汽车CFD仿真分析步骤

1. 实验原理

1.1何为CFD：

    Computational Fluid Dynamic(CFD)是一门预测流体流动，传质传热，化学反应和其相关现象的一门科学，通过计算质量守恒，能量守恒等方程，来预测这些现象。

1.2 CFD工作原理简述

    Ansys CFD是基于有限体积法求解基本方程：

1. 将计算域离散成一个有限的控制体

2. 求解控制体上的质量、动量和能量等广义方程（如下面（1）式子）

3. 偏微分方程组离散化为代数方程组

4. 用数值求解法求解所有的代数方程以获得流场域的解

1.3 汽车空气动力学原理简述：

    汽车空气动力特性直接影响汽车的动力性能、操 作稳定性、燃油经济性和气动噪声性能，甚至影响汽车的行驶安全。空气动力学在科学的范畴里是一门艰深的度量科学，一辆汽车在行使时，会对相对静止的空气造成不可避免的冲击，空气会因此向四周流动，而蹿入车底的气流便会被暂时困于车底的各个机械部件之中，空气会被行使中的汽车拉动，所以当一辆汽车飞驰而过之后，地上的纸张和树叶会被卷起。此外，车底的气流会对车头和引擎舱内产生一股浮升力，削弱车轮对地面的下压力，影响汽车的操控表现。另外，汽车的燃料在燃烧推动机械运转时已经消耗了一大部分动力，而当汽车高速行使时，一部分动力也会被用做克服空气的阻力。所以，空气动力学对于汽车设计的意义不仅仅在于改善汽车的操控性，同时也是降低油耗的一个窍门。

2.实验目的

    1.了解空气动力学基本理论，将流体力学所学的相关知识运用到实际中。

    2.了解CFD软件Fluent的相关应用

    3.了解风洞试验基本原理

    4.培养车辆工程专业学生相关的专业技能

3.实验过程简要概述

    1.首先，用Solidworks进行建模对模型进行简要的整理

    2.利用Fluent软件打开该模型（几何）然后对模型进行修复以及相应的对称等操作的前处理。

    3.导入网格部分，对网格进行划分，注重网格质量，注意网格大小。

    4.进入设置部分，对相应的所有参数进行设置，调整之后进入下一步。

    5.进入求解步骤，生成各种图像，生成各种数据及相应的表格。

    6.进入结果步骤，生成需要的结果图片，对结果进行分析形成实验报告。

4.实验操作步骤

4.1小车建模

    首先，利用Catia进行建模，建立实体小车模型（小车外壳）。建立基本的模型如下图所示：

图1 Solidworks小车模型 1

    车的各方面长宽高为4.35m×1.88m×1.2m

    后续为了仿真方便性，把汽车进行了简化，并且由于轮胎和地面相接触夹角较小，导致轮胎和地面相接触网格质量非常差，所以将轮胎靠近地面处建模成一个凸台，简化后模型如下图所示：

图2 Ansys spaceclaim轿车

4.2小车几何形导入

    然后将模型导入Ansys Fluent中的几何部分，导入后，首先对模型进行结构上的检查与修复，由于在之前建模过程中已经尽力去除非圆角的部分（也就是说比较尖锐和极端的地方）所以，该过程显示没有需要修复的面，这样简化了操作步骤和时间。后续进行的过程，只需对车模的计算域进行一个处理（设置计算域），根据和老师了解到，老师建议给到的计算域大小尺寸是：车长的8-10倍，车宽的10倍，车高的6倍，于是，我将计算域的大小设置成了如下数据以满足相应的要求，也可以促进计算的准确性：

   长宽高为34.8m*18.8m*7.2m

    划分好相应的计算域之后，由于汽车的高度对称性，使得计算一半的阻力升力等空气动力系数即可，所以进行一个隐藏操作与剪切，做出如下计算域。

    最后对汽车周围与尾流进行boi加密处理，得到的计算域如下

图3 小车计算域

    划分好之后，进行各个流体域边界以及小车整体进行一个命名，命名之后才可以进行下一步：

图4小车计算域命名

4.3 网格划分与生成设置

     打开网格相应界面，选择双精度进入界面(双精度设置如下图所示)，进入网格划分界面（Meshing）。

图5网格精度参数设置  

    1. 打开界面之后，按照左图流程一步一步进行相关的操作，首先导入几何模型，将上一步在Spaceclaim中所修复的几何模型导入进来。

    2. 导入之后，添加几何尺寸，几何尺寸栏目勾选[Yes]，然后选择小车（car），然后对它的几何尺寸进行修正。给予小车合适的[Target Mesh Size],我这里根据小车尺寸和上网查询并且优化选择0.03m（如图6），其次添加boi区域加密，设置boi尺寸为0.03m（如图6）。

    3. 下一步，生成面网格，面网格这里有[MaxSize]和[Minsize]两种选择，由于电脑内存空间有限，计量选择网格不要太小，又要保证其精准度，于是网格最小的尺寸我将其设置成0.03m，最大尺寸设置成0.5m（其中还是有很多不严谨的地方，但是经过多次实验，该组数据是保证我的电脑状况正常的情况下的最好选择）。然后等待生成即可（如图7）。

    4. 根据下一步提示，软件提醒我要将该表面网格进行一个质量的改善以及数量的改善，于是在面网格质量限制那里选择0.9（如图8）。

    5. 接下来，描述几何结构、更新边界、添加边界层等步骤选取默认数据就可以。

    6. 最后进行体网格的生成，生成体网格的过程中要注意参数的设置，和上面面网格设置的原则是基本上一致的。其中[Max Cell Length]这个选项，上网查阅后，根据尺寸我选择了0.5m（如图9）然后生成体网格。

图6局部尺寸设置 1

图7面网格参数设置

图8改善面网格质量

图9体网格参数

     对这些处理完了之后可以进行下一步的计算过程，图10和图11两张图分别是面网格生成后的示意图和体网格生成后的示意图（10和11两张图为了更好的区分我选择了不同的颜色进行表示）

图10面网格图

图11体网格图

4.4 进入计算参数设置

     在进入此步骤之前，先对所生成的网格进行一个描述性的统计，以此确保网格质量，对网格质量如果不达标还需对上一步进行更改和修正（如图12）。对网格数量我也进行了描述性统计（如图13）     

图12网格质量分析图

图13网格数量分析图

    1. 点击上方的显示网格，将边选项勾选上，操作后的变化图如下所示（图14）。

图14 设置初始图  

    2. 然后对粘性进行更改，参数如图15所示。

图15粘性值修正图

    3. 材料部分选择[流体]这一选项，保持默认参数

    4. 选择边界条件，对边界条件参数进行更改，入口风速我在此选用30m/s。（如图16）然后选择出口条件，出口速度保持为0，湍流强度等参数与入口时同时设置成为1。然后对流场的参数进行设置，压力设置成大气压（101325kPa），温度常温不用改变，速度调整为30m/s。（如图17）

图16入口系数设置图

图17 参考值设置图

     进行报告的定义，定义一个升力系数报告（图18）和一个阻力系数的报告（图19）。

图18升力报告设置示意图

图19阻力报告参数设置示意图

    5. 生成残差图（图20）、升力报告图（图21）、阻力报告图（图22）。

图20残差示意图

图21升力报告图

图22阻力报告示意图

    6. 然后创建一段范围内的直线，创建以车的中心为对称的对称面，对车的一段迹线和整车迹线以及云图进行分析

    7. 生成相应的分析图，一段迹线（如图23），整车迹线（如图24），云图（如图25），矢量图（如图26）

 

图23一段迹线                          图24整车迹线

 

图25云图                               图26矢量图

    8. 生成Ansys-Fluent该计算环节电脑自带的实验报告，截取有用的数据。图27为相关的参数设置，图28为一些基本按键和边界条件的基本数值输入信息。

图27相关参数设置  

图28 边界条件

4.5 进入结果生成页面

    1.进入结果界面后，首先设置Dp计算方法，首先进入[Expressions]界面，进行最初值的赋予，新建一个Dp算法（如图29）。

图29Dp算法初设置

    2.然后进行Cp算法的设置。先创建Cp（图30），然后进入[Variables]，然后在上方选择Insert选项，然后选择[Contour]创建后，Location选项里面，选择[wall-car], [Variables]中选择[Cp]然后进行自定义迭代的次数和相应的范围，产生如图31所示的示意图。

图30 汽车表面压力云图

图31云图以及地面分布示意图

    3.然后重复上述步骤，只需要将[Location]中的[wall-car]更改成[wall-floor]可以生成地面等压示意图（如图32）。

图32 地面等压示意图

5.实验总结和优化建议

    从分析图我们可以清楚的看到：流体流速大的地方压强小，流速小的地方压强大。从汽车的前侧和后侧来看，前侧的压力要明显小于后侧的压力。可以很容易的发现，车的前侧部分迎风，所受压力明显大于后部分。前侧所受压力主要呈现红色、橙色还有黄色这种比较暖的颜色，这表明所受压力较大。车侧部还有车尾部主要呈现蓝色、青色还有绿色这种比较冷色调的颜色，这表示所受压力比较小一点。因此，给出以下优化建议：查询相关的文献了解到，空气阻力对汽车的油耗影响是非常大的，高速行驶时，所消耗的燃油主要用来克服空气阻力。现在的轿车阻力系数一般都在0.28左右，最低的可以做到0.22实验结果大致符合）。所以我们一般的汽车采用流线型，提高燃油经济性，减少成本。在风窗处，我们还要尽力减少相关的凸出物，然后实现优化设计。