施博文（沈陽汽車工業(yè)學(xué)院,沈陽 110000）

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基于FLUENT軟件對小汽車外流場三維數(shù)值仿真

施博文
（沈陽汽車工業(yè)學(xué)院,沈陽 110000）

摘 要：利用大型計算流體動力學(xué)(CFD)分析軟件的FLUENT，對小汽車的外流場進行數(shù)值模擬。通過計算機對三維N-S方程組進行求解，并將求得的結(jié)果進行分析。使用FLUENT軟件仿真的數(shù)據(jù)將為汽車氣動特性分析提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：流體動力學(xué)；外流場；數(shù)值模擬；FLUENT

當今社會，計算機技術(shù)水平亦飛速發(fā)展，計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)已在汽車領(lǐng)域得到肯定且得到了大范圍的應(yīng)用，尤其是汽車設(shè)計當中。人們對汽車的性能以及個人需求都提出了具有針對性的高要求，展現(xiàn)出了研究流體動力學(xué)仿真的重要性[1]。

理論分析、實驗研究和數(shù)值計算是研究汽車空氣動力學(xué)的重要方法。

目前，幾乎所有的流動現(xiàn)象都可以用流體動力學(xué)仿真分析。在新車型的空氣動力學(xué)設(shè)計周期上，可以采用CAD技術(shù)與流體動力學(xué)仿真的結(jié)合，來大大縮短其周期。由于在FLUENT軟件中可以根據(jù)實際需要設(shè)置條件，并且能夠在計算區(qū)域的任意位置得到準確信息，根據(jù)這些信息就可以對其性能（空氣動力性）進行評價，準確、快速有效[2-4]。所以，本文采用流體動力學(xué)仿真軟件FLUENT對汽車外部流場進行數(shù)值模擬。

1 小汽車外流場的三維數(shù)值仿真

（1）基本的控制方程。等溫不可壓縮的三維湍流模式為汽車繞流計算模型。

（2）實體建模。采用SolidWorks 軟件進行建模。對汽車實體表面進行處理，減少車燈等車身周圍凸出的相對較小的結(jié)構(gòu)件，同時把小汽車下部變平。這些簡化與微小處理對計算區(qū)域的整體特性無大的影響，而且縮短了計算時間。最后將建立的三維CAD模型導(dǎo)入FLUENT軟件中進行網(wǎng)格劃分。

1）確定計算區(qū)域與網(wǎng)格劃分。計算區(qū)域采用規(guī)則的長方體。本文采用長方體計算區(qū)域有利于控制網(wǎng)格的生成。從國內(nèi)外相關(guān)文獻以及仿真模擬實驗中可以看出，對于流場仿真計算，當計算區(qū)域達到某一定值時（不需無限大），小汽車表面的流場不會繼續(xù)受計算區(qū)域大小的限制[4]。因此，在計算域的選取上，本文分別在汽車前部選擇4.5倍的車長，在汽車后部選擇7倍的車長，在側(cè)面選擇3.5倍的車寬，在上部選擇5倍的車高。

計算區(qū)域的網(wǎng)格是在流體動力學(xué)仿真計算中十分重要的一部分。對求解與計算的準確度與速度有很大影響。為便于計算，在汽車流場的非計算敏感區(qū)的網(wǎng)格較稀疏，所以，要從實際要求進行合理設(shè)置。在滿足計算準確度的條件下，又要讓網(wǎng)格數(shù)目較少，計算時長降低。

2）邊界條件的確定。設(shè)置小汽車外部流場的數(shù)值模擬的邊界條件為：入口、出口、壁面三個條件。計算區(qū)域的條件：常溫空氣為介質(zhì)。計算模型選用：κ-ε湍流模型。

入口：氣體流動速度 u = 32m /s，即汽車相對外部氣流的流動速度。

出口：無相對壓強。

壁面：將地面邊界條件設(shè)置為自由邊界，將汽車表面設(shè)置為無滑移。

2 小汽車外流場數(shù)值仿真的結(jié)果與分析

FLUENT軟件的后處理模塊，使小汽車外部流場計算結(jié)果更加清晰明顯。從圖1可以看出：在整個小汽車受力中，其頭部最大。其原因是：來流與車頭部分相遇時，使氣流受到汽車頭部阻擋，速度大大降低，所以在車頭形成正壓區(qū)。氣流與汽車的頭部相遇后，氣流分別繞小汽車的上表面與下表面，而對于流向小汽車上方的氣流，在其經(jīng)過車頭部分大曲率的上緣角時，不能及時回轉(zhuǎn)，部分氣流就開始分離擴散，由于此時氣流速度較大，在這個地方就形成了負壓峰值。

汽車上方氣流繞過汽車棚頂?shù)暮蟛?，由于汽車外形曲率較大所以產(chǎn)生逆壓梯度，這些氣流流經(jīng)后窗時快速分離，該氣流流經(jīng)汽車后窗時快速地分離，最終在小汽車的后部產(chǎn)生兩個大渦流。

增大了汽車后部壓力損失，導(dǎo)致其前后存在的壓力差變大，對于汽車行駛受到的阻礙也變大，影響汽車的操縱性能。因此，將小汽車的外形進行改良來減小汽車的行駛阻力，以提高汽車整體性能。

3 結(jié)語

CAD 軟件和FLUENT軟件是在小汽車外部流場建模和仿真模擬中的重要方法，是對新一代汽車的研發(fā)經(jīng)濟且有效的方法。從仿真分析與計算中，了解了空氣動力學(xué)的特性，進而減少風洞實驗，節(jié)約經(jīng)濟成本，并能縮短新一代汽車開發(fā)與生產(chǎn)周期。然而，如果采用空氣動力學(xué)仿真分析軟件對汽車的外部流場特性進行較準確的模擬，除了提高計算機的計算能力以及先進的計算方法外，還需要在仿真計算中對所設(shè)置的相應(yīng)的條件以及相關(guān)參數(shù)進行正確、合理的選擇處理。所以運用這類軟件解決小汽車空氣動力學(xué)的實際問題，需要風洞試驗和流體動力學(xué)仿真共同結(jié)合，檢驗與完善理論觀點并能更全方位且有效地進行綜合仿真實驗。

參考文獻：

[1]杜廣生.汽車空氣動力學(xué)[M].北京:中國標準出版社,1999.

[2]谷正氣.汽車空氣動力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]傅立敏.汽車空氣動力學(xué)數(shù)值計算[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2001.

[4]呂明忠,高敦岳,傅立敏.計算機數(shù)值仿真在汽車外流場分析方面的應(yīng)用研究[J].算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2002,14(02):181-184.

作者簡介：施博文（1988-），男，遼寧沈陽人，研究方向：汽車。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.113