汽車空氣動力學解析教程修訂版

汽車空氣動力學解析教程修訂版第1頁/共93頁目錄車輛空氣動力學計算概論基于STAR-CCM+的車輛空氣動力學解析過程解析用數(shù)據(jù)準備幾何數(shù)據(jù)準備與導入Mesh生成物理模型與邊界條件設定輸出設定（Cd,Cl等）解析執(zhí)行與結果評價方法第2頁/共93頁Ⅰ．車輛空氣動力學計算概論車輛空氣動力學計算中具有代表性的評價指標是：Cd值，Cl值及Cp值。Cd值，風阻系數(shù)Cl值，

升力系數(shù)Cp值，壓力系數(shù)車輛周邊流場，車輛底部空間（underbody）與車輛尾部的流場具有強非定常特性（圖示中綠色區(qū)域）．RANS模型對漩渦運動的細節(jié)不能很好的捕捉．所以在對求解精度有高要求的時候，使用DES模型進行非定常計算是必要的．第3頁/共93頁Ⅰ．車輛空氣動力學計算概論車身阻力系數(shù)含義說明：

第4頁/共93頁Ⅰ．車輛空氣動力學計算概論壓力系數(shù)含義說明：

第5頁/共93頁Ⅰ．車輛空氣動力學計算概論Cd值，定常計算也可以獲得較好的精度．雖然車輛尾部的流場是非定常的，但使用定常計算也可獲得5%的精度一般，在調整解析參數(shù)前，結果可能偏高影響Cd值的因素車輛前方的壓力分布車輛的來流速度分布（profile）車輛后方的壓力分布車輛上方產(chǎn)生的流動分離，對尾部流場的影響汽車底部的流體產(chǎn)生的分離，對尾部流場的影響流經(jīng)兩側的流場情況，對尾部流場的影響后視鏡與車輪等引起的擾動，對尾部流場的影響風洞數(shù)據(jù)存在的誤差相關的討論

車輛尾部的流場是變化的，車輛前后的壓差也是變化的，通過underbody的風量是變化的，需要關注的是，①車輛上方的流場，②車輛側方及后視鏡與車輪附近的流場，③underbody附近的流場。第6頁/共93頁Ⅰ．車輛空氣動力學計算概論Cl值，適于用非定常計算來評價．影響Cl的因素：車輛上方的壓力分布車輛上方的流場分布車輛下方的壓力分布underbody附近的流場分布underbody的形狀一般比較復雜，流動較亂，漩渦比較多通過underbody的風量，對尾部流場影響很大第7頁/共93頁Ⅰ．車輛空氣動力學計算概論影響車輛空氣動力學計算的其他因素解析的邊界條件與試驗條件一致性風洞條件OpencrosssectionBlockagecorrectionfactor（=車輛投影面積/風洞入口面積） 如果該比值小于3%，這樣可以不考慮風洞的影響。但通常真實試驗情況下，該值達到10%的程度。若在解析中不考慮風洞的影響，則需要注意解析與試驗結果的差異．地面條件地面是否移動車輛形狀門把手，側窗上面的細節(jié)可能產(chǎn)生流動分離。所以必須考慮試驗模型與CFD模型在幾何上的差別有多大。第8頁/共93頁Ⅰ．車輛空氣動力學計算概論計算需要獲得的典型結果及評價辦法Cd值，Cl值，Cp值Wake(TotalPressureCoef.=0的等值面）分離位置的顯示流速分布壓力分布TransientVmagAveragedVmagAverageCpTransientMultiSection第9頁/共93頁目錄車輛空氣動力學計算概論基于STAR-CCM+的車輛空氣動力學解析過程0.幾何數(shù)據(jù)準備1.讀入幾何數(shù)據(jù)2.幾何模型準備3.面網(wǎng)格生成（SurfaceWrapper）4.面網(wǎng)格生成（SurfaceRemesher）5.體網(wǎng)格生成6.解析設定7.求解8.后處理第10頁/共93頁0.幾何數(shù)據(jù)準備風洞條件風洞形狀邊界條件（流速，壓力，地面）車輛形狀數(shù)據(jù)風洞試驗時是否使用全尺寸，全細節(jié)模型是否有對CAD數(shù)據(jù)的簡化試驗模型的情況（對車門等處間隙的處理有無）風洞試驗結果Cd值Cl值Cp值是否有油流或PIV試驗的可視化數(shù)據(jù)等第11頁/共93頁從CAD部件輸出面網(wǎng)格，如STL。部分幾何需要簡化。數(shù)據(jù)分類將CAD數(shù)據(jù)大致分為以下幾類：車身上表面格柵車輪車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里完成分類后，在STAR-CCM+里處理起來會省下不少工作量。使用STAR-CCM+讀入各STL數(shù)據(jù)。第12頁/共93頁單擊[File]>[NewSimulation]。[CreateaNewSimulation]對話框出現(xiàn)。選擇單線程[Serial]。單擊[OK]。1Tips!需要并行處理時，選擇[Parallel]。2341.讀入幾何數(shù)據(jù)第13頁/共93頁①-②單擊[File]>[ImportSurface]。出現(xiàn)[打開]對話框。④-⑤選擇文件[star.dbs]，點擊

[打開]。出現(xiàn)[CreateNewRegion]對話框。點擊[OK]。2134567第14頁/共93頁幾何視圖顯示透明幾何視圖顯示第15頁/共93頁2.幾何模型準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），文件會自動命名為類似“pro2stl”的Boundaries，將它們分別進行重命名。將每個Boundary重命名為便于識別的名稱。第16頁/共93頁邊界分割將讀入的幾何數(shù)據(jù)進行更詳細的邊界分割，分割的目的在于方便將來為不同的邊界定義不同的網(wǎng)格尺寸、邊界層參數(shù)、防接觸設定、邊界條件等。第17頁/共93頁利用patch分割邊界讀入數(shù)據(jù)時，每個文件都有不同的patch編號。第18頁/共93頁手動分割選擇單元（按住Ctrl復選其它單元）第19頁/共93頁1選擇面拓展方式45SharpAngles指定面拓展的打斷方式23手動分割第20頁/共93頁肉眼觀察通過肉眼觀察讀入的幾何表面，找到諸如格柵部件、雨刷安裝孔、管路開口等一些比較明顯的未封閉計算域邊界，準備進行修補工作。第21頁/共93頁使用間隔在25～50mm間的截面來檢查創(chuàng)建2維截面大孔，有間隙的地方格柵部件發(fā)動機底部車門等部件間較大的間隙第22頁/共93頁截面生成第23頁/共93頁截面顯示第24頁/共93頁改變截面位置值在0.025～0.05之間變化第25頁/共93頁封閉較大的洞和間隙由于采用包面（SurfaceWrapper）技術，較小的洞并不需要都封閉。注意：下面以縫補輪轂上的洞為例來講解補洞操作，實際模型中輪轂上的洞可能并不需要封閉。第26頁/共93頁使用特征線來封閉洞的方法生成特征線第27頁/共93頁使用特征線來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/共93頁使用特征線來封閉洞的方法封閉洞第29頁/共93頁使用特征線來封閉洞的方法合并邊界刪除特征線第30頁/共93頁使用修補工具修補洞診斷第31頁/共93頁使用修補工具自由邊修補洞選擇含有洞的邊界1關閉顯示2選擇邊界34第32頁/共93頁使用修補工具自由邊修補洞選擇自由邊3用鼠標選擇4選擇自由邊單擊右鍵第33頁/共93頁使用修補工具自由邊修補洞封閉洞第34頁/共93頁使用修補工具采用鼠標填補方法用鼠標選擇第35頁/共93頁此例中，采用鼠標填補方法的修補工具，封閉格柵部件、發(fā)動機底部及車頭底部的漏洞和縫隙。封閉格柵漏洞封閉發(fā)動機底部漏洞第36頁/共93頁3.面網(wǎng)格生成（SurfaceWrapper）使用star-ccm+的包面（SurfaceWrapper）功能，可以快速地修復幾何數(shù)據(jù)的表面干涉、重疊、搭接、錯配、漏洞、縫隙等錯誤，得到一套封閉的汽車外形表面，用于外流模擬。第37頁/共93頁網(wǎng)格模型的設定選擇SurfaceWrapper網(wǎng)格模型。第38頁/共93頁網(wǎng)格模型的設定將Region1的包面方式選為最大外表面。第39頁/共93頁網(wǎng)格尺寸的設定設定Mesh:Region1的網(wǎng)格尺寸。第40頁/共93頁漏洞檢測工具的使用在包面操作開始前，雖然幾何表面經(jīng)過了檢查和修補，可能還存在一些比較大的洞和縫隙，用之前的方法沒有發(fā)現(xiàn)，還可以使用漏洞檢測工具進行更加詳細地檢測。第41頁/共93頁漏洞檢測工具的使用這里通過檢測乘員艙內外的連通性來演示漏洞檢測工具的用法。首先，將SourcePoint的位置拖動到乘員艙內部；然后，將TargetPoint1的位置拖動到車體外部。第42頁/共93頁漏洞檢測工具的使用定義完SourcePoint和TargetPoint1的位置后，點擊RecomputeTemplate+Paths，可以在輸出窗口看到顯示信息。檢測進程完成后，在輸出窗口中顯示如下內容，說明在乘員艙內外部之間存在一條連接通路，也就說明了汽車外形內外兩側之間有漏洞。黃色線表示漏洞通過的路徑第43頁/共93頁漏洞檢測工具的使用將工具欄切換到RepairSurface，采用鼠標填補方法，修補黃線通過的這個縫隙。修補完成后，點擊RecomputePaths，重新計算，知道輸出窗口顯示如下內容，說明無法在汽車內外部之間找到一條連接通路，也就說明了汽車外形是個封閉的空間。第44頁/共93頁ContactPrevention（防接觸）設定包面操作時，可能會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，需要設定各個部件之間的防接觸。無防接觸，車身部件和排氣管粘貼在一起有防接觸車身部件排氣管第45頁/共93頁ContactPrevention（防接觸）設定設定各部件之間為8mm的防接觸。意味著當兩個部件的間距大于8mm時，包面時會將兩個部件嚴格區(qū)分開來不會粘貼在一起。第46頁/共93頁執(zhí)行包面點擊GenerateSurfaceMesh按鈕，對Region1進行包面。檢查結果包面完成后，通過透明顯示、截面等方式檢查結果，確保得到的結果是一個封閉的汽車外形表面。第47頁/共93頁檢查結果檢查Representations節(jié)點下新生成的WrappedSurface表面，確保除了“PoorQualityFaces”和“CloseProximityFaces”兩項外別的都為0。第48頁/共93頁刪除Import的幾何數(shù)據(jù)將Representations節(jié)點下的Import表面刪除掉，以完成了對Region1區(qū)域包面的結果作為下面操作的開始。第49頁/共93頁生成計算域外部空間SlipWallNo-SlipWall略高于輪胎底面第50頁/共93頁生成計算域外部空間分類、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個不需要的面把中間的FreeEdge縫合上第51頁/共93頁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/共93頁網(wǎng)格模型的設定修改網(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/共93頁網(wǎng)格尺寸的設定主流體區(qū)域因為包含大小相差很懸殊的面，所以需要重新設定網(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/共93頁網(wǎng)格尺寸的設定對每個Boundary設定合適的網(wǎng)格尺寸打開CustomSurfaceSize，設定合適的RelativeMinimumSize和RelativeTargetSizeBoundariesRelativeMinimumSizeRelativeTargetSize1-Exterior_Surface25%60%1-Tires15%30%2-Interior_Surface25%60%2-New_Patches25%60%2-Underpanels25%60%計算域外部空間面25%1000%第55頁/共93頁第56頁/共93頁面網(wǎng)格修復刪除掉Representations節(jié)點下的WrappedSurface子節(jié)點，只保留RemeshedSurface。第57頁/共93頁面網(wǎng)格修復檢查面網(wǎng)格錯誤第58頁/共93頁面網(wǎng)格修復手工修復這18個錯誤表面，或者直接點擊下面的AutoRepair自動修復。第59頁/共93頁網(wǎng)格模型的設定修改網(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/共93頁網(wǎng)格模型的設定調整邊界層的設定方式第61頁/共93頁網(wǎng)格尺寸的設定網(wǎng)格尺寸第62頁/共93頁網(wǎng)格尺寸的設定關閉0-inlet、0-outlet、0-top和0-side四個面上的邊界層網(wǎng)格生成。第63頁/共93頁體積網(wǎng)格密度的生成第64頁/共93頁體積網(wǎng)格密度的生成實際計算時，還應該在汽車尾跡區(qū)以及流動分離的區(qū)域如后視鏡后側等設置體積網(wǎng)格密度，分別加密這些區(qū)域。此例鑒于方法講解，就不加密生成過多數(shù)目的網(wǎng)格了。第65頁/共93頁體積網(wǎng)格密度的設定設定體積網(wǎng)格密度的加密尺寸。第66頁/共93頁體網(wǎng)格生成第67頁/共93頁物理模型的設定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）其它選項網(wǎng)格質量改善6.解析設定第68頁/共93頁物性參數(shù)和初始值的設定初始速度設定物性參數(shù)設定第69頁/共93頁速度入口設定第70頁/共93頁圧力出口設定第71頁/共93頁滑移壁面設定相同設定第72頁/共93頁投影面積第73頁/共93頁投影面積第74頁/共93頁Cd第75頁/共93頁Cl第76頁/共93頁設定Cd、Cl的Monitor和Plot第77頁/共93頁FieldFunction設定Cp第78頁/共93頁7.求解設定最大計算步數(shù)或其它計算終止判據(jù)第79頁/共93頁為了計算的穩(wěn)定性，刪除部分質量比較差的單元。第80頁/共93頁創(chuàng)建顯示結果的Scene壓力云圖Cp云圖