基于HyperWorks某廂式列車外氣動性能分析

1、.基于HyperWorks某廂式列車外氣動性能分析-汽車基于HyperWorks某廂式列車外氣動性能分析 張晨陜西重型汽車進出口有限公司 陜西西安 710200摘要：為提高某廂式列車的空氣動力學(xué)性能，利用Altair公司有限元軟件HyperWorks中的Virtual Wind Tunnel工具進行某廂式列車外流場分析。相較于傳統(tǒng)CFD分析軟件，VirtualWind Tunnel采用流程化定制，能夠避免很多其他因素干擾。根據(jù)最終分析結(jié)果，提出通過增加導(dǎo)流罩來優(yōu)化整車外氣動性能。結(jié)果表明：增加導(dǎo)流裝置后整車風(fēng)阻系數(shù)較原來有顯著降低，該方法為廂式列車氣動性能優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：Virt

2、ualWind Tunnel 廂式列車 氣動性能 流程化 優(yōu)化中國分類號：U4 61.1文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1004-0226(2015)11-0102-04第一作者張晨，男，1986年生，助理工程師，從事車輛整車設(shè)計。1引言近年來，全世界的汽車制造商都依賴于耗時的風(fēng)洞試驗和計算流體動力學(xué)(CFD)仿真來研究汽車的空氣動力學(xué)性能。今天，快速的計算機系統(tǒng)和尖端的數(shù)值方法允許人們在短時間內(nèi)研究復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)。在汽車的研發(fā)過程中，風(fēng)洞試驗仍然是個不可或缺的過程，同時CFD風(fēng)洞仿真也越來越受歡迎，它的運用大大減小了實際所需的風(fēng)洞試驗次數(shù)。完成汽車風(fēng)洞試驗仿真不是一個簡單的任務(wù)。從模型的準(zhǔn)備，到網(wǎng)格

3、劃分和CFD模型的建立，最后到計算和后處理，整個工作流程復(fù)雜且耗時。汽車外流場仿真的特點是：幾何復(fù)雜（如發(fā)動機艙）、邊界條件（如旋轉(zhuǎn)輪胎和滑移地面）不穩(wěn)定，而且流場十分紊亂，特別是在汽車的尾部。在這種背景下，流程定制化的環(huán)境、可靠的精確性，以及可擴展和穩(wěn)健的CFD求解器，將成為未來風(fēng)洞仿真的主流方式。本文利用Altair公司高度流程定制化的CFD工具Virtual Wind Tunnel對某廂式列車進行整車外流場CFD模擬，并通過增加車輛輔助裝置對其外氣動性能進行優(yōu)化，優(yōu)化后該車型整車風(fēng)阻系數(shù)有明顯降低，為整車降油耗提供設(shè)計方向。2 VirtualWind Tunne簡介Virtual Win

4、d Tunnel的核心技術(shù)是Altair先進的計算流體動力學(xué)(CFD)求解器-AcuSolve。它是一款通用的、基于有限元技術(shù)的CFD求解器，因而在求解速度、可擴展性、精確性和穩(wěn)健性方面有著獨特的優(yōu)勢。AcuSolve采用雷諾平均Navier-Stokes(RANS)和分離渦(DES)技術(shù)來模擬湍流，預(yù)測流場和流動分離。Virtual Wind Tunnel用戶界面友好直觀，一體化的操作環(huán)境及高度自動化的仿真過程，使得用戶不容易犯錯而影響仿真結(jié)果，整個界面如圖1所示。 3虛擬風(fēng)洞建立及計算設(shè)定3.1網(wǎng)格劃分為了研究整車的外氣動性能，需要盡可能地保留該型車的所有特征，然后以帶頂、側(cè)導(dǎo)流罩的整車模

5、型為例進行前處理及風(fēng)洞模型的建立。計算中保留了駕駛室對外氣動影響較大的所有細節(jié)特征，包括雨刮器、后視鏡、遮陽罩、擋泥板、進氣格柵等復(fù)雜部件；為了提高計算效率，對外氣動敏感度影響較小的部件，如動力系統(tǒng)部件、車架底盤系統(tǒng)等進行包面處理，冷凝器、中冷器和散熱器用多孔介質(zhì)理論建立其模型，簡化發(fā)動機艙內(nèi)的油管、水管、螺釘螺母等部件，有效減少網(wǎng)格數(shù)量，大幅縮減計算時間。對于面網(wǎng)格，流體計算中一般選用三角形網(wǎng)格。三角形網(wǎng)格是二維空間中最簡單的形狀，任何二維空間區(qū)域都可以被三角形填充，適應(yīng)性好。本次計算中，前處理工具為Altair公司HyperWorks仿真平臺的HypcrMcsh，利用HypcrMesh對最

6、終的車型幾何進行面網(wǎng)格劃分，根據(jù)零部件的特征大小選擇不同尺寸的網(wǎng)格尺寸，對于保持細節(jié)的位置需要局部加密，廂式列車面網(wǎng)格模型如圖2所示。3.2虛擬風(fēng)洞建立整車面網(wǎng)格模型建立之后，將網(wǎng)格模型以nas格式從HyperMesh中導(dǎo)出，然后導(dǎo)入到Virtual Wind Tunnel中，對其進行外流場分析。在分析之前，首先需要定義虛擬風(fēng)洞。 圖3為虛擬風(fēng)洞在Virtual Wind Tunnel中進行的定義。虛擬風(fēng)洞一般采用規(guī)則的長方體，確立的原則是外流場不會對發(fā)動機艙內(nèi)流產(chǎn)生影響，防止風(fēng)洞試驗中的阻塞效應(yīng)，車身的橫截面積不能超過進風(fēng)面的5%，同時要考慮到卡車尾部的湍流影響巾，而且在滿足設(shè)計要求的條件下

7、需要提高計算效率。根據(jù)這一原則，一般在CFD軟件中，設(shè)置車頭前端空間取4倍車長，車尾后端空間取8倍車長，車項上部空間取6倍車高，車身兩側(cè)空間分別取5倍車寬?？紤]到廂式列車牽引車廂很長，同時為了減小風(fēng)洞的阻塞效應(yīng)，該廂式列車前部取Ls為2倍車長，尾部流場較復(fù)雜，故取5倍車長，上部留6倍車高，左右各5倍車寬，根據(jù)整車長度LT(16m)、寬(2.5 m)、高H (4.2 m)，定義風(fēng)洞的尺寸；汽車在行駛過程中，輪胎有一定的彈性變形，實際車輪和地面的接觸是一個面；為了模擬車輛行駛真實情況以及加速計算收斂，將地面和輪胎相交的部分用平板封閉，細節(jié)部分如圖4所示。 3.3邊界條件的設(shè)定在進行廂式列車外流場的

8、數(shù)值模擬過程中，必須對車輛的關(guān)鍵部件進行邊界設(shè)定。車輛散熱模塊的散熱器、中冷器等按照多孔介質(zhì)來處理，具體參數(shù)根據(jù)圖5、圖6所示該車型散熱器和中冷器的壓降試驗數(shù)據(jù)獲得。將該型車的底盤車輪及掛車車輪都定義為旋轉(zhuǎn)車輪，車速定義為100 km/h(約28 m/s)。除了熱交換器和發(fā)動機外，其余部件都定義邊界層（層數(shù)為3層），如圖7所示。 3.4定義加密區(qū)域及計算設(shè)定汽車尾流區(qū)是一個非常大的湍流流動區(qū)域，該區(qū)域空氣流動形成渦狀，流動速度變化范圍大。在汽車前后區(qū)域、汽車尾部區(qū)域、汽車底部接地區(qū)域及汽車周圍對網(wǎng)格進行加密處理。這樣的網(wǎng)格可以保證其更好地對汽車周圍的氣流流動進行模擬，得到更加精確的數(shù)值模擬結(jié)果

9、，這里進行3層加密井定義加密單元尺寸為5 mm，如圖8所示。在提交計算之前，首先進行各項設(shè)置：包括來流速度、計算類型、計算步數(shù)、是否為移動地面、是否車輪旋轉(zhuǎn)、網(wǎng)格細密程度、邊界層數(shù)等，如圖9所示。 4原型車CFD計算結(jié)果分析本文中分析對象原型車駕駛室后圍與車廂距離為1 200 mm，沒有駕駛室導(dǎo)流罩等輔助氣動裝置。通過Virtual Wind Tunnel工具求得該廂式列車風(fēng)阻系數(shù)Cd=0.654。圖10為該模型表面壓力等值云圖。由于汽車車身表面壓力分布與汽車外形有著非常緊密的聯(lián)系，重型貨車總的氣動阻力的50%都來自于壓差阻力，所以車身表面的壓力分布好壞直接影響到整車的氣動阻力。如果正壓區(qū)或者

10、負壓區(qū)壓力絕對值過高，則意味著壓強梯度大，正壓區(qū)壓強梯度大表示該區(qū)域平均壓強大、流動能量損失大；負壓區(qū)壓強梯度大表示該區(qū)域平均壓強低、流動能量損失大，兩者相互作用的結(jié)果就是氣動阻力大。 從圖10可知，該廂式列車保險杠、駕駛室前面罩、擋風(fēng)玻璃以及車廂迎風(fēng)臺階處正壓力較大，這是由于這些區(qū)域都是直接承受汽車迎面流體的沖擊，它們也是構(gòu)成氣動阻力的主要因素。而在駕駛室A柱、駕駛室頂部與遮陽板交界處，車廂前方的頂角與側(cè)壁，由于氣流分離，使得這些區(qū)域為負壓區(qū)，首先這些區(qū)域的氣流分離會造成漩渦的生成、旋轉(zhuǎn)及脫落，由此消耗大量的能量，增大汽車的氣動阻力；其次，這些部位的負壓區(qū)將使作用在整車上的氣動升力增大，從某

11、種程度上影響車輛的行駛穩(wěn)定性。5整車外氣動阻力特性的改進通過對原始車型的分析，可以發(fā)現(xiàn)駕駛室前端及車廂迎風(fēng)臺階處表面壓力較大，且車廂頂部位置有氣流分離區(qū)域，由于駕駛室不能更改，我們只能考慮駕駛室與車廂之間的位置進行車輛外氣動性能的提升，這就需通過增加輔助裝置來改善該位置的流場，以達到改善該牽引車的外氣動特性的目的。文中利用國內(nèi)外相對成熟的4種導(dǎo)流輔助裝置，進行整車氣動阻力特性的改進。下面通過在廂式列車不同位置依次加裝如圖11所示這4種導(dǎo)流裝置，研究其廂式列車氣動性能的優(yōu)化情況。表1為4種不同輔助裝置的氣動阻力系數(shù)計算結(jié)果。 從表1中可以看出，最后一種輔助裝置組臺，風(fēng)阻系數(shù)最小，較原型車風(fēng)阻系數(shù)

12、下降了0.113，降幅達到17.28%，下面重點分析該輔助裝置組合的流場特性。圖12為該狀態(tài)下廂式列車表面壓力等值云圖。未加裝導(dǎo)流輔助裝置之前，前方氣流經(jīng)過駕駛室頂部以后，遇到車廂高于駕駛室的臺階，氣流直接沖擊到?jīng)]有任何流線型的車廂上面，使氣流形成阻滯作用，在車廂和駕駛室之間會形成一個大尺度的漩渦。這是日本武藤真理提出的“折射不足”現(xiàn)象。加裝頂導(dǎo)流后，由于前方氣流從駕駛室頂部向后流動過程中，經(jīng)過導(dǎo)流罩的導(dǎo)流作用，順暢地流過車廂頂部， “折射不足”現(xiàn)象得到有效改善，車廂前部的高壓區(qū)域消失，氣流能量的損耗減少；在駕駛室后增加側(cè)導(dǎo)流板，相當(dāng)于縮短了駕駛室與車廂之間的距離，可以有效降低駕駛室與車廂間渦流產(chǎn)生的幾率；此外，如果控制側(cè)面整流裝置的角度，可以避免氣流經(jīng)過駕駛室后直接沖擊到汽車車廂上，車廂露在駕駛室以外的部分，某種程度上是對導(dǎo)流罩的一種補充。在車廂前端加裝有弧度的導(dǎo)流罩，使得車廂側(cè)壁的氣流分離可以有效減少，一定程度上也是減小其負壓區(qū)域；在該廂式列車尾端加裝一個“鏟型”導(dǎo)流裝置，除導(dǎo)流外還可以有效減小湍流，減小車廂尾部氣流形成的負壓區(qū)域。所有這些措施的組合，最終有效地降低了整車的氣動