基于FLUENT分析車(chē)廂頂部阻力系數(shù)

摘要：在實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)及整車(chē)研發(fā)過(guò)程中，都需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多種設(shè)計(jì)，最后對(duì)比后確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型。在對(duì)貨車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)，尤其對(duì)貨車(chē)車(chē)廂外形設(shè)計(jì)特別重要，在車(chē)廂設(shè)計(jì)時(shí)候需要考慮車(chē)廂頂部不同形狀產(chǎn)生的阻力系數(shù)，阻力系數(shù)大小會(huì)影響到汽車(chē)整體運(yùn)行性能;本文主要通過(guò)CFD模擬方法來(lái)研究形狀與阻力系數(shù)之間的關(guān)系。

Abstract： In the process of actual product R & D and Vehicle R & D， many kinds of product design are needed. Finally， the optimal structure model is determined by comparison. In the design of freight car， especially in the shape design of freight car， the resistance coefficient of different shapes of the top of freight car should be considered， and the Resistance Coefficient will influence the whole running performance of freight car.In this paper， the relationship between shape and drag coefficient is studied by CFD simulation.

關(guān)鍵詞：FLUENT;阻力系數(shù);貨車(chē)車(chē)廂

Key words： FLUENT;drag Coefficient;freight car

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.526? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0003-02

0? 引言

在對(duì)貨車(chē)車(chē)廂進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，研發(fā)工程師往往會(huì)考慮到很多因素，其中車(chē)廂的阻力系數(shù)也是設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮到的問(wèn)題，因?yàn)檐?chē)廂阻力系數(shù)大小會(huì)和燃油性能以及汽車(chē)的動(dòng)力性相關(guān)[1]。本文主要研究不同車(chē)廂頂部形狀，是否會(huì)影響到其阻力系數(shù)大小進(jìn)行探究，從而對(duì)貨車(chē)車(chē)廂頂部設(shè)計(jì)，基于FLUENT對(duì)其外形與阻力系數(shù)之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行模擬分析;通過(guò)比較兩種不同形狀貨車(chē)車(chē)廂頂部，在同一車(chē)速下行駛得到的車(chē)廂頂部阻力系數(shù)數(shù)據(jù)，來(lái)比較哪種車(chē)廂頂部阻力系數(shù)更小。

1? 基于CATIA建立流體模型

該文主要研究貨車(chē)車(chē)廂頂部形狀，是否會(huì)影響其阻力系數(shù);基于該模擬重點(diǎn)，結(jié)合貨車(chē)車(chē)廂實(shí)際參數(shù)對(duì)模型做了恰當(dāng)簡(jiǎn)化處理長(zhǎng)6m寬3.5m高3.86m;貨車(chē)車(chē)廂頂部分別為平面和槽型結(jié)構(gòu)，該兩種結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬參數(shù)都是一樣的，唯一不同的是一種頂部是平面，一種是槽型結(jié)構(gòu)，圖1和圖2分別為車(chē)廂頂部平面及槽型示意圖。

2? 模擬前處理

以上分別對(duì)兩種貨車(chē)車(chē)廂頂部進(jìn)行了流體模型建立，接著基于ICEM對(duì)兩種模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分出FLUENT軟件可以識(shí)別的計(jì)算網(wǎng)格;以及對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行條件設(shè)定。

2.1 理論基礎(chǔ)

在目前對(duì)新事物開(kāi)發(fā)的方法，主要是涉及實(shí)驗(yàn)方法、理論分析以及CFD計(jì)算機(jī)模擬，其中借助于計(jì)算機(jī)研發(fā)也是在流體分析中重要的一部分。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，在研發(fā)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確、可信度也高;但是存在一些弊端，就是實(shí)驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的資金、需要投入更多的研發(fā)者以及花費(fèi)更多的時(shí)間。很多時(shí)候研發(fā)新產(chǎn)品就是和時(shí)間在賽跑，所以多一秒得到完美的產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品后期批量化生產(chǎn)有著很關(guān)鍵的作用;而理論分析，只能停留在一些前期的計(jì)算與預(yù)測(cè)上，并不能看到真實(shí)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)等等。在這種情況下，計(jì)算機(jī)CFD模擬的出現(xiàn)，給研發(fā)工程師帶來(lái)了很多的便捷，在很大程度上提升了研發(fā)的整體效率，在產(chǎn)品的可靠度方面也值得推薦[3]。

下面列出模擬分析基礎(chǔ)方程連續(xù)性解法和動(dòng)量解法[2]。

2.1.1 連續(xù)解法

對(duì)于物理屬性固定的工作流體，無(wú)論處于何種狀態(tài)，因?yàn)棣?常數(shù)，求解公式可以簡(jiǎn)化為：

在以上方程式中，速度和密度可以通過(guò)式（1）來(lái)確定下來(lái)。

2.1.2 動(dòng)量解法

對(duì)于需要求解的流體，進(jìn)入面與流出截取面在運(yùn)動(dòng)過(guò)程一定是滿足動(dòng)量守恒的。定常流動(dòng)控制體內(nèi)的動(dòng)量保持不變，即

2.2 ICEM劃分網(wǎng)格

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分是采用ANSYS自帶的ICEM模塊，icem在處理一些復(fù)雜模型中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。對(duì)以上兩種模型為了避免網(wǎng)格劃分方法對(duì)計(jì)算的影響，劃分時(shí)都采用非結(jié)構(gòu)劃分方法，三角形四面體的方法，在對(duì)模型網(wǎng)格劃分時(shí)候兼顧網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格質(zhì)量;考慮到整個(gè)模型會(huì)增加網(wǎng)格數(shù)量，所以劃分時(shí)候取模型的一般，中間面設(shè)置為對(duì)稱面，這樣可以有效降低網(wǎng)格數(shù)量提升網(wǎng)格質(zhì)量，有助于提升計(jì)算效率[3]，圖3-圖4為槽型車(chē)廂頂部網(wǎng)格圖。

2.3 邊界條件設(shè)定

邊界條件的設(shè)定尤為關(guān)鍵，在設(shè)定邊界條件時(shí)候一定要結(jié)合實(shí)際與實(shí)際情況相接近，這樣模擬得到的結(jié)果才具有實(shí)際參考價(jià)值，也就會(huì)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相貼合。

本文對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行敘述，采用雙精度穩(wěn)態(tài)壓力求解器[3];進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口80km/h;操作壓力設(shè)置為0Pa，出口為壓力設(shè)置為0Pa，采用湍流模式k-e。

3? 基于FLUENT模擬分析

主要分析車(chē)速在80km/h行駛下，兩種貨車(chē)車(chē)廂頂部速度特性及阻力系數(shù)。

3.1 車(chē)廂頂部壓力特性

圖5、圖6為貨車(chē)車(chē)廂平面頂部及槽型頂部模擬得到的兩種壓力云圖特性，從云圖5和圖6中可以看出槽型車(chē)頂相對(duì)于平面車(chē)頂距離車(chē)頭最近區(qū)域負(fù)壓更為明顯，并且槽型車(chē)頂壓力整體而言較平面車(chē)頂壓力低。

3.2 阻力特性

圖7、圖8為貨車(chē)車(chē)廂平面頂部及槽型頂部模擬得到的兩種阻力特性曲線，從曲線平面車(chē)廂頂部曲線圖7和圖8可以看出阻力系數(shù)隨著車(chē)速的運(yùn)行向負(fù)方向迅速下降，最小值達(dá)到-2.5，之后逐漸向正方向增大，最大阻力系數(shù)達(dá)到0.75，之后趨于穩(wěn)定運(yùn)行阻力系數(shù)保持在0.6左右;槽型車(chē)頂阻力系數(shù)隨著車(chē)速的運(yùn)行，阻力系數(shù)曲線快速下降，之后在-20左右維持穩(wěn)定運(yùn)行?？梢?jiàn)，車(chē)廂頂部形狀對(duì)阻力系數(shù)大小影響很大，所以在進(jìn)行車(chē)廂頂部設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

4? 結(jié)論

該文主要通過(guò)CATIA軟件對(duì)模擬的貨車(chē)進(jìn)行三維建模;之后基于ICEM對(duì)流體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分;再基于FLUENT軟件對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬分析，得到兩種車(chē)廂頂部壓力云圖及阻力系數(shù)特性。

通過(guò)以上模擬得到的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行分析[4]，可見(jiàn)車(chē)廂頂部形狀直接影響到車(chē)廂頂部阻力系數(shù)，并且影響較大;所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮。

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