尾部水平面、車體底部區(qū)域和車身側(cè)面。

車體上部對稱面壓力系數(shù)測量值和數(shù)值計(jì)算值如圖3所示，圖中x/L為比例長度。由于車體造型特征有別于傳統(tǒng)車，在發(fā)動機(jī)艙蓋和前風(fēng)窗銜接處未出現(xiàn)“死水區(qū)”，所以消除了該處的高壓區(qū)。

由圖3可知：Fluent平臺與Star-ccm+平臺對車體上部對稱面處測點(diǎn)壓力計(jì)算結(jié)果幾乎完全一致；以測量值為準(zhǔn)，在整體趨勢一致的基礎(chǔ)上，仿真平臺對車體頂部氣流加速及壓力回升區(qū)域(Cp≤0區(qū)域)的計(jì)算結(jié)果明顯偏小，即對車體上部負(fù)壓預(yù)測皆不理想；因此二者對車體上部區(qū)域壓力計(jì)算能力相當(dāng)。

車體尾部的壓力分布如圖4所示，z/H和y/W分別為比例高度和寬度，其中圖4(a)顯示尾部縱向?qū)ΨQ截面壓力分布，圖4(b)和圖4(c)分別顯示尾部z/H為0.346和0.220處截面壓力分布。

由圖4可知：以測量值為準(zhǔn)，在整體趨勢一致的基礎(chǔ)上，F(xiàn)luent平臺計(jì)算結(jié)果與測量值更接近，且普遍大于Star-ccm+平臺的計(jì)算結(jié)果；Fluent平臺針對z/H=0.220處截面壓力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果在趨勢上與測量值更為接近，具體如圖4(c)所示；二者針對車型尾部表面壓力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與測量值皆存在較大差距；因此Fluent平臺針對車體尾部壓力的計(jì)算能力略優(yōu)于Star-ccm+平臺。

在縱向?qū)ΨQ面處，車體底部接近尾部位置的壓力分布測量及計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：以測量值為準(zhǔn)，在整體趨勢一致的基礎(chǔ)上，F(xiàn)luent平臺計(jì)算結(jié)果與測量值更接近，因此Fluent平臺針對車體底部接近尾部位置壓力的計(jì)算能力略優(yōu)于Star-ccm+平臺。

車體側(cè)面布置兩排測點(diǎn)：C柱處沿氣流方向和車身處垂直氣流方向各1排。測量和計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖可見：對于第1排車身側(cè)面測點(diǎn)，以測量值為準(zhǔn)，在整體趨勢一致的基礎(chǔ)上，Star-ccm+平臺計(jì)算結(jié)果與測量值更接近；對于第2排車身側(cè)面測點(diǎn)，以測量值為準(zhǔn)，在整體趨勢一致的基礎(chǔ)上，兩款平臺計(jì)算結(jié)果與測量值偏差相近；因此，Star-ccm+平臺針對車體側(cè)面壓力的計(jì)算能力略優(yōu)于Fluent平臺。

在總共110個測壓點(diǎn)中，兩款仿真平臺對壓力的計(jì)算結(jié)果之間的相對誤差(以Fluent平臺計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn))分布見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果相對誤差

通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對車體外部繞流場尾跡區(qū)進(jìn)行PIV測量，所使用的主要儀器為：Nd∶YGA雙脈沖激光器和CCD跨幀數(shù)字相機(jī)，數(shù)字相機(jī)觸發(fā)信號由同步器控制提供，從而保持與脈沖激光器的完全同步。

圖7顯示了依據(jù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果所繪制的縱向?qū)ΨQ截面流線圖，圖8為某縱向截面實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果流線圖，圖9顯示了車身尾部邊緣實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果縱向截面流線圖[10]。

由圖7可見：以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)，兩款仿真平臺對縱向?qū)ΨQ面流場渦尺度描述基本準(zhǔn)確，但皆無法準(zhǔn)確捕捉渦核位置；對于尾渦周圍流場結(jié)構(gòu)的描述能力，F(xiàn)luent平臺略優(yōu)于Star-ccm+平臺。

由圖8可見：以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)，F(xiàn)luent平臺計(jì)算結(jié)果能捕捉到某縱向?qū)ΨQ面流場結(jié)構(gòu)中微小渦核的存在，Star-ccm+平臺計(jì)算結(jié)果則無法描述相關(guān)流場結(jié)構(gòu)；對于尾渦周圍流場結(jié)構(gòu)的描述能力，兩款平臺能力相當(dāng)；總體上Fluent平臺優(yōu)于Star-ccm+平臺。

由圖9可見：對于車身尾部側(cè)面邊緣的流場結(jié)構(gòu)計(jì)算能力，F(xiàn)luent平臺與Star-ccm+平臺幾乎完全相當(dāng)，在絕大部分區(qū)域符合實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。

綜合圖7～圖9的分析可知：就針對車身尾跡區(qū)流場結(jié)構(gòu)的計(jì)算能力而言，F(xiàn)luent平臺優(yōu)于Star-ccm+平臺。

4 結(jié)論

基于Fluent平臺和Star-ccm+平臺各自推薦的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、相同量級的網(wǎng)格數(shù)量、一致的邊界層網(wǎng)格厚度、相同的湍流模型及迭代格式、統(tǒng)一的硬件配置，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，通過數(shù)值仿真對比分析升/阻力系數(shù)、表面壓力和尾跡區(qū)流場結(jié)構(gòu)，得出如下結(jié)論。

(1) 以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)氣動升/阻力數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，針對氣動阻力的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺優(yōu)于Star-ccm+平臺；針對氣動升力的計(jì)算，兩款平臺計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差皆較大，所以能力相當(dāng)。

(2) 針對車身上部縱向?qū)ΨQ面壓力的計(jì)算，兩款平臺能力相當(dāng)；針對車身尾部表面壓力的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺占優(yōu)；針對車體底部縱向?qū)ΨQ面壓力的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺占優(yōu)；針對車身側(cè)部表面壓力的計(jì)算，Star-ccm+平臺占優(yōu)；總體上，針對實(shí)驗(yàn)所涉及的測壓點(diǎn)處壓力的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺略優(yōu)于Star-ccm+平臺。

(3) 針對尾跡區(qū)流場結(jié)構(gòu)的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺對于實(shí)驗(yàn)涉及截面處較小渦結(jié)構(gòu)的捕捉能力強(qiáng)于Star-ccm+平臺，因此Fluent平臺占優(yōu)。

(4) 前處理過程中，Star-ccm+平臺的網(wǎng)格包面及體網(wǎng)格生產(chǎn)效率和易操作性明顯優(yōu)于Fluent平臺；在計(jì)算中，F(xiàn)luent平臺的并行計(jì)算效率明顯優(yōu)于Star-ccm+平臺。

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A Comparative Study on the Simulation Capability of Fluid SimulationPlatforms on Exterior Flow Field Around Vehicle

Zhu Hui1, Yang Zhigang1, Tan Peng2& Feng Chengjie2

1.TongjiUniversity,ShanghaiAutomotiveWindTunnelCenter,Shanghai201804; 2.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

Based on the same hardware platform and corresponding parameters setting, two fluid simulation platforms, Fluent 12.1 and Star-ccm+8.04 are adopted to conduct numerical simulation on the flow field around the 1∶3 scaled model of a vehicle body. With wind tunnel test data as the base, the simulation capability of two simulation platforms about flow field around vehicle are comparatively studied in terms of aerodynamic drag, aerodynamic lift, surface pressure distribution and wake structure etc. The study provides a basis for the selection of fluid simulation platforms.

exterior flow field around vehicle; fluid simulation platform; simulation capability

*國家973計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB711203)和上海市地面交通工具風(fēng)洞專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺項(xiàng)目(14DZ2291400)資助。

原稿收到日期為2014年9月3日，修改稿收到日期為2014年11月17日。