基于风洞试验的汽车气动阻力计算网格模型优化.pdf

基础 研究 基于风洞试验的汽车气动阻力计算网格模型优化 袁侠 义王娅王 昊霆 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究 院 【 摘要】 分析了一种局部加密网格参数， 并在此参数基础上提出车型开发过程中C F D三维数值模拟的 3 个几何 模型。 通过对 比优化后不同的几 何模 型 ， 并结合风洞试验数据 ， 找到计算成本和计算精度的最佳 交接 点。 进 而可根据 开发节点和优化方案来对 应不 同的最优 C F D分析模型 ， 以指 导车型开发 中气动 阻力 的优化工作。分析结果 表明 ， 最 佳 网格参数和合理的几何模型可有效节约计算成本 和提高计算精度 。 主题词 气动阻力风洞试验网格参数几何模型C F D 中图分类号 U 4 6 1 ． 1 文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 2 0 1 3 0 9 0 0 3 0 0 4 CF D M e s h M o d e l Op t i mi z a t i o n Ba s e d o n W i n d Tu n n e l Te s t Yu a n Xi a y i ，W a n g Ya ，W a n g Ha o t i n g Au t o mo t i v e En g i n e e rin g I n s t i t u t e ，G u a n g z h o u Au t o mo t i v e Gr o u p C o ． ， L t d 【 A b s t r a c t ] A l o c a l r e f i n e d m e s h。 p a r a m e t e r i s a n a l y z e d ，a n d t h r e e g e o m e t r i c a l m o d e l s i n C F D 3 D n u me ri c a l s i mu l a t i o n i n mo d e l d e v e l o p me n t p r o c e s s i n p r e s e n t e d b a s e d o n t h i s p a r a me t e r ．By c o n t r a s t i n g d i f f e r e n t o p t i mi z e d g e o me t r i c a l mo d e l a n d c o m b i n i n g w i n d t u n n e l t e s t d a t a ， t h e o p t i m a l j o i n t p o i n t i s f o u n d f o r c o s t a n d a c c u r a c y c a l c u l a t i o n ． T h e n t h e o p t i ma l C F D a n a l y s i s mo d e l i s c o n s t r u c t e d b a s e d o n d e v e l o p me n t n o d e a n d o p t i mi z a t i o n p r o g r a m t o g u i d e o p t i mi z a t i o n o f a e r o d y n a mi c r e s i s t a n c e i n v e h i c l e mo d e l d e v e l o p me n t ．T h e r e s u l t s o f a n a l y s i s i n d i c a t e t h a t t h e o p t i ma l me s h p a r a me t e r a n d r a t i o n a l g e o me t ric a l mo d e l c a n e f f e c t i v e l y s a v e c alc u l a t i o n c o s t a n d i mp r o v e c a l c u l a t i o n a c c u r a c y ． Ke y wo r d s Ae r o d y n a mi c r e s i s t a n c e， W i n d t u n n e l t e s t ， M e s h p a r a me t e r， Ge o me t r i c a l mo d e l ，CF D 1 前言 利用 C F D分析优化车辆的气动 阻力 已成为企 业开发工作 中的重要方法之一 ．其通用方法是建立 C A D模 型和计算域 ． 划分针对外流场和附面层 的体 网格 ， 设 置湍流模 型、 离散格式和边界条件 ， 待求解 完成后处理分析结果【 l 】 。影响 C F D计算结果的因素 有物理模型、 物理边界和网格参数 。 其中网格参数涉 及的变化量较大 ． 如细微特征是否保留 ． 面网格尺寸 和过渡、 附面层 的层数和高度、 体 网格 的尺寸和加密 等都会一定程度上影响计算精度 目前在车型开发前 阶段 ．包括车型概念选型和 前期造型优化 阶段 ， C F D计算分析均 占主导地位 。 但在考虑整车的复杂结构后 ．网格划分未达到要求 时． 会出现计算网格 的质量和收敛性下降 、 消耗计算 资源过大、仿真可信度变差以及后续优化改型困难 的问题 本文利用 C F D方法 ． 结合项 目经验 ， 首先对汽 一 3 0 一 车外流场 C F D分析中面网格参数做相关分析对 比． 然后对体 网格加密方法做分析对 比．总结 出一套有 效的网格划分参数 最后以某轿车作为研究对象 ， 对 比几 种 建模 方 法 下 的 C F D 仿 真结 果 和 模 型 风 洞 试 验结果的差异 2 网格 参数影响的数学模型 2 ． 1 C F D 的基 本方 程 汽车行驶速度一般远低于声速 ．因而汽车周围 流场可 以看作是三维不可压缩流场 。汽车外形一般 较复杂 ． 容易引起气流分离 ． 所 以流场中的流动应按 湍流形式处理。具体控制方程如下 。 连续方程 d t v v 0 1 动 量方 程 d i v J D g r a d v 一 d i v 2 式中， 表示平均速度 ； V i 表示平均速度分量 ； p表示 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．基 础研 究 ． 4 结束语 a ． 利用 C F D数值计算 理论 的方法 说 明网格 划分对流场计算 的影 响．指 出在流动变化激烈的区 域用小尺寸网格 ． 在变化平缓的区域用大尺寸 网格 ． 并且结合试验结果 ，使用兼顾计算精度和计算成本 的局部加密网格划分方式 b ． 提 出车 型开发 中建立 的 3种物 理几何 模 型 。对于优化方案涉及发动机舱 和底盘的流动优 化应 选择整 车模型 ． 对 于不受 内流 和底 盘 流场影 响的优 化 应 选 择光 滑 底 板模 型或 整 车不带 内流 模 型 参考文献 1 Ak i r a I s h i i． Da i s u k e Az u ma ． S u s t a i n a b l e Ae r o d y n a mi c De s i g n f o r Au t o mo b i l e s ． C a r S t y l i n g，2 0 0 9 ． 2 黄 向东． 汽车空气动力学与车身造型． 北京 人 民交通 出版 社 ． 2 0 0 0 ． 3 S h a n k a r N a t a r a j a n ． A d i t y a M u l e ma n e ， U n d e r h o o d a n d U n d e r b o d y S t u d i e s i n a F u U Ve h i c l e Mo d e l Us i n g Di f f e r e n t Ap p r o a c h e s t o Mo d e l F a n a n d P r e d i c t Re c i r c u l a t i o n ． S AE P a p e r 2 0 0 8 0 1- 1 1 7 3 ． 4 袁志群 ． 谷正气 ． 刘金武． 计及车身附件气 动干涉影响的汽 车流场数值仿真研究． 汽车工程 ， 2 0 1 0 3 2 1 0 3 3 ～ 1 0 3 7 ． 责任编辑展曦 修改稿收到 日期为 2 0 1 3年 4月 9日。 上 接 第 5页 征与 图 8基本一致 ．但各曲线在速度为零 时的作用 力没有重合在 同一点 ．这是由于在试验时当主活塞 速度为零时 ． 浮动活塞仍可能有小幅度运动 ． 使浮动 气室的体积和气压有小幅变化 ．从而对减振支柱的 作 用 力产 生一 定影 响 v ／ m s 一 a Go 0 ． 5 MP a b PlO 0 ．6 MP a 图 1 2 3种阻尼状态 下的作用力一 速度特性试验结果 表 2 新型减振支柱作用力的试验结果与仿真结果对比 复原作用力／ k N 压缩作用力， k N 作用力 低挡 中挡 高挡 低挡 中挡 高挡 阻尼 阻 尼 阻尼 阻 尼 阻 尼 阻 尼 初始 气压I 试 验 值 一 1 ．9 2 1 一 1 ．9 3 5 1 ．9 1 9 - 6 ．7 0 3 - 6 ．9 5 6 - 6 ．8 1 1 0 ． 5 M P a【 仿真值 一 1 ．7 9 8 1 ．7 9 9 1 ． 8 1 3 - 6 ． 8 0 o - 6 ． 8 0 1 - 6 ．8 5 偏差／ ％ 6 ．4 0 7 ． O 3 5 _ 5 2 1 ． 4 3 2 ． 2 2 O ． 6 7 初始气压{ 试验值 - 2 ．3 0 6 - 2 ．3 4 3 - 2 ．3 4 0 - 7 ．9 6 6 - 7 ．9 9 9 - 8 ．0 5 0 0 ． 6 M P a 1 仿真值 一 2 ． 1 6 7 - 2 ． 1 6 7 2 ． 1 8 2 - 8 ． 0 8 7 - 8 ．0 8 8 - 8 ． 1 2 C 偏 差 6 ． 0 3 7 ． 5 1 6 ． 7 5 1 ． 5 O 1 ． 1 0 0 ．0 9 - ． ． 34 ，-- 6结束语 设计了一种汽车悬架新型减振支柱 ．该减振支 柱的空气弹簧力 与减 振器阻尼力具 有耦合作用关 系。建立 了新型减振支柱的气、液力耦合动力学特 性模型 ．通过仿真计算分析了新型减振支柱作用力 的非线性特性及主要影响因素 。 台架试验结果表明， 新型减振支柱作用力的试验值与仿真值基本一致 ． 验证了新型减振支柱设计方案的可行性和所建立动 力学特性模型的正确性 参考 文献 1 王绍铣 ． 夏群生 ， 李建秋。 等． 汽车 电子学． 北京 清华大学 出 版 社 ． 2 0 0 5 ． 2 马莉 ． 何乐 ． 金 达锋． 减振器一体式空气悬架 的试验及静 刚 度特性研究． 汽车技术 ． 2 0 0 9 1 1 5 2 ～ 5 5 ． 3 杜滢君． 刚度和阻尼耦联可调的半 主动悬架一体式 减振支 柱动力学特性研究 f 学位论 文1 ． 镇江 江苏大学， 2 0 1 2 ． 4 江浩斌 ． 杜滢君 ． 叶粲辰． 新型一体式悬架 减振支柱行程相 关 刚度特性研究． 振动 与冲击 ． 2 0 1 2 ． 3 1 2 2 6 6 ～ 7 0 ． 5 J i a n g - h a o b i n ， D u - y i n g j u n ， Y e - s h e n c h e n ． S t i f f n e s s p e rf o r ma n c e s i mu l a t i o n a n d t e s t i n g o f a n e w t y p e i n t e g r a t e d s u s p e n s i o n s t r u t ．Ad v a n c e d Ma t e r i a l s Re s e a r c h Vo l s ， 2 01 2 4 7 2 ～ 4 7 5 ． 6 陈龙- 陈杨。 江浩斌． 等． 节流 口可调式减振器 的性能分析与试 验研究． 江苏大学学报 自然科学版 。 2 0 0 4 ， 2 5 3 2 0 8 - 2 1 1 ． 7 单春 贤． 张冰蔚． 陆勇． 摩托车前减振 器阻尼特性数 学模型 的建立．江苏理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 2 2 5 2 5 ～ 2 8 ． 8 方昌林． 液压 、 气压传动与控制． 北京 机械工业出版社。 2 0 0 1 ． 责任编辑文楫 修改稿收到 日期为 2 0 1 3年 6月 6日 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m