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1、l目目 录录 中文摘要3 Abstract4 1 绪 论5 1.1 课题研究的背景和意义.5 1.2 研究方法6 1.2.1 风洞实验.6 1.2.2 数值模拟方法.7 1.3 国内外研究现状8 1.3.1 国外研究现状8 1.3.2 国内研究现状8 1.4 本文的研究要点9 2 汽车空气动力学特性以及流体计算理论.10 2.1 空气动力学基本理论10 2.1.1 空气的基本物理属性.10 2.1.2 气流运动的基本方程.12 2.1.3 流体阻力的理论13 2.2 汽车的绕流特性.16 2.3 汽车空气动力学气动特性研究18 2.3.1 汽车的气动六分力.18 2.3.2 汽车气动力对汽车行
2、驶的影响.19 3 FLUENT 软件计算前的处理 22 3.1 三厢轿车的 CATIA 软件的建模.22 3.2 有限元方法数值计算简介233.2.1 有限元方法概述.23 3.2.2 数值计算中的微分方程解法24 3.3 GAMBIT 中对轿车模型网格操作.26 3.3.1 GAMBIT 网格简介26 3.3.1 选定计算区域27 4 FLUENT 计算结果以及分析 30 4.1 FLUENT 计算 .30 4.1.1 FLUENT 边界条件的选定 30 4.1.2 收敛条件的判断31 4.2 三厢轿车模型的结果分析.32 4.2.1 车身外流场分析.32 4.2.2 汽车尾部流场的分析.
3、34 4.2.3 气动力计算及性能分析.37 5 扩展、总结与展望.39l5.1 扩展.39 5.1.1 改善汽车空气动力学性能概述39 5.2 总结.40 5.3 展望.41l中文摘要：汽车在较高速度行驶的时，来自空气的反作用力将会对汽车产生很大的影响，包括汽车的阻力以及升力带来的操纵稳定性的问题。通过对汽车车身的造型进行设计能够减少空气阻力从而能降低燃油消耗；也可以减少高速行驶时的气动升力以带来行驶的安全性。通过对汽车外流场以及尾部流场的模拟能够反应汽车的气动性能。与传统的风洞实验相比，汽车外流场的计算机数值模拟具有可再现性、周期短以及低成本的优点。实用的 CFD 技术对获得所需的汽车空气
4、动力学特性具有重要的意义。本文根据 CFD 的理论方法，利用 CFD 软件 FLUENT 对三厢轿车模型进行了空气动力学分析，尤其考察了其尾部的流场状况。首先，在 CATIA 软件中构建三维三厢轿车模型，确定计算区域；其次，在 GAMBIT 软件中进行计算区域的布尔运算和网格划分，并确定边界条件，导出网格文件；然后，在 FLUENT 软件中进行解算（迭代计算） ，计算模型的气动阻力和气动升力系数；最后，在 FLUENT 软件的后处理软件中得出各个图像（各个监测表面的速度矢量图，压力等高线图，以及流线图） ，并进行分析说明。关键词：关键词：CFD 三厢轿车 尾部流场 CATIA GAMBIT F
5、LUENT 软件汽车外部流场 气动升力系数 气动阻力系数 lAbstract:When a car is running at a high speed, the air outside will give a lot of complex forces to the car. These forces including drag-force and lift-force will affect the running-cars handling and fuel consumption . By a good body-style of a car , we can get a bette
6、r fuel consumption target , and a more secure state of operating .To find a model good or not at these targets , we have two ways to realize , one is in the wind-tunnel , and another is in the computer , by the CFD software . Compared with wind-tunnel , the CFD software is more convenient in time an
7、d cheaper in cost . The FLUENT is one of these CFD softwares , and in this article , I use it for my simulation of the car model , especially the air state of the tail .First , in the software CATIA , establish the 3-D car model , and the calculating zones .Second , use the software GAMBIT to do som
8、e Boolean operating and mesh the calculating zone so that we can calculate by finite element ways .Third , calculate by iteration in the software FLUENT to get the steady state and the Cd and the Cl of the model .Finally , use the FLUENT to do some pro-handling including plots and photos of the simu
9、lation results so that we can analyze it in theory .Key words: CFD three-box car Flow field off the car tail CATIA GAMBIT FLUENT software Flow field outside the auto Coefficient of the air drag force Coefficient of the air lift forcel1 绪 论1.1 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义汽车空气动力学是研究汽车在行驶过程中，空气流经汽车时的流动规律及与汽车相互
10、作用的一门科学。汽车空气动力特性是汽车的重要性能之一，它是指汽车行驶时在流场中受到以阻力为主的包括侧向力、升力及其相应的力矩的作用而产生的汽车车身外部和内部的气流特性、气动噪声特性、侧风稳定性、刮水器上浮、灰尘的附着和上卷以及驾驶室内通风、发动机冷却、空气调节等特性。从早先年的三厢汽车典型造型大众 Santana，到近年来的流线型汽车Passat，汽车厂家越来越重视气动造型的设计与改进，以期在满足安全、美学等综合要素的前提下，能更好地提高汽车的动力性，燃油经济型以及操纵稳定性。汽车的动力性和操纵稳定性在汽车设计的过程中是必不可少的一个环节，它是汽车性能的一个重要评价指标，涉及到人的安全性，具有
11、很重要的研究价值。而在高速行驶时，汽车的动力性和操纵稳定性与空气的作用力息息相关。气动性能较差的汽车造型，在高速时有“发飘”的感觉，这是气动升力升高的缘故，当气动升力很大是时，汽车不能很好地抓地，故而其驱动性能下降，其动力性变差。而当汽车发飘时，其操纵稳定性变得极其恶劣，尤其是当受到外界干扰时（如路面不平输入以及微侧向风） ，汽车会很快失稳，对驾驶者和乘客造成麻烦。提高燃油经济型是今后汽车发展趋势，用柴油机代替汽油机、改进现有的发动机和燃油品质、采用新燃料、采用复合动力装置等是比较有效的方法，但是对这些方法的研究已经逐渐完善，并没有多大的潜力可挖，而另一种有效的方法是减小汽车行驶时的空气阻力。
12、要想在提高燃油效率的同时又不增加成本，不降低汽车的性能，则需要减小空气的阻力。有研究表明汽车的车速在 80km/h时，空气阻力与滚动阻力几乎相等，但当汽车的车速在 150km/h 时，空气阻力约为滚动阻力的 23 倍。因此，减小空气阻力的研究是十分重要的，尤其是在新车型的开发设计过程中，对其进行空气动力性能分析是必不可少的。评价一款汽车的气动造型是否良好，需要各个方面各个参数进行综合考虑，例如汽车的阻力系数 Cd 和升力系数 Cl，以及局部的流场情况，更重要的是要与汽车的空间和视野等一系列因素相匹配。l尾部流场对汽车的阻力与升力具有很高的影响效果，尾部的漩涡将会对汽车产生负压，湍流对汽车的速度
13、进行消耗，从而影响汽车的升力系数以及阻力系数，据统计尾部的压差阻力将占总的压差阻力的 90%，而前端得压差阻力贡献在 10%左右，故而对于汽车的尾部流场的模拟具有重要的价值。汽车在行驶过程中将产生诱导阻力，这个诱导阻力是侧围的湍流形成的漩涡对汽车的消耗，在高速时对汽车风阻的贡献达到很高的比例。图图 1.1 不同尾部汽车的尾流不同尾部汽车的尾流对此本文将对三厢轿车模型的尾部流场进行模拟， （包括尾部的漩涡和尾部侧围的漩涡）并对其进行评价，与理论和经验进行对比，做出适当的判断和研究。目前国内外正兴起运用计算手段进行流体的模拟，使手段较之之前的单一的风洞试验来的更加方便，并具有很好的再现性。1.2
14、研究方法研究方法汽车空气动力学的研究方法按照研究手段可以分为:风洞实验、理论分析和数值模拟。1.2.1 风洞实验风洞是按照一定的要求建造的管道，利用动力装置等设备在管道中产生可调节的气流。在风洞中模拟出大气流场的状态，可以将汽车或汽车模型放到实验段内进行汽车空气动力学实验。目前，世界上的汽车风洞是多种多样的，按照气流循环的形式来分，可分为回流型风洞和直流型风洞。l目前，汽车风洞实验主要测量以下的几个内容：(l)测量气动力和气动力矩(2)测量汽车表面压强分布(3)流谱显示实验风洞实验是目前汽车空气动力学中的主要研究方法，能在与所研究的问题完全相同或大体相同的情况下进行研究，结果直观并且可信度高。
15、风洞实验虽然能够得到具有较高可信度的结果，但同时也有诸如周期长、设备庞大、成本高等缺点，存在实验结果与实车的换算、数据采集的测量误差等问题，并且不能避免洞壁和支架干扰带来的影响。1.2.2 数值模拟方法现在常用的汽车空气动力学研究方法还有利用计算流体动力学软件对汽车流场进行数值模拟的方法，现在常用的商用 CFD 软件有 ANSYS、FLEUNT、CFX 等。下面是数值模拟的基本流程（有限元法） 。构建车身三 维模型划分单元网 格定义材料边 界条件初始条件和 控制参求解查看模拟结 果图图 1.2 数值模拟方法流程数值模拟方法流程汽车流场数值模拟方法与风洞实验相比具有许多优点：数值模拟方法不像实验
16、方法会受到实验模型的限制，其灵活性比较强；与实验方法相比，数值模拟方法研究汽车外流场省时省力，并且可以通过初始设置来模拟实验中只能接近而无法达到的理想条件。汽车流场数值模拟也存在一定的局限性：汽车流场中湍流的数学模型仍然没有完全的建立，很多模型仍然需要做出一定假设和使用半经验公式；由于要对数学模型进行简化，会导致计算结果的不可靠，并且有时难以理解计算结果的物理意义，以及在计算的过程中可能会出现不稳定性而导致不收敛；计算的结果仍需要实验来验证。但是近几年随着计算机技术的l飞速发展，数值模拟方法在精度上和可靠性上都有了大幅度的提高，成为了汽车空气动力学研究的一个重要手段。1.3 国内外研究现状国内外研究现状1.3.1 国外研究现状国外一些汽车工业相对比较发达的国家对汽车空气动力学，尤其是在传统的试验研究方面已经取得了很大的成就，各大汽车公司基本上都有自己的风洞实验室。迄今为止国际上众多名车都是基于各种严格条件下的风洞试验结果来设计和改型的，可以说都是融合了现代空气动力学的成果。1.3.2 国内研究现状CFD 在
