河北工业大学毕业设计说明书(论文)作者：田野学号：110324学院：机械工程学院系(专业)：车辆工程题目：汽车外流场分析研究指导者：武一民教授(姓名) (专业技术职务) 评阅者：(姓名) (专业技术职务)2015 年 6 月 8 日目录1 绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.2 国外发展状况 (2)1.3 毕业设计的主要容 (4)2 汽车外流场分析的理论基础 (5)2.1 引言 (5)2.2 气动力 (5)2.3 负升力产生原理 (6)2.4 负升力与操纵稳定性 (7)2.5 空气动力学套件 (7)2.6 流体数值模拟的理论基础 (11)3 赛车外流场分析 (15)3.1 赛车车身模型的建立及简化 (15)3.2 划分网格 (16)3.3 边界条件的设定 (17)3.4 FLUENT计算结果 (19)3.5 赛车仿真结果分析 (19)4 空气动力学套件方案确定 (23)4.1 前翼的设计 (23)4.2 尾翼的设计 (26)5 加装动力学套件后赛车仿真结果分析 (29)5.1赛车模型的建立 (29)5.2赛车仿真结果分析 (29)结论 (33)参考文献 (34)致 (35)1 绪论1.1 研究背景及意义随着汽车工业的不断发展，汽车的外部造型和气动特性受到了越来越多的关注和重视。
汽车的性能在很大程度上受汽车气动力的影响，尤其对于高速行驶的汽车，气动力对其性能的影响是非常大的，因此汽车高速、安全行驶的必要前提之一就是具有良好的空气动力性能。
因此，在汽车的开发中，对汽车空气动力性能的研究越来越得到汽车制造商的重视。
空气动力是来自于汽车外部的约束，其研究成果不仅直接影响着汽车的动力性、燃油经济性、稳定性、安全性、操纵性、舒适性等，还会间接地影响汽车的外观及审美的流行趋势[1]。
汽车行驶时所受的空气作用力可以被分解为阻力、升力、侧向力、横摆气动力矩、纵倾气动力矩、侧倾气动力矩六个分量[2]。
在这六个分量中，汽车空气阻力所消耗的动力和滚动摩擦所消耗的动力是大小相当的，因此气动阻力系数就成为了衡量汽车空气动力性能的最基本的一个参数，也就是说如何降低汽车的空气阻力系数成为汽车空气动力学最重要的一项研究容。
减小汽车行驶时的空气阻力最常用的方法包括减少汽车的迎风面积和空气的阻力系数，通常来说，汽车的体积大小决定了汽车迎风面积的大小，车身外部造型决定空气阻力的大小。
因此，将汽车车身紧凑化和流线形化是改善汽车气动性能最主要的两种方法。
若汽车的气动造型不合适，在汽车在高速行驶的时候，所受升力的作用可能会使得汽车轮胎的附着力减小而导致打滑，而侧向气动力还特别容易引起汽车的跑偏，使得汽车的操纵稳定性有所下降[3]。
不同的气动造型会给车身带来不同的气动力效应，从而影响到汽车的各项行驶性能。
良好的气动造型设计应该具有较小的阻力系数。
世界汽车造型的发展基本与降低风阻系数的技术研究同步，从箱型、流线型、船型到鱼型和契型，每一次造型风格变化都带来了风阻系数的大幅降低[4]。
对车速较高的车辆，除了随车速平方增加的气动阻力外，气动升力和气动侧力带来的操纵稳定性问题也是需要考虑问题。
不合理的气动造型设计将会造成发飘、转向性能变差等操纵失调问题[5]。
举一个例子来说，分析气动阻力的基本组成成份可知，压差阻力大约占总阻力的85%，其余15%则来自于摩擦阻力。
在压差阻力中，根据车尾结构的不同前后压差分配有所不同，但一般而言，其中百分之十来自于车身前端，而高达九成来自车身的尾部。
所以说压差阻力是汽车气动阻力的主要成分，而汽车尾流的形态和结构对压差阻力有非常大的影响。
从气动阻力的产生机理来看，它是由形阻和涡阻构成，涡阻占40% 左右，主要来自于汽车的尾涡[6]。
大量实验观测和理论分析结果表明，在基本流场为定常的情况下，对流动施加一定的扰动，可以使已经分离的气流再附着，从而可以控制尾流[7]。
因此，给汽车安装一个合适的扰流板，就可以改善汽车尾流的结构和形态，这样就可以有效地减小汽车的气动升力和诱导阻力，从而改善汽车的空气动力特性。
测试气动阻力系数的方法主要有三种：风洞试验法、功率平衡法和数值计算法[8]。
由于汽车的风洞实验对车身空气动力性能有非常好的预测性，所以风洞试验已经是汽车设计中非常重要的流程之一，但是它也有流程复杂、费用高、周期长等明显缺点。
近年来，随着计算机应用技术高速发展和湍流理论的不断完善，用计算机来模拟风洞试验已经成为了可能，基于CFD的汽车空气动力学数值模拟技术在汽车造型设计中开始发挥越来越重要的作用。
由于数值计算方法具有效率高、成本低、应用围广等优点，从而得以迅速地发展。
如今汽车设计领域已经开始广泛地运用计算流体力学即Computational Fluid Dynamics，也就是CFD进行流体的数值模拟。
1.2 国外发展状况从二十世纪六十年代以来，欧美等一些发达国家的CFD技术得到迅速发展。
最初航空飞行器的设计方法有费时、造价高、所得信息量有限等不足，CFD的应用使得原型机减少，费用降低、周期变短、实验效果理想，因此CFD的发展得到了巨大的推动。
目前国外用CFD对航空、汽车等领域产品进行设计、分析、优化已经成为必经的步骤和重要手段[9]。
如今随着CFD技术的发展，在越来越多的汽车设计中已经实现了计算流体力学的应用。
近些年以来，欧洲、美国、日本的一些汽车厂家已经开始致力于开发和利用 CFD 技术，并且已经取得了非常多的科研成果。
在八十年代初期，计算流体力学的应用还仅局限于对车身的基本形状的模拟，但最近随着CFD技术的发展，包括后视镜、复杂地板、车轮等复杂汽车部件都已经实现了计算机模拟仿真。
在精度方面，计算精度误差已经可以降到5%以[10]。
可视化技术已经大量地应用在计算流体力学的结果分析之中，这些可视化技术可以应用和显示在软件之中[11]，如图1.1。
因为计算所得到的数据是非常庞大的，计算机可以运用可视化技术将数字信息转化为图形或动画，这十分有利于研究人员对数据的分析和理解。
德国大众汽车公司、德国戴姆勒一奔驰公司、瑞典沃尔沃汽车公司、意大利菲亚特Richerche技术中心、日本三菱公司等应用自编程序或商业化软件对汽车外流场卓有成效地进行了数值模拟分析，总结了很多计算模拟经验。
逐步认识到数值仿真在汽车车身设计中的重要性。
图1.1 CFD可视化技术国自行设计汽车的能力比较低，并且长期以来，一直是在模仿或者直接引进国外的技术，最开始的时候主要是采用缩尺模型进行风洞试验研究。
国对于汽车空气动力学数值模拟的研究则是从上世纪九十年代开始的，许多研究院借鉴以前在航空、造船方面的经验，比较成功地运用二维和三维的方式模拟了汽车的外流场。
但是对模型划分的网格数目比较少，计算的结果和精度都只相当于国外20世纪80年代初期水平。
目前，采用CFD软件进行日常的设计和分析已经成为许多企业非常重要的流程之一。
并且随着CFD技术的快速发展，我国很多的高校和研究院也对计算流体力学加大了研究力度。
1.3 毕业设计的主要容本文以工业大学AREI赛车为研究对象，通过CATIA建立赛车的三维模型，应用ICEM软件做模型的前处理工作，即进行模型的网格划分，通过FLUENT进行CFD模拟计算以及后期分析工作。
先后对赛车的初始模型和安装空套的模型进行CFD 数值计算，研究赛车车身整体的压力分布、赛车对称面速度分布、整车外流场情况以及赛车侧舱、前翼、尾翼等局部外流场情况，最后得到赛车的气动阻力和气动升力值。
将两次模拟结果进行对比。
具体步骤如下：1）运用CATIA建立赛车的三维几何模型；2）运用ICEM做为前处理软件，对模型进行网格的划分；3）通过FLUENT进行计算模拟，分析车身外部流场的情况；4）设计符合赛车气动要求的前翼和尾翼；5）把设计好的前翼和尾翼跟原赛车模型进行装配；6）用同样的方法对新模型进行计算模拟，分析车身外部流场的情况；7）将两次的仿真结果进行对比并得出结论。
2 汽车外流场分析的理论基础2.1 引言汽车外流场分析涉及汽车车身造型、空气动力学、计算机模拟仿真等领域。
主要应用的理论包括空气动力学和流体数值模拟理论两部分。
具体包括汽车气动力、负升力产生原理、负升力对操纵稳定性的影响、负升力翼的设计原理、湍流模型理论及数值计算方法等。
2.2 气动力如图2.1所示，作用在赛车上的气动力可分为气动阻力、气动升力、气动侧向力。
气动阻力的方向是平行于赛车行驶方向指向车后方（x 轴方向）；气动侧向力是赛车y 轴方向的力；气动升力是垂直于地面向上的力（z 轴方向），当然，下压力就是-z轴方向的力。
赛车在强侧风工况中行驶时，气动侧向力不能忽略，但为了简化研究，一般都认为赛车车速远远大于侧风速度，因此可以忽略气动侧向力带来的影响。
图2.1 赛车气动力示意图定义气动阻力F d 为：2d d V AC 21F ∞=ρ 2.1气动升力F l 为： 2l l V AC 21F ∞=ρ 2.2 气动侧向力F y 为： 2y y V AC 21F ∞=ρ 2.3 式中 A 是迎风面积，V 为车速，ρ为空气密度，C 分别为阻力系数、升力系数和侧向力系数。
由此可见，气动力跟车速的平方成正比。
2.3 负升力产生原理欧拉建立的伯努利方程可以表述为：C2P 2=+V ρ 2.4 其中P 为压强，为流体，密度V 为流速，C 为常数。
从方程可得，流场中某点处压强随流速增加而减小，因此可以通过改变障碍外形线来改变障碍物周围流场的速度分布，进而改变周围流场的压力，飞机机翼之所以产生升力就是这个原因。
图2.2是飞机机翼的剖面的示意图，空气流过机翼时，气体在机翼前部分离为上下两部分，这两部分空气最后在翼片的末端重新汇聚到一起。
飞机机翼的上表面比下表面更长，从而导致翼片上方的空气流速要比翼片下方流速快，空气流速增大，其密度减小，则气压减小，从而翼片上下产生了压差，也就是升力。
图2.2 负升力产生原理赛车上的负升力翼与飞机上的机翼的基本原理是相同的，但不同的是，飞机飞行需要的是机翼产生向上抬升的力，而赛车则恰恰相反，赛车需要紧贴地面也就是其负升力翼需要产生向下压制的力。
所以把机翼倒过来放置，就是简单的负升力翼，气动效果也相反，产生向下压的力，即负升力（negative lift)[12]。
2.4 负升力与操纵稳定性图2.3为赛车过弯时的受力情况，G 是赛车的车重，N L 、N R 分别为左右轮所受地 面的支 持 力，Y L 、Y R 分别为左右轮所受地面的侧 向 力，Fc 是惯 性 离 心 力，G ’是气动组件所受的气 动 负 升 力，B 是赛 车 轮 距、h 是赛 车质 心 高 度、R 是转 弯 半 径。
推导可得赛车不发生侧滑的条件：R L cY Y F +≤，由地面侧向附着件：)'(G G Y Y R L +⨯=+ε，ε是侧 向 附 着 系 数，所以不发生侧 滑的转 弯 最 大 速 度为：)1('GG Rg V +=ε 2.5 图2.3 赛车过弯时的受力情况由公式可以得出，当轮 距、重 心 高 度的改变受到制约，汽车转弯时轮胎的附 着 系 数即将用尽时，气 动 负 升 力对高速转 弯 性 能起着十分重要的作用。