流體仿真平臺對汽車外流場仿真能力的對比研究*

朱 暉,楊志剛,譚 鵬,豐成杰

(1.同濟大學,上海地面交通工具風洞中心,上海 201804; 2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

2016026

流體仿真平臺對汽車外流場仿真能力的對比研究*

朱 暉1,楊志剛1,譚 鵬2,豐成杰2

(1.同濟大學,上海地面交通工具風洞中心,上海 201804; 2.湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

基于同一個硬件平臺和相關的參數設置，采用Fluent 12.1和Star-ccm+8.04流體仿真平臺對某車身的1/3縮比模型外部繞流場進行數值仿真。以相同模型的風洞實驗數據為準，通過計算獲得氣動升/阻力、車身表面壓力和尾跡區流場結構等相關信息，對比研究了兩款流體仿真平臺對汽車外流場的仿真能力，為流體仿真平臺的選擇提供了依據。

汽車外流場；流體仿真平臺；仿真能力

前言

由于突出的經濟性及時效性優勢，計算流體力學在汽車空氣動力學研究中被廣泛采用；該方法對汽車外部繞流場的精細解算能力、對提高汽車空氣動力學性能至關重要[1-3]。

企業調研和文獻檢索結果表明：目前主流的流體仿真平臺為Fluent(Ansys Co. Ltd.)和Star-ccm+(CD-adapco Co. Ltd.)；二者皆基于有限體積理論框架構建，且內嵌的湍流模型基本相同[4-5]。在汽車空氣動力學領域，無論是研究還是產品開發，Fluent平臺和Star-ccm+平臺皆得以廣泛應用[6-8]。

公開發表的文獻內容可概括為：基于仿真平臺對流動現象進行研究所獲得的規律性認知；缺乏對兩款平臺性能對比的研究成果。只有明確仿真平臺在主要性能方面各自的特點，才能在商業或科研工作中對其進行正確的選擇。

本文中基于Fluent 12.1平臺和Star-ccm+8.04平臺，對某款自主設計車型的外流場進行數值計算，并將仿真結果與風洞實驗數據進行對比，以比較兩款流體仿真平臺針對具有分離、剪切和臨地面特性繞流的解算特點。

1 幾何模型及流場空間離散

實驗及數值仿真對象統一為自主設計的某款車型的1/3縮比模型，其造型特點為：車體A柱和車頭實行一體式設計；車體頂部和C柱實行一體式設計并延伸至車尾；車體側面采用半分體式設計；尾部采用簡潔的“截尾”設計；車型底部光滑。

縮比模型長L=1 562mm，寬W=591mm，高H=486mm，軸距為875mm，輪距為480mm，正投影面積為0.249 3m2；輪胎采用帶輻條的仿真輪胎，具體構造如圖1所示。

采用尺度在0.4～3mm之間的三角形網格對縮比模型表面進行劃分。其原因為：(1)車身底部與地面之間間隙狹小，可能導致體網格生成困難或者質量不高，從而加細網格；(2)在型面結合部位流動極易產生扭曲變形，需要細化網格以更好地捕捉流場信息；(3)為保證與實驗狀態完全一致，保留了仿真模型的全部細節(車輪輻條、螺栓、車軸法蘭等)，因此細化面網格。

體網格的制作遵從兩款仿真平臺各自的推薦方案：Fluent平臺采用四/五/六面體混合網格結構(四面體、棱柱體、金字塔、六面體)；Star-ccm+平臺采用切塊網格結構(trimmed mesh，五/六面體混合網格結構)。具體網格結構如圖2所示。

空間計算區域：長為15.0m，寬為6.0m，高為2.5m，阻塞比為1.66%。x正向為從左到右的空氣流動方向,z正向垂直向上,y正向以右手螺旋定則確定。為了減輕數值黏性的影響，大部分計算區域劃分為大小不等的六面體網格。為高效利用計算資源并提高計算精度，在包裹模型及流場變化劇烈的局部區域采用統一尺度對體網格進行加密。網格總數為：Fluent平臺1 800萬單元；Star-ccm+平臺1 100萬單元。

近壁面第1層網格中心離壁面的法向高度，以y+=30～150加以控制(采用RANS框架湍流模型)，高度為0.6mm。在實現邊界層網格全面覆蓋模型及相關型面細節的條件下，體網格質量控制標準為：Fluent平臺skewness<0.94；Star-ccm+平臺volume change>10-4。

2 湍流模型及邊界條件

本文中統一采用RANS模型框架下Realizablek-ε湍流模型[9]結合2階迎風格式(1階格式1 000步迭代，2階格式3 000步迭代)完成數值計算。Realizablek-ε湍流模型引入部分雷諾應力數學約束，湍動能k和耗散率ε基本方程為

(1)

(2)

其中σk=1.0；σε=1.2；C2=1.9

式中：Gk為由平均速度梯度引起的湍動能k產生項；σk和σε分別為與湍動能k及耗散率ε對應的Prandtl數。

參照實驗風洞的結構、氣流品質和運行工況，入口處統一采用速度入口邊界條件(velocity inlet)，認為速度為均勻分布，u=40m/s，v=w=0；入口湍流強度0.2%，湍流黏性比10；出口采用壓力出口邊界條件，表壓取為0，出口湍流強度及湍流黏性比的確定法與進口類似。按車長計算的雷諾數Re≈3.25×106。

地面和車身(含車輪)皆采用無滑移邊界條件，其目的是與實驗情況保持一致(實驗風洞無移動帶，車輪無法實現轉動，不采用MRF法)；計算域左右兩側和頂部采用對稱邊界條件。

3 計算結果

計算過程中，在監測殘差的基礎上，對車身的阻力系數CD和升力系數CL進行監測。計算結束后統計出的相關數據見表1，表中相對誤差計算以風洞實驗值為準，其中升力系數誤差取絕對值。

表1 CD和CL比較

由表可知：在本次數值仿真中，對于阻力系數的計算，Fluent平臺明顯優于Star-ccm+平臺，前者計算結果與實驗值偏差已控制在1%以內；對于升力系數的計算，在升力方向預測準確的基礎上，具體數值與實驗值偏差皆大于30%。因此，在本次仿真中，針對氣動阻力的計算，Fluent平臺優于Star-ccm+平臺；針對氣動升力的計算，二者的計算結果皆不理想。

通過風洞實驗對車體表面壓力進行測量，所使用的主要儀器為DTC電子壓力掃描閥系統(128通道)。測壓孔布置于車體上部縱向對稱面、尾部水平面、車體底部區域和車身側面。

車體上部對稱面壓力系數測量值和數值計算值如圖3所示，圖中x/L為比例長度。由于車體造型特征有別于傳統車，在發動機艙蓋和前風窗銜接處未出現“死水區”，所以消除了該處的高壓區。

由圖3可知：Fluent平臺與Star-ccm+平臺對車體上部對稱面處測點壓力計算結果幾乎完全一致；以測量值為準，在整體趨勢一致的基礎上，仿真平臺對車體頂部氣流加速及壓力回升區域(Cp≤0區域)的計算結果明顯偏小，即對車體上部負壓預測皆不理想；因此二者對車體上部區域壓力計算能力相當。

車體尾部的壓力分布如圖4所示，z/H和y/W分別為比例高度和寬度，其中圖4(a)顯示尾部縱向對稱截面壓力分布，圖4(b)和圖4(c)分別顯示尾部z/H為0.346和0.220處截面壓力分布。

由圖4可知：以測量值為準，在整體趨勢一致的基礎上，Fluent平臺計算結果與測量值更接近，且普遍大于Star-ccm+平臺的計算結果；Fluent平臺針對z/H=0.220處截面壓力系數的計算結果在趨勢上與測量值更為接近，具體如圖4(c)所示；二者針對車型尾部表面壓力系數的計算結果與測量值皆存在較大差距；因此Fluent平臺針對車體尾部壓力的計算能力略優于Star-ccm+平臺。

在縱向對稱面處，車體底部接近尾部位置的壓力分布測量及計算結果如圖5所示。由圖5可知：以測量值為準，在整體趨勢一致的基礎上，Fluent平臺計算結果與測量值更接近，因此Fluent平臺針對車體底部接近尾部位置壓力的計算能力略優于Star-ccm+平臺。

車體側面布置兩排測點：C柱處沿氣流方向和車身處垂直氣流方向各1排。測量和計算結果如圖6所示。

由圖可見：對于第1排車身側面測點，以測量值為準，在整體趨勢一致的基礎上，Star-ccm+平臺計算結果與測量值更接近；對于第2排車身側面測點，以測量值為準，在整體趨勢一致的基礎上，兩款平臺計算結果與測量值偏差相近；因此，Star-ccm+平臺針對車體側面壓力的計算能力略優于Fluent平臺。

在總共110個測壓點中，兩款仿真平臺對壓力的計算結果之間的相對誤差(以Fluent平臺計算結果為準)分布見表2。

表2 計算結果相對誤差

通過風洞實驗對車體外部繞流場尾跡區進行PIV測量，所使用的主要儀器為：Nd∶YGA雙脈沖激光器和CCD跨幀數字相機，數字相機觸發信號由同步器控制提供，從而保持與脈沖激光器的完全同步。

圖7顯示了依據實驗和數值結果所繪制的縱向對稱截面流線圖，圖8為某縱向截面實驗和數值結果流線圖，圖9顯示了車身尾部邊緣實驗和數值結果縱向截面流線圖[10]。

由圖7可見：以實驗結果為準，兩款仿真平臺對縱向對稱面流場渦尺度描述基本準確，但皆無法準確捕捉渦核位置；對于尾渦周圍流場結構的描述能力，Fluent平臺略優于Star-ccm+平臺。

由圖8可見：以實驗結果為準，Fluent平臺計算結果能捕捉到某縱向對稱面流場結構中微小渦核的存在，Star-ccm+平臺計算結果則無法描述相關流場結構；對于尾渦周圍流場結構的描述能力，兩款平臺能力相當；總體上Fluent平臺優于Star-ccm+平臺。

由圖9可見：對于車身尾部側面邊緣的流場結構計算能力，Fluent平臺與Star-ccm+平臺幾乎完全相當，在絕大部分區域符合實驗測試結果。

綜合圖7～圖9的分析可知：就針對車身尾跡區流場結構的計算能力而言，Fluent平臺優于Star-ccm+平臺。

4 結論

基于Fluent平臺和Star-ccm+平臺各自推薦的網格結構、相同量級的網格數量、一致的邊界層網格厚度、相同的湍流模型及迭代格式、統一的硬件配置，以實驗數據為準，通過數值仿真對比分析升/阻力系數、表面壓力和尾跡區流場結構，得出如下結論。

(1) 以風洞實驗氣動升/阻力數據為準，針對氣動阻力的計算，Fluent平臺優于Star-ccm+平臺；針對氣動升力的計算，兩款平臺計算結果與實驗值偏差皆較大，所以能力相當。

(2) 針對車身上部縱向對稱面壓力的計算，兩款平臺能力相當；針對車身尾部表面壓力的計算，Fluent平臺占優；針對車體底部縱向對稱面壓力的計算，Fluent平臺占優；針對車身側部表面壓力的計算，Star-ccm+平臺占優；總體上，針對實驗所涉及的測壓點處壓力的計算，Fluent平臺略優于Star-ccm+平臺。

(3) 針對尾跡區流場結構的計算，Fluent平臺對于實驗涉及截面處較小渦結構的捕捉能力強于Star-ccm+平臺，因此Fluent平臺占優。

(4) 前處理過程中，Star-ccm+平臺的網格包面及體網格生產效率和易操作性明顯優于Fluent平臺；在計算中，Fluent平臺的并行計算效率明顯優于Star-ccm+平臺。

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[7] 龔旭,谷正氣,李振磊,等.側風狀態下轎車氣動特性數值模擬方法的研究[J].汽車工程,2010,32(1):13-16.

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A Comparative Study on the Simulation Capability of Fluid SimulationPlatforms on Exterior Flow Field Around Vehicle

Zhu Hui1, Yang Zhigang1, Tan Peng2& Feng Chengjie2

1.TongjiUniversity,ShanghaiAutomotiveWindTunnelCenter,Shanghai201804; 2.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

Based on the same hardware platform and corresponding parameters setting, two fluid simulation platforms, Fluent 12.1 and Star-ccm+8.04 are adopted to conduct numerical simulation on the flow field around the 1∶3 scaled model of a vehicle body. With wind tunnel test data as the base, the simulation capability of two simulation platforms about flow field around vehicle are comparatively studied in terms of aerodynamic drag, aerodynamic lift, surface pressure distribution and wake structure etc. The study provides a basis for the selection of fluid simulation platforms.

exterior flow field around vehicle; fluid simulation platform; simulation capability

*國家973計劃項目(2011CB711203)和上海市地面交通工具風洞專業技術服務平臺項目(14DZ2291400)資助。

原稿收到日期為2014年9月3日，修改稿收到日期為2014年11月17日。