汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)解析教程修訂版

汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)解析教程修訂版第1頁(yè)/共93頁(yè)目錄車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算概論基于STAR-CCM+的車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)解析過(guò)程解析用數(shù)據(jù)準(zhǔn)備幾何數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與導(dǎo)入Mesh生成物理模型與邊界條件設(shè)定輸出設(shè)定（Cd,Cl等）解析執(zhí)行與結(jié)果評(píng)價(jià)方法第2頁(yè)/共93頁(yè)Ⅰ．車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算概論車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算中具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)是：Cd值，Cl值及Cp值。Cd值，風(fēng)阻系數(shù)Cl值，

升力系數(shù)Cp值，壓力系數(shù)車(chē)輛周邊流場(chǎng)，車(chē)輛底部空間（underbody）與車(chē)輛尾部的流場(chǎng)具有強(qiáng)非定常特性（圖示中綠色區(qū)域）．RANS模型對(duì)漩渦運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)不能很好的捕捉．所以在對(duì)求解精度有高要求的時(shí)候，使用DES模型進(jìn)行非定常計(jì)算是必要的．第3頁(yè)/共93頁(yè)Ⅰ．車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算概論車(chē)身阻力系數(shù)含義說(shuō)明：

第4頁(yè)/共93頁(yè)Ⅰ．車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算概論壓力系數(shù)含義說(shuō)明：

第5頁(yè)/共93頁(yè)Ⅰ．車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算概論Cd值，定常計(jì)算也可以獲得較好的精度．雖然車(chē)輛尾部的流場(chǎng)是非定常的，但使用定常計(jì)算也可獲得5%的精度一般，在調(diào)整解析參數(shù)前，結(jié)果可能偏高影響Cd值的因素車(chē)輛前方的壓力分布車(chē)輛的來(lái)流速度分布（profile）車(chē)輛后方的壓力分布車(chē)輛上方產(chǎn)生的流動(dòng)分離，對(duì)尾部流場(chǎng)的影響汽車(chē)底部的流體產(chǎn)生的分離，對(duì)尾部流場(chǎng)的影響流經(jīng)兩側(cè)的流場(chǎng)情況，對(duì)尾部流場(chǎng)的影響后視鏡與車(chē)輪等引起的擾動(dòng)，對(duì)尾部流場(chǎng)的影響風(fēng)洞數(shù)據(jù)存在的誤差相關(guān)的討論

車(chē)輛尾部的流場(chǎng)是變化的，車(chē)輛前后的壓差也是變化的，通過(guò)underbody的風(fēng)量是變化的，需要關(guān)注的是，①車(chē)輛上方的流場(chǎng)，②車(chē)輛側(cè)方及后視鏡與車(chē)輪附近的流場(chǎng)，③underbody附近的流場(chǎng)。第6頁(yè)/共93頁(yè)Ⅰ．車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算概論Cl值，適于用非定常計(jì)算來(lái)評(píng)價(jià)．影響Cl的因素：車(chē)輛上方的壓力分布車(chē)輛上方的流場(chǎng)分布車(chē)輛下方的壓力分布underbody附近的流場(chǎng)分布underbody的形狀一般比較復(fù)雜，流動(dòng)較亂，漩渦比較多通過(guò)underbody的風(fēng)量，對(duì)尾部流場(chǎng)影響很大第7頁(yè)/共93頁(yè)Ⅰ．車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算概論影響車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算的其他因素解析的邊界條件與試驗(yàn)條件一致性風(fēng)洞條件OpencrosssectionBlockagecorrectionfactor（=車(chē)輛投影面積/風(fēng)洞入口面積） 如果該比值小于3%，這樣可以不考慮風(fēng)洞的影響。但通常真實(shí)試驗(yàn)情況下，該值達(dá)到10%的程度。若在解析中不考慮風(fēng)洞的影響，則需要注意解析與試驗(yàn)結(jié)果的差異．地面條件地面是否移動(dòng)車(chē)輛形狀門(mén)把手，側(cè)窗上面的細(xì)節(jié)可能產(chǎn)生流動(dòng)分離。所以必須考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ团cCFD模型在幾何上的差別有多大。第8頁(yè)/共93頁(yè)Ⅰ．車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算概論計(jì)算需要獲得的典型結(jié)果及評(píng)價(jià)辦法Cd值，Cl值，Cp值Wake(TotalPressureCoef.=0的等值面）分離位置的顯示流速分布?jí)毫Ψ植糡ransientVmagAveragedVmagAverageCpTransientMultiSection第9頁(yè)/共93頁(yè)目錄車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算概論基于STAR-CCM+的車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)解析過(guò)程0.幾何數(shù)據(jù)準(zhǔn)備1.讀入幾何數(shù)據(jù)2.幾何模型準(zhǔn)備3.面網(wǎng)格生成（SurfaceWrapper）4.面網(wǎng)格生成（SurfaceRemesher）5.體網(wǎng)格生成6.解析設(shè)定7.求解8.后處理第10頁(yè)/共93頁(yè)0.幾何數(shù)據(jù)準(zhǔn)備風(fēng)洞條件風(fēng)洞形狀邊界條件（流速，壓力，地面）車(chē)輛形狀數(shù)據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)是否使用全尺寸，全細(xì)節(jié)模型是否有對(duì)CAD數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那闆r（對(duì)車(chē)門(mén)等處間隙的處理有無(wú)）風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果Cd值Cl值Cp值是否有油流或PIV試驗(yàn)的可視化數(shù)據(jù)等第11頁(yè)/共93頁(yè)從CAD部件輸出面網(wǎng)格，如STL。部分幾何需要簡(jiǎn)化。數(shù)據(jù)分類(lèi)將CAD數(shù)據(jù)大致分為以下幾類(lèi)：車(chē)身上表面格柵車(chē)輪車(chē)身下表面影響氣流分離的一些其它幾何部件（如支柱、擾流板、后視鏡等）在CAD里完成分類(lèi)后，在STAR-CCM+里處理起來(lái)會(huì)省下不少工作量。使用STAR-CCM+讀入各STL數(shù)據(jù)。第12頁(yè)/共93頁(yè)單擊[File]>[NewSimulation]。[CreateaNewSimulation]對(duì)話框出現(xiàn)。選擇單線程[Serial]。單擊[OK]。1Tips!需要并行處理時(shí)，選擇[Parallel]。2341.讀入幾何數(shù)據(jù)第13頁(yè)/共93頁(yè)①-②單擊[File]>[ImportSurface]。出現(xiàn)[打開(kāi)]對(duì)話框。④-⑤選擇文件[star.dbs]，點(diǎn)擊

[打開(kāi)]。出現(xiàn)[CreateNewRegion]對(duì)話框。點(diǎn)擊[OK]。2134567第14頁(yè)/共93頁(yè)幾何視圖顯示透明幾何視圖顯示第15頁(yè)/共93頁(yè)2.幾何模型準(zhǔn)備重命名讀入的幾何數(shù)據(jù)讀入的CAD幾何數(shù)據(jù)（以STL格式為例），文件會(huì)自動(dòng)命名為類(lèi)似“pro2stl”的Boundaries，將它們分別進(jìn)行重命名。將每個(gè)Boundary重命名為便于識(shí)別的名稱(chēng)。第16頁(yè)/共93頁(yè)邊界分割將讀入的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行更詳細(xì)的邊界分割，分割的目的在于方便將來(lái)為不同的邊界定義不同的網(wǎng)格尺寸、邊界層參數(shù)、防接觸設(shè)定、邊界條件等。第17頁(yè)/共93頁(yè)利用patch分割邊界讀入數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)文件都有不同的patch編號(hào)。第18頁(yè)/共93頁(yè)手動(dòng)分割選擇單元（按住Ctrl復(fù)選其它單元）第19頁(yè)/共93頁(yè)1選擇面拓展方式45SharpAngles指定面拓展的打斷方式23手動(dòng)分割第20頁(yè)/共93頁(yè)肉眼觀察通過(guò)肉眼觀察讀入的幾何表面，找到諸如格柵部件、雨刷安裝孔、管路開(kāi)口等一些比較明顯的未封閉計(jì)算域邊界，準(zhǔn)備進(jìn)行修補(bǔ)工作。第21頁(yè)/共93頁(yè)使用間隔在25～50mm間的截面來(lái)檢查創(chuàng)建2維截面大孔，有間隙的地方格柵部件發(fā)動(dòng)機(jī)底部車(chē)門(mén)等部件間較大的間隙第22頁(yè)/共93頁(yè)截面生成第23頁(yè)/共93頁(yè)截面顯示第24頁(yè)/共93頁(yè)改變截面位置值在0.025～0.05之間變化第25頁(yè)/共93頁(yè)封閉較大的洞和間隙由于采用包面（SurfaceWrapper）技術(shù)，較小的洞并不需要都封閉。注意：下面以縫補(bǔ)輪轂上的洞為例來(lái)講解補(bǔ)洞操作，實(shí)際模型中輪轂上的洞可能并不需要封閉。第26頁(yè)/共93頁(yè)使用特征線來(lái)封閉洞的方法生成特征線第27頁(yè)/共93頁(yè)使用特征線來(lái)封閉洞的方法刪除多余的特征線2刪除多余的特征線第28頁(yè)/共93頁(yè)使用特征線來(lái)封閉洞的方法封閉洞第29頁(yè)/共93頁(yè)使用特征線來(lái)封閉洞的方法合并邊界刪除特征線第30頁(yè)/共93頁(yè)使用修補(bǔ)工具修補(bǔ)洞診斷第31頁(yè)/共93頁(yè)使用修補(bǔ)工具自由邊修補(bǔ)洞選擇含有洞的邊界1關(guān)閉顯示2選擇邊界34第32頁(yè)/共93頁(yè)使用修補(bǔ)工具自由邊修補(bǔ)洞選擇自由邊3用鼠標(biāo)選擇4選擇自由邊單擊右鍵第33頁(yè)/共93頁(yè)使用修補(bǔ)工具自由邊修補(bǔ)洞封閉洞第34頁(yè)/共93頁(yè)使用修補(bǔ)工具采用鼠標(biāo)填補(bǔ)方法用鼠標(biāo)選擇第35頁(yè)/共93頁(yè)此例中，采用鼠標(biāo)填補(bǔ)方法的修補(bǔ)工具，封閉格柵部件、發(fā)動(dòng)機(jī)底部及車(chē)頭底部的漏洞和縫隙。封閉格柵漏洞封閉發(fā)動(dòng)機(jī)底部漏洞第36頁(yè)/共93頁(yè)3.面網(wǎng)格生成（SurfaceWrapper）使用star-ccm+的包面（SurfaceWrapper）功能，可以快速地修復(fù)幾何數(shù)據(jù)的表面干涉、重疊、搭接、錯(cuò)配、漏洞、縫隙等錯(cuò)誤，得到一套封閉的汽車(chē)外形表面，用于外流模擬。第37頁(yè)/共93頁(yè)網(wǎng)格模型的設(shè)定選擇SurfaceWrapper網(wǎng)格模型。第38頁(yè)/共93頁(yè)網(wǎng)格模型的設(shè)定將Region1的包面方式選為最大外表面。第39頁(yè)/共93頁(yè)網(wǎng)格尺寸的設(shè)定設(shè)定Mesh:Region1的網(wǎng)格尺寸。第40頁(yè)/共93頁(yè)漏洞檢測(cè)工具的使用在包面操作開(kāi)始前，雖然幾何表面經(jīng)過(guò)了檢查和修補(bǔ)，可能還存在一些比較大的洞和縫隙，用之前的方法沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，還可以使用漏洞檢測(cè)工具進(jìn)行更加詳細(xì)地檢測(cè)。第41頁(yè)/共93頁(yè)漏洞檢測(cè)工具的使用這里通過(guò)檢測(cè)乘員艙內(nèi)外的連通性來(lái)演示漏洞檢測(cè)工具的用法。首先，將SourcePoint的位置拖動(dòng)到乘員艙內(nèi)部；然后，將TargetPoint1的位置拖動(dòng)到車(chē)體外部。第42頁(yè)/共93頁(yè)漏洞檢測(cè)工具的使用定義完SourcePoint和TargetPoint1的位置后，點(diǎn)擊RecomputeTemplate+Paths，可以在輸出窗口看到顯示信息。檢測(cè)進(jìn)程完成后，在輸出窗口中顯示如下內(nèi)容，說(shuō)明在乘員艙內(nèi)外部之間存在一條連接通路，也就說(shuō)明了汽車(chē)外形內(nèi)外兩側(cè)之間有漏洞。黃色線表示漏洞通過(guò)的路徑第43頁(yè)/共93頁(yè)漏洞檢測(cè)工具的使用將工具欄切換到RepairSurface，采用鼠標(biāo)填補(bǔ)方法，修補(bǔ)黃線通過(guò)的這個(gè)縫隙。修補(bǔ)完成后，點(diǎn)擊RecomputePaths，重新計(jì)算，知道輸出窗口顯示如下內(nèi)容，說(shuō)明無(wú)法在汽車(chē)內(nèi)外部之間找到一條連接通路，也就說(shuō)明了汽車(chē)外形是個(gè)封閉的空間。第44頁(yè)/共93頁(yè)ContactPrevention（防接觸）設(shè)定包面操作時(shí)，可能會(huì)將原本互相分離的部件部分粘貼在一起，為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，需要設(shè)定各個(gè)部件之間的防接觸。無(wú)防接觸，車(chē)身部件和排氣管粘貼在一起有防接觸車(chē)身部件排氣管第45頁(yè)/共93頁(yè)ContactPrevention（防接觸）設(shè)定設(shè)定各部件之間為8mm的防接觸。意味著當(dāng)兩個(gè)部件的間距大于8mm時(shí)，包面時(shí)會(huì)將兩個(gè)部件嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)來(lái)不會(huì)粘貼在一起。第46頁(yè)/共93頁(yè)執(zhí)行包面點(diǎn)擊GenerateSurfaceMesh按鈕，對(duì)Region1進(jìn)行包面。檢查結(jié)果包面完成后，通過(guò)透明顯示、截面等方式檢查結(jié)果，確保得到的結(jié)果是一個(gè)封閉的汽車(chē)外形表面。第47頁(yè)/共93頁(yè)檢查結(jié)果檢查Representations節(jié)點(diǎn)下新生成的WrappedSurface表面，確保除了“PoorQualityFaces”和“CloseProximityFaces”兩項(xiàng)外別的都為0。第48頁(yè)/共93頁(yè)刪除Import的幾何數(shù)據(jù)將Representations節(jié)點(diǎn)下的Import表面刪除掉，以完成了對(duì)Region1區(qū)域包面的結(jié)果作為下面操作的開(kāi)始。第49頁(yè)/共93頁(yè)生成計(jì)算域外部空間SlipWallNo-SlipWall略高于輪胎底面第50頁(yè)/共93頁(yè)生成計(jì)算域外部空間分類(lèi)、合并新生成的面刪除不需要的面Boundary重命名0-Inlet0-SlipGround0-NoSlipGround0-Pressure0-Wall刪除中間2個(gè)不需要的面把中間的FreeEdge縫合上第51頁(yè)/共93頁(yè)處理地面和輪胎的相交做出地面和輪胎的交線刪除不需要的面做出交線刪除不需要的面輪胎與地面交接處第52頁(yè)/共93頁(yè)網(wǎng)格模型的設(shè)定修改網(wǎng)格模型，反選SurfaceWrapper模型，選中SurfaceRemesher模型4.面網(wǎng)格生成（SurfaceRemesher）第53頁(yè)/共93頁(yè)網(wǎng)格尺寸的設(shè)定主流體區(qū)域因?yàn)榘笮∠嗖詈軕沂獾拿妫孕枰匦略O(shè)定網(wǎng)格尺寸將主流體區(qū)域網(wǎng)格模型里的BaseSize改為0.1m第54頁(yè)/共93頁(yè)網(wǎng)格尺寸的設(shè)定對(duì)每個(gè)Boundary設(shè)定合適的網(wǎng)格尺寸打開(kāi)CustomSurfaceSize，設(shè)定合適的RelativeMinimumSize和RelativeTargetSizeBoundariesRelativeMinimumSizeRelativeTargetSize1-Exterior_Surface25%60%1-Tires15%30%2-Interior_Surface25%60%2-New_Patches25%60%2-Underpanels25%60%計(jì)算域外部空間面25%1000%第55頁(yè)/共93頁(yè)第56頁(yè)/共93頁(yè)面網(wǎng)格修復(fù)刪除掉Representations節(jié)點(diǎn)下的WrappedSurface子節(jié)點(diǎn)，只保留RemeshedSurface。第57頁(yè)/共93頁(yè)面網(wǎng)格修復(fù)檢查面網(wǎng)格錯(cuò)誤第58頁(yè)/共93頁(yè)面網(wǎng)格修復(fù)手工修復(fù)這18個(gè)錯(cuò)誤表面，或者直接點(diǎn)擊下面的AutoRepair自動(dòng)修復(fù)。第59頁(yè)/共93頁(yè)網(wǎng)格模型的設(shè)定修改網(wǎng)格模型，反選SurfaceRemesher模型，選中Trimmer模型和PrismLayerMesher模型5.體網(wǎng)格生成第60頁(yè)/共93頁(yè)網(wǎng)格模型的設(shè)定調(diào)整邊界層的設(shè)定方式第61頁(yè)/共93頁(yè)網(wǎng)格尺寸的設(shè)定網(wǎng)格尺寸第62頁(yè)/共93頁(yè)網(wǎng)格尺寸的設(shè)定關(guān)閉0-inlet、0-outlet、0-top和0-side四個(gè)面上的邊界層網(wǎng)格生成。第63頁(yè)/共93頁(yè)體積網(wǎng)格密度的生成第64頁(yè)/共93頁(yè)體積網(wǎng)格密度的生成實(shí)際計(jì)算時(shí)，還應(yīng)該在汽車(chē)尾跡區(qū)以及流動(dòng)分離的區(qū)域如后視鏡后側(cè)等設(shè)置體積網(wǎng)格密度，分別加密這些區(qū)域。此例鑒于方法講解，就不加密生成過(guò)多數(shù)目的網(wǎng)格了。第65頁(yè)/共93頁(yè)體積網(wǎng)格密度的設(shè)定設(shè)定體積網(wǎng)格密度的加密尺寸。第66頁(yè)/共93頁(yè)體網(wǎng)格生成第67頁(yè)/共93頁(yè)物理模型的設(shè)定Space 3維Motion

靜止

Time

定常Material 氣體Flow 分離解算器EquationofState定常密度ViscousRegime 湍流Reynolds-AveragedTurbulence k-Omega湍流模型（推薦）其它選項(xiàng)網(wǎng)格質(zhì)量改善6.解析設(shè)定第68頁(yè)/共93頁(yè)物性參數(shù)和初始值的設(shè)定初始速度設(shè)定物性參數(shù)設(shè)定第69頁(yè)/共93頁(yè)速度入口設(shè)定第70頁(yè)/共93頁(yè)圧力出口設(shè)定第71頁(yè)/共93頁(yè)滑移壁面設(shè)定相同設(shè)定第72頁(yè)/共93頁(yè)投影面積第73頁(yè)/共93頁(yè)投影面積第74頁(yè)/共93頁(yè)Cd第75頁(yè)/共93頁(yè)Cl第76頁(yè)/共93頁(yè)設(shè)定Cd、Cl的Monitor和Plot第77頁(yè)/共93頁(yè)FieldFunction設(shè)定Cp第78頁(yè)/共93頁(yè)7.求解設(shè)定最大計(jì)算步數(shù)或其它計(jì)算終止判據(jù)第79頁(yè)/共93頁(yè)為了計(jì)算的穩(wěn)定性，刪除部分質(zhì)量比較差的單元。第80頁(yè)/共93頁(yè)創(chuàng)建顯示結(jié)果的Scene壓力云圖Cp云圖