基于STAR-CCM+的皮卡車外流場(chǎng)研究

李 旭,張 震,崔行振

（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院,山東 青島 266590）

基于STAR-CCM+的皮卡車外流場(chǎng)研究

李 旭,張 震,崔行振

（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院,山東 青島 266590）

基于皮卡車模型，本文采用六面體與三棱柱混合的網(wǎng)格策略，應(yīng)用兩種網(wǎng)格密度進(jìn)行皮卡車外流場(chǎng)仿真計(jì)算，并與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明：該網(wǎng)格策略的計(jì)算精度得到有效改善，而且能夠更好的模擬車尾處的渦系和捕捉邊界層處的分離現(xiàn)象；在合理的壁面函數(shù)范圍內(nèi)，適當(dāng)減小網(wǎng)格尺寸，可以有效改善計(jì)算精度。

空氣動(dòng)力學(xué)；皮卡車；網(wǎng)格策略；CFD

0 引言

汽車外流場(chǎng)數(shù)值網(wǎng)格生成是為了適應(yīng)數(shù)值求解汽車周圍流場(chǎng)區(qū)域上的偏微分方程而開(kāi)展的[1]。目前，很多的汽車外流場(chǎng)仿真計(jì)算都采用了四面體網(wǎng)格，在四面體網(wǎng)格生成算法中，比較有代表性的有Delaunay方法和前沿推進(jìn)方法[2]。與四面體網(wǎng)格相比，六面體網(wǎng)格克服了傳統(tǒng)網(wǎng)格的諸多缺點(diǎn)，使梯度的計(jì)算和流動(dòng)狀況預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確[3]。為了探討網(wǎng)格策略對(duì)皮卡車外流場(chǎng)仿真精度的影響，應(yīng)用兩種網(wǎng)格策略對(duì)皮卡車外流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合比較。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 計(jì)算域的選擇

應(yīng)用CATIA完成皮卡車半車模型，為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，首先按照1:12的比例建立模型，該模型的長(zhǎng)、寬、高分別為432mm、152mm、148.8mm。為了提高計(jì)算精度，忽略掉后視鏡、門把手等表面附件，簡(jiǎn)化皮卡車底部結(jié)構(gòu)。設(shè)置皮卡車外流場(chǎng)計(jì)算域?yàn)閇4]：入口距車前端3倍車長(zhǎng)，出口距車后端7倍車長(zhǎng)，總高度為5倍車高，總寬度為7倍車寬。

由于SST k-ω模型可以充分發(fā)揮k-ε二模型對(duì)自由流和k-ω模型對(duì)壁面受限流動(dòng)的處理優(yōu)勢(shì)[5]。因此，本文采用SST k-ω模型進(jìn)行仿真。設(shè)置邊界條件：入口為速度入口（V=30m/s），出口為自由條件，對(duì)稱面為對(duì)稱邊界，其余壁面為無(wú)滑移壁面邊界。

1.2 六面體與三棱柱的混合策略

與四面體網(wǎng)格相比，同樣尺寸的六面體網(wǎng)格具有網(wǎng)格數(shù)量少、質(zhì)量高、收斂快、計(jì)算時(shí)間少的優(yōu)點(diǎn)。如何能夠充分發(fā)揮六面體網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)，就可以達(dá)到非常理想的計(jì)算結(jié)果。因此，采取如下網(wǎng)格策略：在車身表面應(yīng)用三棱柱，外側(cè)應(yīng)用六面體單元。近壁面網(wǎng)格尺寸分別設(shè)置為3 mm和1 mm，得到的網(wǎng)格數(shù)量分別為486萬(wàn)和551萬(wàn)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 仿真計(jì)算對(duì)比

通過(guò)STAR-CCM+仿真計(jì)算可得，網(wǎng)格尺寸分別為3 mm和1 mm的網(wǎng)格模型的Cd分別為0.478和0.445。從Cd的結(jié)果上看，當(dāng)該混合網(wǎng)格策略的近壁面網(wǎng)格尺寸從3mm變?yōu)?mm時(shí)，與風(fēng)洞數(shù)據(jù)0.450對(duì)比可見(jiàn)：仿真誤差分別為6.2%和1.1%。

2.2 表面壓力分布及壓力梯度變化

圖1為網(wǎng)格尺寸是1mm的車身表面壓強(qiáng)圖，由圖可見(jiàn)，其車頭前部和前風(fēng)窗處存在較大的正壓區(qū)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩上和頂棚處存在較大的負(fù)壓區(qū)。

由圖1的壓力梯度分布可以清晰的看出皮卡車后的尾流有一部分在后車廂內(nèi)發(fā)展，然后進(jìn)入車身后部與尾部氣流匯合，形成了與普通轎車不一樣的壓力分布。同時(shí)，可以看出在皮卡車的后車廂內(nèi)存在一個(gè)較大尺度的渦流，該渦流得到了充分的發(fā)展，其直徑相當(dāng)?shù)拇?，這一特點(diǎn)與轎車外流場(chǎng)非常的不同。渦流的存在必然要消耗能量，在宏觀上表現(xiàn)為阻力系數(shù)（Cd）升高。

2.3 車身尾部分離區(qū)速度矢量分析

由圖1的壓力分布及剖面壓力梯度圖分析，這里只給出該策略加密網(wǎng)格的尾部分離區(qū)速度矢量分布圖。前人的研究表明，皮卡車尾部的渦系是由車頂部氣流的向下運(yùn)動(dòng)以及后車廂內(nèi)的渦流運(yùn)動(dòng)共同形成的。由圖2可見(jiàn)，在網(wǎng)格加密以后，清晰的模擬出了車廂內(nèi)和車尾處的渦系，而且捕捉到了邊界層分離現(xiàn)象，同時(shí)捕捉到了尾部典型的一大一小的反向尾，其結(jié)果如圖2。通過(guò)與皮卡車模型的風(fēng)洞PIV試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該網(wǎng)格策略的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于皮卡車模型，應(yīng)用六面體與三棱柱混合策略，應(yīng)用兩種網(wǎng)格密度對(duì)皮卡車外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：六面體與三棱柱混合策略得到了較為理想的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)網(wǎng)格加密以后，更加清晰的模擬出了車廂內(nèi)和車尾處的渦系，而且捕捉到了邊界層分離現(xiàn)象；選取合適的近壁面網(wǎng)格尺寸可以有效提高計(jì)算精度。

[1]容江磊.汽車氣動(dòng)力特性的分析與優(yōu)化研究[D].湖南大學(xué),2011：11-13.

[2]Kofanov A V,Liseikin V D.Grid construction for discretely defined configurations[J].Computational Mathematics &Mathematical Physics,2013,53(06):759-765.

[3]Lamarque J F,Shindell D T,Josse B,et al.The Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project (ACCMIP):overview and description of models, simulations and climate diagnostics[J].Geoscientific Model Development,2013,6(01):179-206.

[4]李廣輝,康寧,李海峰.離散格式及半隱式算法對(duì)直背式轎車外流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算精度影響的研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2006(01):32-36.

[5]李映坤,韓珺禮,陳雄等.基于SST湍流模型的模擬SRM內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值仿真[J].固體火箭技術(shù),2014(05):186-203.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.170

李旭(1970-),女,山東淄博人,副教授,研究方向：汽車車身智能化和車身裝配質(zhì)量控制。