基于ADINA的轎車外部流場計算

袁小慧，歸文強

(西安航空學(xué)院 車輛工程學(xué)院，西安 710077)

基于ADINA的轎車外部流場計算

袁小慧，歸文強

(西安航空學(xué)院 車輛工程學(xué)院，西安 710077)

對汽車外部流場進行計算流體力學(xué)(CFD)分析已成為現(xiàn)今車身設(shè)計的必要環(huán)節(jié)。計算轎車的外部流場，將計算流體力學(xué)軟件ADINA與CATIA相結(jié)合，利用CATIA軟件獲得轎車三維模型，將其導(dǎo)入 ADINA軟件中，采用RNG K-ε模型，對兩種不同車速40m/s和20m/s情形進行計算機仿真和后期處理，獲得轎車外部流場的壓力分布、流速分布云圖、空氣阻力和空氣升力，進而得到該轎車模型的空氣阻力系數(shù)為0.59，20m/s和40m/s速度載荷下的空氣升力系數(shù)分別為0.013和0.133，依此為汽車車身設(shè)計提供依據(jù)。

空氣動力學(xué)；外部流場；轎車

汽車(特別是轎車)的空氣動力學(xué)特征直接影響其動力性、燃油經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性、舒適性和安全性等重要特性[1]。因此，研究轎車的外部流場對于轎車的研發(fā)與評價至關(guān)重要并將逐步完善。目前，主要采用數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法進行研究。相對后者，前者方便改善性能，節(jié)約研究資金，提高研究效率，省時省工[2]。計算流體力學(xué)在汽車中的應(yīng)用始于20世紀80年代的歐美地區(qū)，現(xiàn)已發(fā)展到包括倒車鏡、擾流板、復(fù)雜底板、移動地面、發(fā)動機艙、橫風(fēng)過度特性等多樣化計算模擬。國內(nèi)起步較晚，目前出現(xiàn)的由我國自主開發(fā)的應(yīng)用于三維流場汽車的計算軟件，是胡善龍等提出的數(shù)字樣車(DMU)技術(shù)中前期設(shè)計的一個重要組成部分[3]。多物理場耦合方面的幾大軟件，諸如ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC都可以做到結(jié)構(gòu)、流體和熱的耦合分析。ADINA可以直接流固耦合，但其它三個軟件必須與其他軟件聯(lián)合使用，進行迭代分析。

1 理論研究

汽車周圍流場的典型流動特征為三維、粘性、分離和非定常。本文將研究空氣視為“連續(xù)介質(zhì)”的理想氣體，只考慮外力作用下的宏觀運動，因流速與聲速相比足夠小，且馬赫數(shù)Ma=U/α≤0.25，可認為汽車周圍流場不可壓縮。假設(shè)汽車周圍流場溫度不變，具有各向同性，且不考慮粘性，而流場中任一質(zhì)點介質(zhì)具有定常流動特點，可采用K-ε數(shù)值分析方法。

1.1 計算流體力學(xué)基礎(chǔ)

由汽車雷諾數(shù)Rei=v∞l/v>104及上述分析，汽車外部流場為定常、等溫和不可壓三維流場，因流場中各物理量在隨時間和空間變化時都符合統(tǒng)計規(guī)律，采用時均法對汽車周圍流場的三維湍流進行數(shù)值模擬，其控制方程為

(1)

(2)

湍流動能方程(即K方程)

(3)

湍流耗散方程(即ε方程)

(4)

(5)

(6)

湍流動能k為湍流中單位流體的平均脈動動能，即

(7)

湍流耗散ε為湍流中單位質(zhì)量流體的脈動粘性耗散，即

(8)

其中，K表示流體的彈性模量，即體積彈性模量；V表示來流速度；ρ表示流體密度[4]。

考慮到湍流中渦流因素的影響和雷諾數(shù)效應(yīng)時RNG K-ε模型比標準K-ε計算精度更高，需要的內(nèi)存少，較適用于汽車外部復(fù)雜流場的計算，本文采用RNG K-ε模型，將高雷諾方程與壁函數(shù)結(jié)合起來使用。

1.2 計算流體力學(xué)軟件ADINA簡介

CFD方法求解汽車周圍三維湍流流場是采用計算數(shù)學(xué)的算法，將其控制方程離散到一系列網(wǎng)格節(jié)點上并求其離散的數(shù)值解。按其采用的數(shù)值解題方式可以歸納為有限差分法(Finite Different Method，F(xiàn)DM)、有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)和有限體積法(Finite Volume Method，BEM)三大類[5]。

有限體積法計算效率高，近年來發(fā)展迅速，目前廣泛應(yīng)用于CFD領(lǐng)域，大多數(shù)商用CFD軟件，包括ADINA軟件，均采用這種方法。ADINA具有強大的非線性求解能力，能夠解決包括結(jié)構(gòu)、流體、熱等的很多耦合場問題。在針對流體流動模擬仿真時，基本假設(shè)如下：流場計算采用 Navier-Stokes 方程或者歐拉方程；認為流體為不可壓縮或完全可壓縮；分析時可進行穩(wěn)態(tài)或者瞬變分析；流體類型可根據(jù)實際情況選擇層流或者湍流；流體流動時可設(shè)置為熱傳遞或者無熱傳遞條件下的流動；此外，還有質(zhì)量傳遞。

2 模型與計算

根據(jù)ADINA計算需要，建立簡化轎車模型，并將其轉(zhuǎn)換成于Parasolid格式，導(dǎo)入ADINA中，定義外部流場，劃分單元網(wǎng)格，生成有限元模型；定義材料及邊界條件，進行求解，獲得外部流場壓力分布、流速分布及空氣阻力系數(shù)，并與實際相比較，分析所得結(jié)果。

本文采用RNGK-ε模型進行計算，除去其本身自帶物理量外，還用到的物理量如下：空氣密度ρ=1.225kg/m3，動力粘性系數(shù)μ=2×10-5Ns/m2，速度載荷40m/s和20m/s。

2.1 模型的建立

2.1.1 幾何模型

查閱資料，得到奧迪A5的CAD圖，確定其原始幾何模型參數(shù)4625mm×1854mm×1372mm，并將上述CAD圖導(dǎo)入三維建模軟件CATIA中，得到豪華轎車奧迪A5的CATIA模型。在實際應(yīng)用中，可以先建立CATIA模型，導(dǎo)入分析軟件，根據(jù)計算結(jié)果對其進行優(yōu)化設(shè)計；或者將現(xiàn)車CAD圖導(dǎo)入CATIA中建立三維模型進行計算，分析其優(yōu)化可能性及主要方向。仿真分析的模型為1：1模型，并對實車模型作了如下簡化。

忽略車身外部突起物如刮雨器、后視鏡等部分，將車輪與車身做成一體；對車身底部進行平整處理。這些改變對流場沒有太大影響，并且降低了計算的強度和對計算機的要求，提高了計算經(jīng)濟性，符合計算要求。圖1所示為CATIA中建立的1：1模型的截圖。

圖1 轎車CATIA模型

2.1.2 物理模型

汽車周圍的流體即空氣，在一個標準大氣壓、海平面高度下，15℃時的空氣密度ρ=1.225kg/m3，動力粘性系數(shù)μ=1.7894×10-5Ns/m2，運動粘度v=μ/ρ=1.4607×10-5m/s。

由于本文數(shù)值模擬風(fēng)速為40m/s和20m/s，可以認為汽車繞流不可壓縮。據(jù)本文第1節(jié)，將汽車繞流簡化為定常、等溫、不可壓縮的三維流場。考慮到氣流的分離影響，按湍流處理，采用RNGK-ε模型，將外部流場視為15m×5m×5m的長方體除去轎車模型所占空間。

2.2 外部流場計算

定義模型控制參數(shù)，將得到的三維模型導(dǎo)入分析軟件ADINA中，如圖2所示。

圖2 奧迪A5模型導(dǎo)入ADINA圖

設(shè)汽車行駛方向為Y軸正方向，垂直于地面向上的方向為Z軸正方向。建立流場模型，定義約束與載荷，輸入邊界條件。其中，車輛外部上下表面為wall類型，其他邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件的設(shè)定

定義材料(選擇RNG K-Epsilon，密度1.225，粘度為2×10-5)與單元組類型(網(wǎng)格類型為3-D Fluid，單元組為1，單元節(jié)點數(shù)為4)，并根據(jù)流場復(fù)雜程度進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)為70683，如圖3所示。

圖3 單元網(wǎng)格

本文主要對多數(shù)轎車正常行駛速度范圍內(nèi)的兩個速度(二倍關(guān)系速度)下的壓力分布和流速分布進行對比分析。進口邊界條件見表1，求解，進行計算流體力學(xué)CFD分析以及后處理，獲得其外部流場流速分布圖和壓力分布圖，見圖4-圖7。

圖4 40m/s的流場對應(yīng)的壓力分布

圖5 20m/s的流場對應(yīng)的壓力分布

圖6 40m/s的流場對應(yīng)的流速分布

圖7 20m/s的流場對應(yīng)的流速分布

由圖4和圖5可知，負壓區(qū)(藍色區(qū)域)主要出現(xiàn)在下壁面以下、車頂以及車尾部分；正壓區(qū)主要出現(xiàn)在車頭以及發(fā)動機艙蓋與前擋風(fēng)玻璃交接處。其中，保險杠附近出現(xiàn)正壓最大值，下壁面下邊的最前端出現(xiàn)負壓最大值，這是由于作為迎風(fēng)面的車頭直接受到氣流的沖擊作用而出現(xiàn)正壓的最大值，而汽車下壁面則由于離地面距離小出現(xiàn)負壓的最大值。

由圖6和圖7可知，汽車前部氣流分布比較均勻，而汽車尾部的氣流較為紊亂，形成明顯的漩渦，流速達最大值，在遠離壁面區(qū)域流速接近速度載荷，仿真結(jié)果見表2。

表2 仿真結(jié)果

2.3 結(jié)果分析

將所得結(jié)果與一般轎車外部流場壓力分布圖進行對比說明，并對比40m/s與20m/s對應(yīng)的壓力分布圖與流速分布圖，分析其中的差異，針對建立的模型提出改進方案。其中，一般轎車外部流場壓力分布圖如圖8所示[6]。

圖8 轎車外部流場壓力分布圖

凹向車內(nèi)的區(qū)域即為正壓力分布區(qū)域，車外的區(qū)域即為負壓力分布區(qū)域。由此可見，上述壓力分布計算結(jié)果(圖4與圖5)正確。對比兩種不同速度載荷下的流場壓力分布與流速分布可知：兩者壓力分布與流速分布圖相似，只是對應(yīng)數(shù)值有差異；速度載荷為20m/s的流場壓力最大值203.2N，最小值-211.5N，與速度載荷為40m/s的流場壓力的最大值813.4N，最小值-844.4N相比，約是1/4倍數(shù)關(guān)系，而速度載荷僅是1/2倍數(shù)關(guān)系，可見壓力變化幅度是速度變化幅度的平方關(guān)系；速度載荷為20m/s的流場流速最大值39.69m/s，與速度載荷為40m/s的流場流速最大值78.61m/s相比，約是1/2倍數(shù)關(guān)系，與速度載荷變化相同。對比兩者空氣阻力即1388.1N與348.9N可知，速度載荷為二倍關(guān)系，對應(yīng)空氣阻力即為四倍關(guān)系。

根據(jù)空氣阻力公式Fy=0.5·ρ·v2·S·CD和空氣升力公式Fz=0.5·ρ·v2·S·CL，可得空氣阻力系數(shù)CD=2Fy/(ρ·v2·S)和空氣升力系數(shù)CL=2Fy/(ρ·v2·S)，其中ρ為空氣密度，v為相對速度(車速)，迎風(fēng)面積S為2.4m2。根據(jù)仿真結(jié)果，可得該汽車模型在不同速度載荷下的空氣動力學(xué)性能數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 空氣動力學(xué)性能結(jié)果

本文模型為簡化模型，兩種速度載荷下空氣阻力系數(shù)均為0.59。對比20m/s和40m/s速度載荷下的空氣升力系數(shù)值，可得20m/s速度載荷下的升力系數(shù)僅為40m/s速度載荷下的升力系數(shù)的0.1，因此，車輛在高速行駛時，空氣升力對車輛的操縱穩(wěn)定性影響很大。將空氣阻力系數(shù)和空氣升力系數(shù)作為汽車空氣動力學(xué)性能的評價指標，優(yōu)化汽車模型，可以通過兼顧美學(xué)要求，改變汽車前風(fēng)窗玻璃角度、前圍板結(jié)構(gòu)、前后車燈結(jié)構(gòu)、后車窗玻璃、尾部造型等，達到優(yōu)化車型的目的。

3 結(jié)論

本文基于奧迪A5的CAD圖建立CATIA模型，獲得了轎車外部流場在速度載荷分別為40m/s與20m/s下的壓力分布和流速分布云圖，進而得到該轎車模型的空氣阻力系數(shù)為0.59，20m/s速度載荷下的空氣升力系數(shù)為0.013，40m/s速度載荷下的空氣升力系數(shù)為0.133，為獲得理想空氣動力學(xué)特性的車型提供了參考。另外，本文在簡化模型基礎(chǔ)上進行了理論探討，僅考慮了40m/s與20m/s的穩(wěn)態(tài)情況，未對來流大小、方向和湍流度等隨時間的變化情況進行瞬態(tài)模擬，在實際應(yīng)用中還需要進行風(fēng)洞試驗，考慮諸多因素以接近路面的真實情況。

[1] 傅立敏.汽車空氣動力學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998:15.

[2] 閆江.汽車外流場數(shù)值模擬研究[C]//中國汽車工程學(xué)會.2013中國汽車工程學(xué)會年會論文集,北京,2013:4.

[3] 胡善龍,錢榕,牛勝福，等.數(shù)字樣車技術(shù)在現(xiàn)代轎車開發(fā)中的應(yīng)用及發(fā)展前景[J].上海汽車,2009,35(2):32-35.

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[6] 杜廣生.汽車空氣動力學(xué)[M].北京:中國標準出版社,1999:132.

[責(zé)任編輯、校對：東艷]

Abstract：Nowadays,it has become an essential part of the body design to analyze the car external flow field using CFD method.This article is mainly to calculate the car external flow field.The computational fluid dynamics software ADINA and CATIA are combined.The car 3-D model,obtained through CATIA software,is imported into ADINA software.Through the RNG K-ε model,and under the velocities of 20m/s and 40m/s, both pressure cloud picture and velocity images are obtained,with pressure gotten.The air resistance coefficient of the car model is 0.59.The air lift coefficients at 20m/s and 40m/s are 0.013 and 0.133 respectively.The results can provide the basis for car body design.

Keywords：aerodynamics;external flow field;car

AnalysisofCarExternalFlowFieldBasedonADINA

YUANXiao-hui,GUIWen-qiang

(School of Vehicle Engineering,Xi′an Aeronautical University,Xi′an 710077,China)

U461.1

A

1008-9233(2017)05-0077-04

2017-03-14

袁小慧(1989-)，女，河南方城人，助教，主要從事汽車主動安全技術(shù)研究。