CFD在汽车空气动力学研究中的应用

JOURNALOFHUNANUNIVERSITY

湖 南 大 学 学 报

Vol.24,No.4Aug.1997

CFD在汽车空气动力学研究中的应用

姜乐华 谷正气

(湖南大学机械与汽车工程学院,中国长沙,410082)

X

摘 要 阐述了CFD(ComputationalFluidDynamics)方法在汽车空气动力学研究中的应用现状,分析了各种数值方法目前的局限性.

关键词 汽车,空气动力学,CFD,仿真分类号 U270.1

TheApplicationofCFDMethodsto

AutomobileAerodynamics

JiangLehua GuZhengqi

(CollegeofMechanicalandAutomotiveEngineering,HunanUniv,410082,Changsha,PRChina)

Abstract ThecurrentstatusandapplicabilityofCFDmethodsintheresearchofautomobileaerodynamicsarediscussedandthepresentlimitationsonvariousnumericalmethodsareanalyzed.

Keywords automobile,aerodynamics,CFD,simulation

空气动力学指标是汽车(特别是轿车)最重要的参数之一,它对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性等有着极其重要的影响.世界汽车工业发达国家(如美国、日本、德国等)都十分重视汽车空气动力学理论和实验的研究.许多国际知名的大型汽车公司除了具备汽车专用的模型风洞和实车风洞以外,还在汽车空气动力学计算机仿真方面投入了大量的人力和财力,旨在缩短新车开发周期,以降低成本、增强产品的市场竞争能力.众所周知,风洞实验历来是进行汽车空气动力学研究最传统和有效的方法,但风洞投资大、实验时间长.据统计,中型以上风洞建设投资以亿元计算,为获得良好的气动外形,国外每种大批生产的轿车都需经过1000小时以上的风洞实验.而随着计算机和计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的计算流体力学(CFDComputationalFluidDynamics)则为汽车空气动力学的研究开辟了新的途径.汽车工业部门之所以对数值技术感兴趣,其主要原因是为在产品开发过程中节省时间.国际汽车界甚至认为应把产品为适应市场需求而不断变化的这种快速反应能力放在优先于成本节约的位置上来考虑.因此,所用数值方法必须满足两个基本条件:

X国家自然科学基金资助课题

收稿日期:1996211222.第一作者姜乐华,男,32岁,博士生 第4期 姜乐华等:CFD在汽车空气动力学研究中的应用 53

1)所模拟的物理过程必须有足够的精度.德国著名的汽车空气动力学专家Ahmed提出,这种精度要达到能识别vCD=0.002(CD

风阻系数)这样微小变化的程度;

2)就产品开发时间而言,计算机模拟必须比风洞实验快.美国国家航空和航天管理局(NASA)认为,在实际的空气动力学设计中,计算机只有在10~15分钟内完成模拟,才能把CFD当作一种工程手段.

迄今为止,在CFD应用于汽车空气动力学数值模拟的实例中还未发现能同时满足上述两个条件的情况.因此,在汽车工程领域,CFD还是一个尚待研究的对象而非一门研究工具.

我国轿车工业正在蓬勃发展.令人遗感的是目前还不具备自主开发轿车的能力,而制约轿车自主开发的/瓶颈0在于车身工程中的车身造型和空气动力学研究.尽管我国在汽车空气动力学实验和理论研究方面起步较晚,但汽车空气动力学的计算机仿真为我们在该领域尽快赶上发达国家的研究水平提供了新的契机.因此,为提高我国汽车自主开发的能力,开展汽车空气动力学的计算机仿真理论和方法的研究具有极为重要的现实意义和重大的战略价值.

1 计算机仿真的概念和特点

汽车空气动力学计算机仿真是借助于计算机将CFD应用于汽车空气动力学研究的一种方法,亦即模仿风洞实验的工况,在计算机上模拟吹风,运用数值分析的方法计算模拟汽车的空气动力学问题,为指导设计以获得良好的汽车外形造型提供科学依据.与风洞实验相比,汽车空气动力学计算机仿真除了节省开发时间和费用外,还有以下特点.

1)有利于与CAD/CAM系统相衔接.在车身开发过程中,可与计算机辅助造型设计交叉进行,在计算机上得到最佳的气动外形.最终造型师只需做1~2个油泥模型即可完成造型.

2)计算机模拟不致受风洞那样的(如洞壁干扰和风洞实验段的阻塞效应等),计算机则可将计算空间做得很大,以清除这些影响.此外,计算机还不受实验雷诺数、气流角度及流体性质等的;且易于作实验段地面边界层的调整;还可进行纯二维的分析,而这在风洞中是无法实现的.另外,汽车和地面的相对运动,车轮旋转等的模拟在计算机上也比在风洞中容易实现.

3)通过求解流体力学方程就可获得比通常风洞实验多得多的信息,有些甚至是目前实验难以测量和解释的信息.譬如,研究侧风条件下的瞬态气动特性对汽车操纵稳定性的影响,计算机仿真比风洞实验更具优势.

2 CFD应用现状

本世纪60年代以来,针对飞行器空气动力学的先进的数值方法一直在研究发展之中.从80年代初开始,源于航空航天领域的CFD方法逐步被移植到汽车工程领域,促使54 湖 南 大 学 学 报 1997年

汽车空气动力学计算机仿真的研究和应用日渐增多.归结起来,应用于汽车空气动力学的数值方法基于下列四个方面:

1)解Laplace方程;

2)解雷诺平均Navier2Stokes方程(简称RANS);

3)解瞬态Navier2Stokes方程,即直接数值模拟(简称DNS);4)分区模式(或称混合式).

从流体力学可知,非粘性流可用不带粘性项的Navier2Stokes方程即Euler方程来描述.在无旋状况下,非线性Euler方程可利用速度势或流线函数变换成线性的Laplace方程.面元法(PanelMethod)是一种位流分析方法,常用来处理非粘性流问题.用面元法解Laplace方程就是利用Green定理把Laplace方程转变成边界积分方程,在车身表面离散的单元上布置点源和偶极子,以计算位函数.尾涡则可通过涡格法(TheVortex2LatticeMethod)求解.大量的数值计算表明,面元法能很好地预测气流非分离区域(如轿车车身前部)表面的压力分布,德国研制的高速列车ICE(InterCityExpress)就成功地应用了面元法来设计列车的头部.

雷诺平均Navier2Stokes(RANS)方程通常需用一紊流模型来封闭,究竟哪个紊流模型更合适,在流体力学界仍存有争议.工程上,k2E紊流模型应用最广.在近墙区域,常应用经验壁面对数定理.1994年,Ford公司的J.Williams等人为评定CFD的预测能力进行了大量的校准性研究.他们采用稳态可压缩三维RANS方程和带对数紊流壁面函数的k2E紊流模型,运用二阶精度线性迎风差分格式,对尾部造型不同的十种轿车进行了计算模拟,并分别对每种车型进行模型风洞实验(实验模型与计算模型严格一致),结果发现:在车身前部,车底及地面,各种车型的中心对称面上压力分布与实验结果吻合很好;许多车型的尾流结构与实验结果具有合理的一致性;大多数车型的阻力系数,升力系数及俯仰力矩系数与实验结果也有相同的趋向;而越过车身后背部的粘性气流的模拟却遇到了困难,后窗气流分离线和行李箱盖处重新附着的气流流谱与实验结果则不相符.

完全瞬态Navier2Stokes(DNS)方程可模拟车身后背倾角的临界特征(如图1所示),即在某一临界倾角附近气流流谱和阻力都出现显著变化,这是1975年Jansen和Hucho在研制大众Rabbit时在实验中首先发现的,RANS方程却无法模拟这一现象.此外,DNS模拟的阻力系数和流谱与实验吻合很好.但在实验雷诺数下,是否所有尺度的紊流都可通过计算网格得图1 车身后背倾角的临界特征

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到充分的求解,还是一个有待探讨的问题.虽然DNS尚不完善,但它被人们认为是一种最有希望的方法.在日本,DNS已应用于实际汽车的开发.三菱(Mitsubishi)汽车公司的研究人员用了近10个网格来模拟轿车车身的一半,网格生成费时三天,用DNS方法在大型计算机上计算所占CPU时间为10~20小时,计算结果可识别车上各种空气动力学附加装置对阻力和升力的影响,阻力和升力的计算值与实验值相比误差在5%以内.如图2所示.

分区模式计算方法则需要对流场结构有一个预先的了解,根据分离位置不同将汽车绕流分成几个分离区和非分离区.对非分离区气流,可用面元法和附面层方法(BoundaryLayerMethod)迭代循环求解.对分离区气流,则可采用RANS方程或DNS方法处理,也可用Euler法和附面层法计算附着气流和尾流.由于涡旋是在附面层内形成的,涡旋的输运可由Euler方程求解.

图2 带各种空气动力学附加装置的跑车的阻力系数

和升力系数计算值(DNS)与实验值的比较

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分区模式方法在绕圆柱体的

二维流计算中取得了较满意的结果.在计算复杂的三维流场时,分区模式方法的最大特点是比用单区模式求解Navier2Stokes节省机时.瑞典的L.Larsson等人运用分区方法对汽车绕流进行了模拟计算,得到了与实验较吻合的尾流特征和后背临界倾角处阻力由高到低的显著变化特征.

CFD除了广泛应用于汽车车身外流场研究之外,也已在非等温的汽车内流系统中得到运用.例如,通过联立内、外流方程,采用k2E模型对RANS求解来处理发动机机舱内气流和车底气流的相互作用,通过离散热2生理学人体模型来计算模拟车内气流温度和速度的分布,改善乘员的热舒适性,空气流速较缓的地方用层流处理,而流速较急的地方则作紊流处理.

此外,CFD还有助于风洞数据的修正研究.虽然此项应用不多,但如果计算出不受扰流线型风洞墙壁(固定的或可调的)的形状,则可减少至少20%的风洞阻塞率.

总之,CFD在汽车空气动力学中的应用正处在方兴未艾的研究之中,计算结果和实验结果还有误差,这种误差究竟是由物理方程(紊流模型)或数值特征(网格形状、数值方法和计算方案)所引起抑或由二者结合所致,目前尚不清楚.

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3 结束语

在日趋激烈的市场竞争中,谁赢得了时间谁就赢得了市场.如何将CFD成功地运用于汽车车身设计,已成为国际汽车技术界的热门研究课题,虽然目前CFD无论从精度还是速度上都不能满足汽车工程设计的要求,汽车空气动力学研究仍以风洞实验为主,计算机仿真还只能部分地替代风洞实验或对实验作某些补充,但随着计算机速度的加快和容量的进一步增大,特别是巨型计算机的出现,以及计算技术的不断改进,象并行算法的应用,加上对汽车绕流机理的进一步认识,CFD方法将有可能逐渐取代风洞实验,直接用于指导汽车车身设计.

参考文献

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Devices.SAE910597

4 OnoK,HimenoR.SimultaneousComputationoftheExternalFlowaroundaCarBodyandtheInternal

FlowthroughitsEngineCompartment.SAE920342

5 WagnerB,SchmidtW.ComputationofAutomobileAerodynamicsbyUseofNumericalMethods

DevelopedinAeronauticalIndustry.SAE870716

6 LarssonL,BrobergL,JansonCE.AZonalMethodforPredictingExternalAutomobileAerodynamics.

SAE910595

7 谷正气.汽车车身外流场的数值计算与应用研究:[博士论文].长沙:湖南大学机械系,1994