2010800716 - 阳延 - 飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化最(6)

飞行汽车车身设计及地面行驶的外流场优化

3.3.3 计算区域的确定

为了保证流场的真实情况外流场都有一定的范围，太大了对汽车的研究起不到作用，太小了又怕汽车尾部和车头部会产生回流。所以取外流场一点要适中。本次模拟建立数值模拟试验域空间。设定为6倍车长、3倍车宽、3倍车高，即大概尺寸为30000mm×6000mm×4500mm，如图3.5所示。

图3.5 计算域模型

3.3.4 网格模型建立

(1)网格策略

划分网格是对控制方程进行离散。ANSYS中有很多种划分网格类型，常见的是自动划分网格，还有四面体，六面体，扫掠等。但生成网格方法基本一致。

自动划分网格很容易就可以生成，但是网格分布很不规则，但是它在于简单，花费时间少，可以自动把边界上的网格划得和几何体相同，对计算域的边界比较精确，汽车模型中很多圆角还有轮子都是边界上的。但是在流体内部的网格不规则，计算不精确。这种方法也称为非结构网格划分。

四面体和六面体划分的网格有规律，在计算机求解过程中比较快速，准确。但对于本例汽车模型，尤其是最后模型还带有车轮的模型很难用六面体或者四面体生成精确的网格。这种方法也称为结构网格划分[9][17]。

故本文中采用的是混合网格划分。 (2)计算网格的生成

考虑计算机的计算能力和计算要求，网格划分设置最大网格尺寸0.2m，车表面的面最大网格尺寸0.15m，共划分了140万个单元网格。

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图3.6 网格分布图

3.3.5 计算过程控制

1.边界条件的设定

1)入口边界，边界入口设定为速度入口，速度为30m/s，即空气从此入口以30m/s速度流入；

表3.2 入口边界条件设置 选项

Boundary Type Mass And Momentum Normal Speed Turbulence Fractional Intensity Eddy Length Scale

设置 Inlet Normal Speed 30[ms^-1]

Intensity and Length Scale

0.05 0.25[m]

2)出口边界，出口边界设定为压力出口，出口相对于远方来流处的压力为零，Pout=0，故静压值取零；

表3.3 出口边界条件设置

选项

Boundary Type Mass and Momentum Relative Pressure Turbulence Fractional Intensity Eddy Length Scale

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设置 Opening

Opening Press. And Dim

0[Pa]

Intensity and Length Scale

0.05 0.25[m]

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图3.7 设置边界条件

3)壁面边界，除了出口、入口，其他面都设定为壁面，选取标准壁面函数[20]和标准k-ε双方程湍流模型[5]。

表3.4 流域边界条件设置 选项

Boundary Type Mass and Momentum Wall Roughness

设置 Wall No Slip Wall Smooth Wall

2.求解器属性控制

表3.5 求解器属性设置 选项

Advection Scheme Turbulence Numerics Min Iterations Max Iterations

设置 High Resolution First Order

1 50

3.4 数值模拟结果与分析 3.4.1 残差迭代收敛曲线

标准k-ε湍流模型具有的特点是收敛性最好，且收敛速度较快[5]，由于网格划分较密，而计算精度要求又不高，因此迭代30次即达到所设定的精度要求，收敛曲线如图所示。

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图3.8 残差迭代收敛图a

图3.9 残差迭代收敛图b

由上可知各个变量的残差设定为10-4，均达到收敛标准。残差曲线基本稳定，不再发生变化；故可以判断该计算已收敛。

3.4.2 速度流线图

图3.10是车身纵向对称面流线图。从流线图来看，入口的气流到达车头部，分成两部分，一部分从车顶部流过，另一部分从车底部流过。由于该汽车车顶处导流板的设计，整车的坡度较小，使气流能流畅的通过车体上部，并未出现分离和漩涡，呈层流流动。紧贴车身的流线在车身后部向后延伸，没有明显的波动，它们之间形成一个负压区。另外我们可以注意到从底部流出的气流，与上部的气流在尾部交汇，没有出现明显的漩涡，流线型较好，降低了气动阻力。

图3.10 车身纵向对称面流线图

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3.4.3 空气速度场

从图3.11可以看出，气流从远处到车前部，遇到车前涵道顶端受阻，速度变小，动压转变成对车体的静压，然后气流沿车身散开，流经车体上部的气流通过导流板，车顶盖流向尾部，气流流经车盖时，遇到车盖的阻挡，流速变大。同样，气流在遇到尾部推进涵道稳定杆和支柱时被分流，流速也变大。突出的车轮部分阻挡了气流平稳通过，气流绕过轮胎边缘流速也增大。轮胎突出车身阻挡了气流的通过，增大了飞行汽车的气动阻力，这是一个可以改进的地方。

图3.11 车身表面速度矢量图

从图3.12车身纵向对称面速度矢量图可以看到，流速较大的几个地方出现在车顶盖边缘和推进涵道边缘。在车尾有两个不太明显的漩涡（图3.13），上面的是顺时针，下面的是逆时针，这是由于流过顶部的气流速度较大，压强小，动能较大；流过底部的气流速度较小，压强大，动能较小[5]。

图3.14是一侧车轮，车顶盖，推进涵道和支柱的截面，从这个截面的速度矢量图我们可以看到，气流流经车盖和车轮时速度变大，并没有出现漩涡。但当气流在推进涵道和尾部时出现了明显的漩涡，涡流的产生对汽车的性能影响很大，它不仅造成汽车尾部的压力降低，增大了压差阻力，可能使升力增大，影响汽车的附着性能。推进涵道支柱很大程度阻滞了气体流动，应该在满足强度刚度的前提下尽量减小厚度，另外还可以考虑改进推进涵道的形状使其减小阻力。

图3.12 车身纵向对称面速度矢量图

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