01_12基于STAR-CCM+仿真计算某轿车风阻系数
- 格式：pdf
- 大小：970.46 KB
- 文档页数：4
当前位置：文档之家 › 01_12基于STAR-CCM+仿真计算某轿车风阻系数
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
江淮汽车，CAE 模块设计部，62259252
基于 STAR-CCM+仿真计算某轿车风阻系数
祝文举，陶其铭，许志宝
（Байду номын сангаас徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230061）
(62259252, swjtuzwj@126.com)
摘要：本文应用 hyper mesh 软件提取某轿车整车外表面，划分初步网格模型，同时建立 60m×20m×10m 的模拟风
洞。将整车模拟风洞模型导入 STAR-CCM+流体计算软件，优化网格后进行风阻系数仿真计算，模拟计算结果为 0.328。该车型风洞试验测试结果为 0.319，仿真误差为 2.82%，因此仿真方法精度较高。
1.3 计算网格模型 STAR-CCM+软件是基于有限体积法进行求解，首先划分面网格，然后在面网格的基础上拉伸
边界层网格，最后填充体网格。物理量梯度较大的区域需要划分较为细密的网格，这样才能更加 准确的捕捉流动情况。本文采用 Trim 网格，并对车辆周围进行加密，如图 4 所示。
2 边界条件
图 4 计算网格模型示意图
No Slip Ground、 v=120m/s
出口
压力
P=0pa
轮胎
旋转
Rotate=1028RPM
风扇 冷却模块
芯体
不旋转 多孔介质
0RPM 根据零部件流速-压降性
能曲线求解
3 分析结果
3.1 投影面积计算
STAR-CCM+软件是通过积分车辆表面压力和摩擦力获取流动阻力，再除以 0.5ρv2*A 求取风阻 系数，A 为车辆的正投影面积，因此能否准确的求解 A 值直接关乎风阻系数的绝对精度。
图 1 气动阻力占比与所耗功率示图
本文通过 STAR-CCM+软件模拟车辆周围气流的流动情况，并提出优化建议。同时，对比该车
型风阻系数的计算值与实验值，仿真精度为 97.23%，表明该软件能够准确的模拟整车阻力，为车
辆的气动阻力优化提供有效的手段。
1 分析模型
1.1 整车模型
整车气动阻力分析需建立整车外表面网格模型，通常包含：整车外表面、外饰件、冷却模块、
图 8 Z=750mm 截面速度分布图
图 8 表明：（1）从后视镜表明脱落的气流没有直接击打在前侧窗表面，利于降低气动噪声；（2） 后视镜与侧窗之间的气流流速较大，利于雨天行驶时及时除去侧窗表面的水滴。 3.3 冷却气流流线图
图 9 冷却气流流线分布图
图 9 表明：（1）流过冷却模块的气流在副车架处产生较大的干扰阻力，之后较为顺畅的流过车 身底部；（2）部分冷却气流进入轮舱，以一定的偏航角击打在旋转的轮胎上，将产生较强的涡旋。 3.4 风阻系数
图 10 研究车型风洞试验测试
表 3 风阻系数对比列表
STAR-CCM+计算值
风洞试验测试值
误差
风阻系数 Cd
0.328
0.319
2.82%
表 3 表明：应用 STAR-CCM+软件，按照本文所述方法进行仿真计算，分析精度达到 97.18%，
能够很好的进行该车型的后期优化分析。
4 结论
（1）基于 STAR-CCM+软件，可以很好的模拟该车型的风阻系数，分析精度达到 97.18%，满 足工程要求；
关键词：风阻系数、边界层、湍流模型。
0 前言
随着能源问题的日益突出和第四阶段油耗标准的实施，节能减排已成为企业关注的首要问题， 而降低整车风阻系数是提升车辆的燃油经济性和动力性的有效手段。
研究表明，每降低 10%风阻系数，循环工况可降低油耗 2~3%，高速工况可降低油耗 5~7%， 当车速达到 80km/h 时，气动阻力占总阻力的一半，并随着车速的增加，所消耗的功率急剧增加， 如图 1 所示。
CFD 模拟分析的边界应于风洞试验边界条件尽量保持一致，以便分析结果具有可比性。本文 模拟风速为 120m/s、0°偏航角的流动情况，其边界如表 1 所示。
表 1 CFD 模拟分析边界条件
边界名称
边界条件
取值
入口 壁面
地面
流速 v 滑移壁面 非滑移 与风速等速移动
v=120m/s，湍流度 1% Slip Ground
本文所涉车型投影面积的计算值与风洞测试值如表 2 所示，误差仅为 0.5%，精度很高。
表 2 投影面积对比列表
STAR-CCM+计算值（m2）
投影面积 A
2.1429
风洞试验测试值（m2）
2.1321
误差
0.5%
3.2 速度分布图
图 5 Y=0 截面速度分布图
图 5 表明：（1）气流流经后窗底部时出现分离现象，然后在行李箱盖附着，最后在行李箱后缘 分离，形成顺时针方向的剪切涡旋；（2）尾部的涡旋主要由车身顶部和四周的气流形成，利于行 李箱盖清洁，但是会产生升力；（3）由于底盘件没有进行包覆，因此底部气流动能损失较大，产 生较大的压差阻力，建议增加底部覆板改善流动特性。
图 6 Z=-150mm 截面速度分布图
由于轮胎是风阻的重灾区，因此改善暴露在空气中轮胎的流动特性是必要的，这也是当前很 多车型都安装轮胎阻风板的目的。图 6 表明，该车型轮胎处的流动特性较好，并没有形成很大的轮 胎涡流区。
图 7 Z=150mm 截面速度分布图
图 7 表明，车身侧面的流动特性不好，气流流过前保杠后，在轮包附近产生了明显的分离现象， 主要是前保杠曲面造型和轮包内的气流流动特性共同影响所致。
P(kW) (%)
气 动 80
阻 70
力 60
占 总
50
阻 40
力 30
的 比
20
例 10
0
0
滚动阻力
气动阻力
20 40 60 80 100 120 140 160 车速v(km/h)
消 14.8 耗 的 11.1 功 率 7.4
3.7
0 0
16 32 48 64 80 96 112 车速v(km/h)
发动机舱、底盘件等，如图 2 所示。
（a）主视图
（b）底部视图
（c）舱内视图
（d）侧视图 图 2 整车 CFD 模型视图
1.2 模拟风洞模型 模拟风洞是指在软件中建立的流体计算域，为了保证边界不影响车辆周围的流动特性，尺寸
应足够大，本文采用 60m×20m×10m 的模拟风洞，如图 3 所示。
图 3 模拟风洞模型
（2）该车型风阻系数偏大，可以通过改善车身侧面流动、发动机舱内流及底盘流动特性，降 低整车风阻；
（3）后视镜区域流动特性较好。
参考文献
[1] Anderson，J.D.著. 计算流体力学入门.—影印本.—北京：清华大学出版社，2002.4 [2] Wolf-Heinrich Hucho, Aerodynamics of Road Vehicles Fourth Edition, TL245.A4813 1998 [3] 傅立敏.著.汽车设计与空气动力学. —北京：机械工业出版社，2010 [4]《汽车空气动力学数值模拟技术》 张英朝 编著 北京大学出版社 2011.6
基于 STAR-CCM+仿真计算某轿车风阻系数
祝文举，陶其铭，许志宝
（Байду номын сангаас徽江淮汽车股份有限公司，合肥 230061）
(62259252, swjtuzwj@126.com)
摘要：本文应用 hyper mesh 软件提取某轿车整车外表面，划分初步网格模型，同时建立 60m×20m×10m 的模拟风
洞。将整车模拟风洞模型导入 STAR-CCM+流体计算软件，优化网格后进行风阻系数仿真计算，模拟计算结果为 0.328。该车型风洞试验测试结果为 0.319，仿真误差为 2.82%，因此仿真方法精度较高。
1.3 计算网格模型 STAR-CCM+软件是基于有限体积法进行求解，首先划分面网格，然后在面网格的基础上拉伸
边界层网格，最后填充体网格。物理量梯度较大的区域需要划分较为细密的网格，这样才能更加 准确的捕捉流动情况。本文采用 Trim 网格，并对车辆周围进行加密，如图 4 所示。
2 边界条件
图 4 计算网格模型示意图
No Slip Ground、 v=120m/s
出口
压力
P=0pa
轮胎
旋转
Rotate=1028RPM
风扇 冷却模块
芯体
不旋转 多孔介质
0RPM 根据零部件流速-压降性
能曲线求解
3 分析结果
3.1 投影面积计算
STAR-CCM+软件是通过积分车辆表面压力和摩擦力获取流动阻力，再除以 0.5ρv2*A 求取风阻 系数，A 为车辆的正投影面积，因此能否准确的求解 A 值直接关乎风阻系数的绝对精度。
图 1 气动阻力占比与所耗功率示图
本文通过 STAR-CCM+软件模拟车辆周围气流的流动情况，并提出优化建议。同时，对比该车
型风阻系数的计算值与实验值，仿真精度为 97.23%，表明该软件能够准确的模拟整车阻力，为车
辆的气动阻力优化提供有效的手段。
1 分析模型
1.1 整车模型
整车气动阻力分析需建立整车外表面网格模型，通常包含：整车外表面、外饰件、冷却模块、
图 8 Z=750mm 截面速度分布图
图 8 表明：（1）从后视镜表明脱落的气流没有直接击打在前侧窗表面，利于降低气动噪声；（2） 后视镜与侧窗之间的气流流速较大，利于雨天行驶时及时除去侧窗表面的水滴。 3.3 冷却气流流线图
图 9 冷却气流流线分布图
图 9 表明：（1）流过冷却模块的气流在副车架处产生较大的干扰阻力，之后较为顺畅的流过车 身底部；（2）部分冷却气流进入轮舱，以一定的偏航角击打在旋转的轮胎上，将产生较强的涡旋。 3.4 风阻系数
图 10 研究车型风洞试验测试
表 3 风阻系数对比列表
STAR-CCM+计算值
风洞试验测试值
误差
风阻系数 Cd
0.328
0.319
2.82%
表 3 表明：应用 STAR-CCM+软件，按照本文所述方法进行仿真计算，分析精度达到 97.18%，
能够很好的进行该车型的后期优化分析。
4 结论
（1）基于 STAR-CCM+软件，可以很好的模拟该车型的风阻系数，分析精度达到 97.18%，满 足工程要求；
关键词：风阻系数、边界层、湍流模型。
0 前言
随着能源问题的日益突出和第四阶段油耗标准的实施，节能减排已成为企业关注的首要问题， 而降低整车风阻系数是提升车辆的燃油经济性和动力性的有效手段。
研究表明，每降低 10%风阻系数，循环工况可降低油耗 2~3%，高速工况可降低油耗 5~7%， 当车速达到 80km/h 时，气动阻力占总阻力的一半，并随着车速的增加，所消耗的功率急剧增加， 如图 1 所示。
CFD 模拟分析的边界应于风洞试验边界条件尽量保持一致，以便分析结果具有可比性。本文 模拟风速为 120m/s、0°偏航角的流动情况，其边界如表 1 所示。
表 1 CFD 模拟分析边界条件
边界名称
边界条件
取值
入口 壁面
地面
流速 v 滑移壁面 非滑移 与风速等速移动
v=120m/s，湍流度 1% Slip Ground
本文所涉车型投影面积的计算值与风洞测试值如表 2 所示，误差仅为 0.5%，精度很高。
表 2 投影面积对比列表
STAR-CCM+计算值（m2）
投影面积 A
2.1429
风洞试验测试值（m2）
2.1321
误差
0.5%
3.2 速度分布图
图 5 Y=0 截面速度分布图
图 5 表明：（1）气流流经后窗底部时出现分离现象，然后在行李箱盖附着，最后在行李箱后缘 分离，形成顺时针方向的剪切涡旋；（2）尾部的涡旋主要由车身顶部和四周的气流形成，利于行 李箱盖清洁，但是会产生升力；（3）由于底盘件没有进行包覆，因此底部气流动能损失较大，产 生较大的压差阻力，建议增加底部覆板改善流动特性。
图 6 Z=-150mm 截面速度分布图
由于轮胎是风阻的重灾区，因此改善暴露在空气中轮胎的流动特性是必要的，这也是当前很 多车型都安装轮胎阻风板的目的。图 6 表明，该车型轮胎处的流动特性较好，并没有形成很大的轮 胎涡流区。
图 7 Z=150mm 截面速度分布图
图 7 表明，车身侧面的流动特性不好，气流流过前保杠后，在轮包附近产生了明显的分离现象， 主要是前保杠曲面造型和轮包内的气流流动特性共同影响所致。
P(kW) (%)
气 动 80
阻 70
力 60
占 总
50
阻 40
力 30
的 比
20
例 10
0
0
滚动阻力
气动阻力
20 40 60 80 100 120 140 160 车速v(km/h)
消 14.8 耗 的 11.1 功 率 7.4
3.7
0 0
16 32 48 64 80 96 112 车速v(km/h)
发动机舱、底盘件等，如图 2 所示。
（a）主视图
（b）底部视图
（c）舱内视图
（d）侧视图 图 2 整车 CFD 模型视图
1.2 模拟风洞模型 模拟风洞是指在软件中建立的流体计算域，为了保证边界不影响车辆周围的流动特性，尺寸
应足够大，本文采用 60m×20m×10m 的模拟风洞，如图 3 所示。
图 3 模拟风洞模型
（2）该车型风阻系数偏大，可以通过改善车身侧面流动、发动机舱内流及底盘流动特性，降 低整车风阻；
（3）后视镜区域流动特性较好。
参考文献
[1] Anderson，J.D.著. 计算流体力学入门.—影印本.—北京：清华大学出版社，2002.4 [2] Wolf-Heinrich Hucho, Aerodynamics of Road Vehicles Fourth Edition, TL245.A4813 1998 [3] 傅立敏.著.汽车设计与空气动力学. —北京：机械工业出版社，2010 [4]《汽车空气动力学数值模拟技术》 张英朝 编著 北京大学出版社 2011.6