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1、栩桑塔纳型轿车外流场的有限元分析孙永伶吴光强同济大学孟嗣宗上海汽车工业培训中心【摘要】本文将计算流体动力学 技术应用于桑塔纳双洲刃型轿车的气动特性研究,采用飞有限元方法 模拟其外流场。通过数值计算得出车速在而时的阻力系数,并与风洞试验的结果进行比较,误差仅为。叙词】有限元素法流体动力学轿车前言轿车的空气动力特性对其高速行驶时的安全性、舒适性和燃油经济性等性能指标有很大影响,各汽车制造公司在开发新车型时都充分注意改善车型 的气动性能。轿车最主要的气动性能参数是六分力系数,六分力系数 中最关心 的是阻力系数,即值。一直以来,对汽车空气动力学的研究有理论和试验两种方法。目前,国内在这方面 的研究以风
2、洞试验为主。在 国际上,由于高速计算机的出现和数值分析方法 的不断改进,数值模拟技术得以快速地发展。为减少汽车的风洞试验,计算流体动力学功方法逐渐成为汽车气动力分析的一个基本工具。技术已广泛应用于航空航天领域。随着程序代码效率的提高和计算机运算速度的加快,计算成本不断下降,使能越来越多地应用于商用领域。在汽车方面,广泛地用于车身外部形状分析、内燃机分析及乘员仓通风分析。用方法计算分析汽车外流场已有人作了很多研究工作,与汽车风洞试验相比,方法不需要实车模型,具有周期短、成本低、可反复计算等优点。虽然数值计算对性能参数绝对值的估计有一定误差,但在预测流场特征随车身形状变化的趋势方面是最有效的,很适
3、合于汽车外形的选择分析。目前国际上 流行的成型软件包主要 有一、等,这些分析软件对于运动流体偏微分方程的求解大多基于有限差分法和有限体积法。本文利用的求解器,采用有限元方法几分析型轿车的气动阻力。计算结果与风洞试验的结果有很好的一致性。桑塔纳仪刃型轿车风洞试验简介根据技术报告推荐,汽车风 洞试验用坐标系如图所示,即坐标原点在风洞底板平面汽车四轮 中心,车身纵轴为轴,前 向为正。气动力分量的定义为 阻力与轴方向相反,侧力与轴同向,升力与轴反 向 三个力矩、分别按、坐标轴方向遵守右手定则。试验风洞为同济大学的一汽车风洞,该风洞配有一套风速控制和数据采集系统,该系统通过面板预设风速值,采用闭环控制和
4、温度补偿获得均匀风速。一风洞所用的浮框式测力天平由同济大学风洞试验室和航空工业总公司所、所共同研制完成的。这是我国研制的第一台浮框式汽车风洞 天平,采用高精度的应变传感器,具有良好的精度和重复性等技术指标。天平配备了高精度电压放大器和数据采集系统,能够收稿日期刀一卜准确通过计算机对各个传感器电压信号进行快速采集测量和实时处理。脚三维绘图软件,建立轿车的参数模型见图所示,这里不考虑车身的一些外饰件和突起,不计人车轮模型。多沙图型轿车的模型图汽车风洞试验符号标准图以刃型轿车模型风洞以刃轿车的模型气动力试验在一风洞中进行,装置见图所示。为了模拟汽车在静止空气中行驶的气动状态,风洞试验段的边界层位移厚
5、度应当控制在尽可能小 的范 围内,因为静止空气在路面上是没有边界层形成的。一风洞选用了上游基础抽吸装置,模拟汽车实际行驶过程中的地面效应。模型的主要几何参数为正投影面积扩,轴距二,模型全长。试验风速在而时,对应的雷诺数卜火护,测得阻力系数为。由于该模型相对有限元计算来说较为复杂,因此为简化起见,暂不考虑轮罩。选取车体外的流动计算区域,将车体以外长,宽,高的空间看作空气流体充满的区域。为突出主要问题,兼考虑 网格划分的要求,车体的模型作了一定的简化。有限元计算中,网格的划分,即前处理工作极为关键,计算网格 的质量对计算能否成功至关重要,不但影响计算的速度和精度,而且不合适的网格会导致计算发散。本
6、文利用 国际上知名公司的前处理模块对计算区域进行有限元网格的划分。为了灵活地适应复杂的流体区域并保证计算结果 收敛,选 用四面体四节点单元。在体单元网格生成的过程中,首先在流体的边界用三角形面单元生成有限元网格 在车体附近采用细化的网格,见图,接着统一所有面单元的法向,在此基础上,利用软件的功能自动生成体网格 见图。图车体表面网格的分布 计算模型分析汽车的气动特性首先要建立汽车的模型,以人。 汉型轿车的基本外形,借助有限元模型加上适当的边界条件,定义流体的特性,即可对选定区域进行有 限元计算。计算将利用模块,在微机上进行迭代求解。上海汽车图车体附近体网格的分布计算条件和结果分析解析方法首先用数
7、学方程描述实际流体,为简化而作各种近似,进而引人相应的紊流模型,进行数值计算。即模块是专为分析流 体运动而设的,其基本原理是基于流体动力学 的基本控制方程和有限元基础。它采用有限元方法离散流体区域,在离散后的单元体内用插值函数建立单元有限元方程,通过一定 的法则累加得总体有限元方程。这样将描述流体运动的偏微分方程转化为一系列代数方程,求得这些代数方程组的解,作为原方程的近似解。计算在几微机上进行,迭代次后速度和压力在给定的精度范围内达到收敛,计算所需时间约个小时。图给出对称面上的压力分布和速度分布。可以看出 在车体头部和发动机罩前部与前风窗交界处都出现明显 的正压 在发动机罩的前部和车顶的前部
8、都出现明显的负压。这些特点和风洞实验的压力分布情况十分吻合。由压力场的分布情况可计算出轿车的阻力系数。阻力系数定义为二二,其中表示阻力,二表示动压比产二,为空气密度,为汽车模型的正投影面积。对轿车表面的压力项数据作积分,计算出阻力系数值二。这与风洞试验的结果相比稍偏大。从速度分布图中可以发现,在车体前部和尾部都存在显著的分离现象,而且在尾部有较小的回流区。流经车顶的气流离开车身后基本上平行于地面,稍偏向车身侧面方向,流经车底和地面之间的气流离开车身后向上流动,尾迹中的气流方向主要以向上为主。计算结果所反映出的流场特点与试验手段所揭示的基本吻合。不令 矛二公工二称协岁一乙乏、,、一于以刃型轿车、
9、争,叨丁尸图轿车对称中性面上的压力、速度分布结论通过数值计算获得以入型轿车的气动特性,阻力系数的计算结果与风洞试验的相对误差在左右。这充分说明用有限元法分析汽车外流场是切实可行的。据此,可以在原有车型的基础上,对其几何参数进行修改,根据计算结果的分析可寻求最佳气动特性时的几何外形。这样大大缩短了车型改进的研发时间,也降低了试制成本。对于汽车工业增强自主开发能力来说,这无疑是具有极大的推动作用。对本文的研究对象来说,将轿车的外流场看作等温、不可压的。定义流体为,常温下的空气,空气密度取职娜衬,采用标准的一。模型模拟湍流。对边界作如下处理在计算区域的顶面、侧面和底面均作固壁处理。人口条件为来流速度
10、二二而,来流湍流强度为。出口条件为沿主流方向梯度为零,出口边界面上取作大气压二。参考文献傅立敏汽车空气动力学 机械工程出版社,卯山山叨印司翻班洲刃而声面以山川侥犯阮,】邓一常思勤,鹿圣刚计算流体力学进展及其在汽车设计中的应用武汉汽车工业大学学报,彻卿一巧下转第页译码器匹配。车身控制模块有记忆功能并记住启动用车钥匙值。每次钥匙插人钥匙孔 内,钥匙确认系统都会阅读钥匙值,一旦使用错误钥匙,车身控制模块将发出不能供油 的指令给发动机动力和自动变速器的控制模块,同时由车身控制模块发给组合仪表显示 一个报警信号,安全灯闪亮。在此期间。如果此人企图再次启动汽车,发动机动力控制模块都不会发 出启动和供油指令
11、。这就阻止了有人拿着带不同电阻片的不同钥匙进行盗车的企图。自动灯光控制系统别克车与国内其它车型还有一不同之处是有一套自动灯光控制系统。该电子控制系统作用是在汽车行驶过程 中,由光亮之处进人到一段昏暗路段,象树林茂密的林荫大道、隧道 ,车前的自然光强度减低到足够暗时,自动将示宽灯点亮,汽车的前大灯点亮,仪表板等照明灯 随着前大灯的点亮也点亮。自动灯光控制系统由光传感器和自动灯光控制模块两部分组成 光传感器是一个光敏电阻,它的电阻值随着光照强度的变化而变化。自动灯光控制模块根据接收到 的光传感器电阻变化信号,判断前大灯的点亮或熄灭。音频警告提醒系统车身控制模块是汽车车身电气设备的控制 中心。该模块
12、为前灯开着,驾驶员安全带未扣好,驻车制动未松和钥匙忘在 点火 开关中提供声 音警七侣习如果点火开关开通 而驾驶员的安全带未扣好,驻车制动未松,车身控制模块将点亮安全带和制动警告灯,同时音频警告提醒系统为未扣 紧安全带,驻车制动未松提供警告信号,直到驾驶员对上述提醒作出反应后才解除。如果把钥匙留在点火开关中而开关处于锁死或关断位置并且一扇门开着,车身控制模块也会发出这样的声音。结语在当今世界进人信息时代的形势下,汽车 电子控制技术已成为世纪汽车发展主流,传统意义上的机械产品汽车只有靠迅速发展的微电子技术和软件技术,才能实现产品的不断推陈出新和更新换代,满足当代人对汽车安全性、舒适性和信息网络技术发展的需要,中国加人在即,中国汽车工业应在以汽车工业数字化、电子化为特征的新一轮技术革命中,抓住机遇,在较短的时间内迅速缩短与世界先进水平的差距,以获得在世界汽车工业一席之地。上接第巧页浮框式汽车模型风洞天平系统的研制汽车模型风洞建设及其测试分析技术 分报告之二,卯艳骊护犯卜司斑企此,凡罗山讨犯,一街二,伞即四朋几袱五 一哪 而二二耐叨血获妇一,明。
