基于FLUENT軟件對小汽車外流場三維數值仿真

施博文（沈陽汽車工業學院,沈陽 110000）

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基于FLUENT軟件對小汽車外流場三維數值仿真

施博文
（沈陽汽車工業學院,沈陽 110000）

摘 要：利用大型計算流體動力學(CFD)分析軟件的FLUENT，對小汽車的外流場進行數值模擬。通過計算機對三維N-S方程組進行求解，并將求得的結果進行分析。使用FLUENT軟件仿真的數據將為汽車氣動特性分析提供理論基礎。

關鍵詞：流體動力學；外流場；數值模擬；FLUENT

當今社會，計算機技術水平亦飛速發展，計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)已在汽車領域得到肯定且得到了大范圍的應用，尤其是汽車設計當中。人們對汽車的性能以及個人需求都提出了具有針對性的高要求，展現出了研究流體動力學仿真的重要性[1]。

理論分析、實驗研究和數值計算是研究汽車空氣動力學的重要方法。

目前，幾乎所有的流動現象都可以用流體動力學仿真分析。在新車型的空氣動力學設計周期上，可以采用CAD技術與流體動力學仿真的結合，來大大縮短其周期。由于在FLUENT軟件中可以根據實際需要設置條件，并且能夠在計算區域的任意位置得到準確信息，根據這些信息就可以對其性能（空氣動力性）進行評價，準確、快速有效[2-4]。所以，本文采用流體動力學仿真軟件FLUENT對汽車外部流場進行數值模擬。

1 小汽車外流場的三維數值仿真

（1）基本的控制方程。等溫不可壓縮的三維湍流模式為汽車繞流計算模型。

（2）實體建模。采用SolidWorks 軟件進行建模。對汽車實體表面進行處理，減少車燈等車身周圍凸出的相對較小的結構件，同時把小汽車下部變平。這些簡化與微小處理對計算區域的整體特性無大的影響，而且縮短了計算時間。最后將建立的三維CAD模型導入FLUENT軟件中進行網格劃分。

1）確定計算區域與網格劃分。計算區域采用規則的長方體。本文采用長方體計算區域有利于控制網格的生成。從國內外相關文獻以及仿真模擬實驗中可以看出，對于流場仿真計算，當計算區域達到某一定值時（不需無限大），小汽車表面的流場不會繼續受計算區域大小的限制[4]。因此，在計算域的選取上，本文分別在汽車前部選擇4.5倍的車長，在汽車后部選擇7倍的車長，在側面選擇3.5倍的車寬，在上部選擇5倍的車高。

計算區域的網格是在流體動力學仿真計算中十分重要的一部分。對求解與計算的準確度與速度有很大影響。為便于計算，在汽車流場的非計算敏感區的網格較稀疏，所以，要從實際要求進行合理設置。在滿足計算準確度的條件下，又要讓網格數目較少，計算時長降低。

2）邊界條件的確定。設置小汽車外部流場的數值模擬的邊界條件為：入口、出口、壁面三個條件。計算區域的條件：常溫空氣為介質。計算模型選用：κ-ε湍流模型。

入口：氣體流動速度 u = 32m /s，即汽車相對外部氣流的流動速度。

出口：無相對壓強。

壁面：將地面邊界條件設置為自由邊界，將汽車表面設置為無滑移。

2 小汽車外流場數值仿真的結果與分析

FLUENT軟件的后處理模塊，使小汽車外部流場計算結果更加清晰明顯。從圖1可以看出：在整個小汽車受力中，其頭部最大。其原因是：來流與車頭部分相遇時，使氣流受到汽車頭部阻擋，速度大大降低，所以在車頭形成正壓區。氣流與汽車的頭部相遇后，氣流分別繞小汽車的上表面與下表面，而對于流向小汽車上方的氣流，在其經過車頭部分大曲率的上緣角時，不能及時回轉，部分氣流就開始分離擴散，由于此時氣流速度較大，在這個地方就形成了負壓峰值。

汽車上方氣流繞過汽車棚頂的后部，由于汽車外形曲率較大所以產生逆壓梯度，這些氣流流經后窗時快速分離，該氣流流經汽車后窗時快速地分離，最終在小汽車的后部產生兩個大渦流。

增大了汽車后部壓力損失，導致其前后存在的壓力差變大，對于汽車行駛受到的阻礙也變大，影響汽車的操縱性能。因此，將小汽車的外形進行改良來減小汽車的行駛阻力，以提高汽車整體性能。

3 結語

CAD 軟件和FLUENT軟件是在小汽車外部流場建模和仿真模擬中的重要方法，是對新一代汽車的研發經濟且有效的方法。從仿真分析與計算中，了解了空氣動力學的特性，進而減少風洞實驗，節約經濟成本，并能縮短新一代汽車開發與生產周期。然而，如果采用空氣動力學仿真分析軟件對汽車的外部流場特性進行較準確的模擬，除了提高計算機的計算能力以及先進的計算方法外，還需要在仿真計算中對所設置的相應的條件以及相關參數進行正確、合理的選擇處理。所以運用這類軟件解決小汽車空氣動力學的實際問題，需要風洞試驗和流體動力學仿真共同結合，檢驗與完善理論觀點并能更全方位且有效地進行綜合仿真實驗。

參考文獻：

[1]杜廣生.汽車空氣動力學[M].北京:中國標準出版社,1999.

[2]谷正氣.汽車空氣動力學[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]傅立敏.汽車空氣動力學數值計算[M].北京:北京理工大學出版社,2001.

[4]呂明忠,高敦岳,傅立敏.計算機數值仿真在汽車外流場分析方面的應用研究[J].算機輔助設計與圖形學學報,2002,14(02):181-184.

作者簡介：施博文（1988-），男，遼寧沈陽人，研究方向：汽車。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.113