汽车空气动力学解析教程-修订版

车辆空气动力学培训CDAJ-China技术部案例路径：C:\ProgramFiles\CD-adapco\STAR-CCM+9.02.005\doc\startutorialsdata目录I.车辆空气动力学计算概论II.基于STAR-CCM+的车辆空气动力学解析过程一．解析用数据准备二．几何数据准备与导入三．Mesh生成四．物理模型与边界条件设定五．输出设定（Cd,Cl等）六．解析执行与结果评价方法Ⅰ．车辆空气动力学计算概论车辆空气动力学计算中具有代表性的评价指标是：Cd值，Cl值及Cp值。Cd值，风阻系数Cl值，升力系数Cp值，压力系数车辆周边流场，车辆底部空间（underbody）与车辆尾部的流场具有强非定常特性（图示中绿色区域）．RANS模型对漩涡运动的细节不能很好的捕捉．所以在对求解精度有高要求的时候，使用DES模型进行非定常计算是必要的．Ⅰ．车辆空气动力学计算概论车身阻力系数含义说明：Ⅰ．车辆空气动力学计算概论压力系数含义说明：Ⅰ．车辆空气动力学计算概论Cd值，定常计算也可以获得较好的精度．虽然车辆尾部的流场是非定常的，但使用定常计算也可获得5%的精度一般，在调整解析参数前，结果可能偏高影响Cd值的因素车辆前方的压力分布车辆的来流速度分布（profile）车辆后方的压力分布车辆上方产生的流动分离，对尾部流场的影响汽车底部的流体产生的分离，对尾部流场的影响流经两侧的流场情况，对尾部流场的影响后视镜与车轮等引起的扰动，对尾部流场的影响风洞数据存在的误差相关的讨论车辆尾部的流场是变化的，车辆前后的压差也是变化的，通过underbody的风量是变化的，需要关注的是，①车辆上方的流场，②车辆侧方及后视镜与车轮附近的流场，③underbody附近的流场。Ⅰ．车辆空气动力学计算概论Cl值，适于用非定常计算来评价．影响Cl的因素：车辆上方的压力分布车辆上方的流场分布车辆下方的压力分布underbody附近的流场分布underbody的形状一般比较复杂，流动较乱，漩涡比较多通过underbody的风量，对尾部流场影响很大Ⅰ．车辆空气动力学计算概论影响车辆空气动力学计算的其他因素解析的边界条件与试验条件一致性风洞条件OpencrosssectionBlockagecorrectionfactor（=车辆投影面积/风洞入口面积）如果该比值小于3%，这样可以不考虑风洞的影响。但通常真实试验情况下，该值达到10%的程度。若在解析中不考虑风洞的影响，则需要注意解析与试验结果的差异．地面条件地面是否移动车辆形状门把手，侧窗上面的细节可能产生流动分离。所以必须考虑试验模型与CFD模型在几何上的差别有多大。Ⅰ．车辆空气动力学计算概论计算需要获得的典型结果及评价办法Cd值，Cl值，Cp值Wake(TotalPressureCoef.=0的等值面）分离位置的显示流速分布压力分布TransientVmagAveragedVmagAverageCpTransientMultiSection目录I.车辆空气动力学计算概论II.基于STAR-CCM+的车辆空气动力学解析过程0.几何数据准备1.读入几何数据2.几何模型准备3.面网格生成（SurfaceWrapper）4.面网格生成（SurfaceRemesher）5.体网格生成6.解析设定7.求解8.后处理0.几何数据准备风洞条件风洞形状边界条件（流速，压力，地面）车辆形状数据风洞试验时是否使用全尺寸，全细节模型是否有对CAD数据的简化试验模型的情况（对车门等处间隙的处理有无）风洞试验结果Cd值Cl值Cp值是否有油流或PIV试验的可视化数据等从CAD部件输出面网格，如STL。部分几何需要简化。数据分类将CAD数据大致分为以下几类：车身上表面格栅车轮车身下表面影响气流分离的一些其它几何部件（如支柱、扰流板、后视镜等）在CAD里完成分类后，在STAR-CCM+里处理起来会省下不少工作量。使用STAR-CCM+读入各STL数据。①单击[File][NewSimulation]。②[CreateaNewSimulation]对话框出现。③选择单线程[Serial]。④单击[OK]。1Tips!需要并行处理时，选择[Parallel]。2341.读入几何数据①-②单击[File][ImportSurface]。③出现[打开]对话框。④-⑤选择文件[star.dbs]，点击[打开]。⑥出现[CreateNewRegion]对话框。⑦点击[OK]。2134567几何视图显示透明几何视图显示2.几何模型准备重命名读入的几何数据读入的CAD几何数据（以STL格式为例），文件会自动命名为类似“pro2stl”的Boundaries，将它们分别进行重命名。将每个Boundary重命名为便于识别的名称。边界分割将读入的几何数据进行更详细的边界分割，分割的目的在于方便将来为不同的边界定义不同的网格尺寸、边界层参数、防接触设定、边界条件等。利用patch分割边界读入数据时，每个文件都有不同的patch编号。手动分割选择单元（按住Ctrl复选其它单元）1选择面拓展方式45SharpAngles指定面拓展的打断方式23手动分割肉眼观察通过肉眼观察读入的几何表面，找到诸如格栅部件、雨刷安装孔、管路开口等一些比较明显的未封闭计算域边界，准备进行修补工作。使用间隔在25～50mm间的截面来检查创建2维截面大孔，有间隙的地方格栅部件发动机底部车门等部件间较大的间隙截面生成截面显示改变截面位置值在0.025～0.05之间变化封闭较大的洞和间隙由于采用包面（SurfaceWrapper）技术，较小的洞并不需要都封闭。注意：下面以缝补轮毂上的洞为例来讲解补洞操作，实际模型中轮毂上的洞可能并不需要封闭。使用特征线来封闭洞的方法生成特征线使用特征线来封闭洞的方法删除多余的特征线2删除多余的特征线使用特征线来封闭洞的方法封闭洞使用特征线来封闭洞的方法合并边界删除特征线使用修补工具修补洞诊断使用修补工具自由边修补洞选择含有洞的边界1关闭显示2选择边界34使用修补工具自由边修补洞选择自由边3用鼠标选择4选择自由边单击右键使用修补工具自由边修补洞封闭洞使用修补工具采用鼠标填补方法用鼠标选择此例中，采用鼠标填补方法的修补工具，封闭格栅部件、发动机底部及车头底部的漏洞和缝隙。封闭格栅漏洞封闭发动机底部漏洞3.面网格生成（SurfaceWrapper）使用star-ccm+的包面（SurfaceWrapper）功能，可以快速地修复几何数据的表面干涉、重叠、搭接、错配、漏洞、缝隙等错误，得到一套封闭的汽车外形表面，用于外流模拟。网格模型的设定选择SurfaceWrapper网格模型。网格模型的设定将Region1的包面方式选为最大外表面。网格尺寸的设定设定Mesh:Region1的网格尺寸。漏洞检测工具的使用在包面操作开始前，虽然几何表面经过了检查和修补，可能还存在一些比较大的洞和缝隙，用之前的方法没有发现，还可以使用漏洞检测工具进行更加详细地检测。漏洞检测工具的使用这里通过检测乘员舱内外的连通性来演示漏洞检测工具的用法。首先，将SourcePoint的位置拖动到乘员舱内部；然后，将TargetPoint1的位置拖动到车体外部。漏洞检测工具的使用定义完SourcePoint和TargetPoint1的位置后，点击RecomputeTemplate+Paths，可以在输出窗口看到显示信息。检测进程完成后，在输出窗口中显示如下内容，说明在乘员舱内外部之间存在一条连接通路，也就说明了汽车外形内外两侧之间有漏洞。黄色线表示漏洞通过的路径漏洞检测工具的使用将工具栏切换到RepairSurface，采用鼠标填补方法，修补黄线通过的这个缝隙。修补完成后，点击RecomputePaths，重新计算，知道输出窗口显示如下内容，说明无法在汽车内外部之间找到一条连接通路，也就说明了汽车外形是个封闭的空间。ContactPrevention（防接触）设定包面操作时，可能会将原本互相分离的部件部分粘贴在一起，为了防止这种现象发生，需要设定各个部件之间的防接触。无防接触，车身部件和排气管粘贴在一起有防接触车身部件排气管ContactPrevention（防接触）设定设定各部件之间为8mm的防接触。意味着当两个部件的间距大于8mm时，包面时会将两个部件严格区分开来不会粘贴在一起。执行包面点击GenerateSurfaceMesh按钮，对Region1进行包面。检查结果包面完成后，通过透明显示、截面等方式检查结果，确保得到的结果是一个封闭的汽车外形表面。检查结果检查Representations节点下新生成的WrappedSurface表面，确保除了“PoorQualityFaces”和“CloseProximityFaces”两项外别的都为0。删除Import的几何数据将Representations节点下的Import表面删除掉，以完成了对Region1区域包面的结果作为下面操作的开始。生成计算域外部空间SlipWallNo-SlipWall略高于轮胎底面生成计算域外部空间分类、合并新生成的面删除不需要的面Boundary重命名0-Inlet0-SlipGround0-NoSlipGround0-Pressure0-Wall删除中间2个不需要的面把中间的FreeEdge缝合上处理地面和轮胎的相交做出地面和轮胎的交线删除不需要的面做出交线删除不需要的面轮胎与地面交接处网格模型的设定修改网格模型，反选SurfaceWrapper模型，选中SurfaceRemesher模型4.面网格生成（SurfaceRemesher）网格尺寸的设定主流体区域因为包含大小相差很悬殊的面，所以需要重新设定网格尺寸将主流体区域网格模型里的BaseSize改为0.1m网格尺寸的设定对每个Boundary设定合适的网格尺寸打开CustomSurfaceSize，设定合适的RelativeMinimumSize和RelativeTargetSizeBoundariesRelativeMinimumSizeRelativeTargetSize1-Exterior_Surface25%60%1-Tires15%30%2-Interior_Surface25%60%2-New_Patches25%60%2-Underpanels25%60%计算域外部空间面25%1000%面网格修复删除掉Representations节点下的WrappedSurface子节点，只保留RemeshedSurface。面网格修复检查面网格错误面网格修复手工修复这18个错误表面，或者直接点击下面的AutoRepair自动修复。网格模型的设定修改网格模型，反选SurfaceRemesher模型，选中Trimmer模型和PrismLayerMesher模型5.体网格生成网格模型的设定调整边界层的设定方式网格尺寸的设定网格尺寸网格尺寸的设定关闭0-inlet、0-outlet、0-top和0-side四个面上的边界层网格生成。体积网格密度的生成体积网格密度的生成实际计算时，还应该在汽车尾迹区以及流动分离的区域如后视镜后侧等设置体积网格密度，分别加密这些区域。此例鉴于方法讲解，就不加密生成过多数目的网格了。体积网格密度的设定设定体积网格密度的加密尺寸。体网格生成物理模型的设定Space3维Motion静止Time定常Material气体Flow分离解算器EquationofState定常密度ViscousRegime湍流Reynolds-AveragedTurbulencek-Omega湍流模型（推