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FLUENT在汽车外形设计中的应用TheapplicationofFLUENTsoftwareinthecarstyling【摘要】气动特性是汽车外形的重要性能指标之一。迄今国内对汽车外形的气动特性研究仍以风洞测试为主要手段。采用计算流体软件对汽车外形流场进行三维模拟计算是获得汽车外形气动性能的一种新手段。FLUENT软件具有3D实体造型、空气动力学计算、计算结果图形化等功能,将这些新概念、新功能引入到汽车外形的开发设计中,可以使汽车外形开发、设计实现节省时间、资金,取得更高质量的成果,从而为汽车外形的开发、设计开创了一条新的途径。关键词:FLUENT软件;汽车外形;三维实体造型;空气动力学计算【Abstract】Characterofaerodynamicsisoneoftheimportantperformanceindexinthecarstyling.Inourcountry,testingintheairtunnelisthechiefwayfortheresearchofcar’sshapeaerodynamics,andnowitisanewwayforachievingcharacterofaerodynamicsinthecar’sshapethatuseCFDsoftwareinthecar’sshapefloefield3Danalogcomputation.Thispaperintroducesthenewfunctionof3Dmodeling,aerodynamicscalculationandconsequencedrawingintothedevelopmentanddesignofthecar’sshapetosavetemporalhour,fundandtomeetachievementofhighqualityandthereforeexploreanewwayforthedesignanddevelopmentofautomotiveindustry.Keywords:FLUENTsoftware;Car’sshape;3Dmodeling;Aerodynamicscalculation1、引言汽车外形设计主要由功能、经济、美学等因素决定。空气动力特性也是影响汽车外形设计的重要因素之一,同时它还会对汽车的功能性、经济性、美学性等性能产生重要影响。汽车外形设计过程实际上是设计师在满足功能要求的条件下,并且在兼顾美学原则下,进行空气动力学设计。由于汽车外形的复杂性,气流在车身表面多处分离,使得对汽车外形的气动特性预测颇为困难,对汽车外形气动特性的研究一直以风洞测试为主,而风洞测试需要样车(模型)及高额的费用。而采用计算机数值模拟汽车外形三维流场的方法,则可以缩短汽车外形的开发设计周期、节约资金,被汽车工业上所大量采用。目前市场上计算流体商业软件比较多,功能也各有千秋,这就必须认真选择所用的计算流体商业软件。FLUENT软件集三维实体造型、空气动力学计算、计算结果图形化等功能于一身,可以对复杂几何外形建立准确的三维实体模型,并对其进行空气动力学计算,得到可视化的图形结果,用来指导产品的开发、设计。将其应用于汽车外形的开发、设计中完全合适的,并可以收到很好得效果。2、空气动力学设计概念空气动力学设计是依据汽车车身造型风格,对汽车车身整体和局部形状按照空气动力学原理采用试验或计算的方法做出调整、完善使之更加符合空气动力学规律要求。也就是说在造型过程中引入空气动力学原理,使设计出来的汽车不仅具有美观的外形而且还具有良好的气动特性。汽车外形空气动力性的表现主要内容有以下方面:(1)汽车外形的气动阻力,其公式为:𝐹d=𝜌𝑢2𝐶𝑑𝐴/2式中:𝜌—空气密度。u—车速。𝐶𝑑—风阻系数。𝐴—汽车迎风面积。车身尺寸一经确定,迎风面积也就确定,所以尽可能地降低风阻系数是降低汽车气动阻力的有效途径。可以通过两种方法达到降低风阻系数的目的:一从现有汽车着手,通过局部调整、完善汽车外形,逐步降低风阻系数。另一种方法是从具有风阻系数低的理想外形入手,逐步改变形状,使其成为符合空气动力学要求的实用汽车外形。(2)汽车外形表面的压力分布,可以作为汽车在行驶中的稳定性的度量,同时也可以通过局部的压力分布不平衡判断何处的汽车外形设计有缺点。(3)汽车外形的三维流场速度分布、压力分布,表示汽车在行驶中与周围流场的相互作用,可以用来判断整个汽车外形是否符合普通规律,有无可改进的地方。3、FLUENT软件介绍FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动的计算机程序,图1为FLUENT基本程序结构。由图看出GAMBIT/TGRID与其他CAD/CAM工具主要是进行2D/3D的几何实体造型,并且对几何实体划分网格,所以我们将在软件中的这部分结构称为前置处理工具;而输入网格进行计算的工具称为FLUENT求解器;对计算结果进行分析,并图形化的工具称为后置处理工具。在利用FLUENT软件处理实际问题的过程中,首先前置处理工具进行计算模型与计算网格的建立,然后输入至FLUENT求解器中进行物理模型的确定、边界条件确定、材料属性的确定,并且进行计算,得到计算结果,最后在后置处理工具中进行对计算结果进行图形化显示,计算结果为产品的进一步开发、设计提供参考。图1FLUENT软件的程序结构在汽车外形开发、设计过程中,选用FLUENT软件作为气动特性研究平台,其工作流程如下图2所示,图中看出整个研究过程由建立汽车外形+3实体模型开始,生成计算网格,输入FLUENT求解器计算,分析、判断计算结果,若计算结果显示汽车外形气动特性良好,停止修改汽车外形;否则继续修改汽车外形,直到有理想结果出现,这时所得到的汽车外形则有良好的气动特性。图2FLUENT软件在研究汽车外形中的工作流程网格YN结果是否合理几何实体或网格网格网格GAMBIT2D/3D几何造型计算网格生成其他CAD/CAE工具AutoCAD、UG、CATIA、SolidWorks等POSTPROCESS计算结果的图形化显示FLUENTSOLVER网格输入物理模型的确定边界条件的确定材料属性计算TGRID计算网格生成边界网格或体网格边界网格3D实体汽车外形模型建立计算网格生成输入网格至求解器并计算计算结果分析及可视化汽车外形合理适用4利用FLUENT软件进行汽车外形设计的方法在某型汽车外形开发、设计过程中应用FLUENT软件,根据上述的工作流程,其操作的具体步骤与方法如下:(1)建立汽车3D实体模型,可以采取两种方式:一、是在GAMBIT提供的可视化界面中,利用GAMBIT中的Geometry模块,建立3D实体模型;二、选用其他CAD/CAM软件作为3D实体造型平台,建立汽车3D实体模型,再输入GAMBIT中。图3为GAMBIT中汽车3D实体模型图。图3GAMBIT中汽车外形3D实体模型图(2)生成计算网格与确定边界条件,GAMBIT具有很强的非结构化网格生成功能,利用GAMBIT中的mesh模块,对已建立的汽车外形3D实体进行计算网格的划分,由于汽车外形复杂,所以首先采用三角形无结构网格对汽车表面进行划分,并进行局部加密,靠近汽车表面附近空间划分边界层网格,然后在车身外的三维计算区域生成四面体网格。图4计算网格示意图。网格建立之后是对整个计算区域确定边界条件,边界条件确定后,输出网格文件,后缀名为*.msh。表1为计算区域边界条件表。表1计算区域边界条件表上、下、左、右边界车型入口出口边界面某型速度v=30m/s压力出口对称面图4汽车表面及纵对称轴面上的计算网格图(3)确定计算的力学模型与数值方法,由于汽车的行驶速度一般在100m/s以下,此时的空气应属于不可范围,故计算的力学模型为三维定常不可压粘性流动。湍流模型取工程中常用的标准Κ−ε方程。控制方程为动量方程(三维时均Navier-Stokes方程)、连续性方程、湍流动能方程与湍流耗散率方程联立。采用非耦合算法进行求解,一阶迎风格式。(4)将计算结果用图形显示,将计算结果输入后置处理工具中,显示出车身表面压力分布、速度分布。图5为汽车表面压力云图,图6为汽车表面速度云图。由图5、图6看出该型汽车表面压力平衡,前后气流平衡,在汽车尾部没有大涡形成,气动性能良好。图5汽车外形表面压力等值线图(5)分析、判断计算结果,得到所计算汽车外形的空气动力学特性有关结论,如果计算结果符合正常规律,与风洞实验吻合较好,则可以用来指导下一步汽车外形的设计。如果计算结果不符合正常规律,也就是没有好空气动力学外形,那么继续修改汽车外形,直到满意的结果出现,用来指导实际中的汽车外形生产。5结语FLUENT软件对汽车外形进行三维流场的计算,得到了其阻力系数等气动力数据,以及车身表面压力分布,三维流场速度分布,压力等结果,通过特有的图形化显示直观地表明汽车外形的空气动力学性能,可以直接用来指导汽车外形的设计。在汽车外形设计的领域应用FLUENT软件,可以充分发挥其3D实体造型、空气动力学计算、计算结果图形化等优点,摆脱以往仅仅依靠风洞测试的单一手段获得汽车外形空气动力学性能,再来指导汽车外形设计的局面。对于汽车外形开发设计部门早期掌握产品性能,节省试验费用、缩短开发周期,提高产品的自主开发设计具有重要意义,为汽车外形设计开辟了一条值得探索的途径。参考文献1潘锦珊,方人松,申振华,刘景梅编《空气动力学基础》西安:西北工业大学出版社,19952杨清珍,王新月编《计算流体力学》西安:西北工业大学出版社,19973姜乐华,谷正气,黄天泽《空气动力性最优化对未来汽车外形设计的影响》——设计与计算,1997,(15):25~27
本文标题:FLUENT在汽车外形设计中的应用
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