基于FLUENT软件对小汽车外流场三维数值仿真

摘 要：利用大型计算流体动力学（CFD）分析软件的FLUENT，对小汽车的外流场进行数值模拟。通过计算机对三维N-S方程组进行求解，并将求得的结果进行分析。使用FLUENT软件仿真的数据将为汽车气动特性分析提供理论基础。

关键词：流体动力学；外流场；数值模拟；FLUENT

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.113

当今社会，计算机技术水平亦飞速发展，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）已在汽车领域得到肯定且得到了大范围的应用，尤其是汽车设计当中。人们对汽车的性能以及个人需求都提出了具有针对性的高要求，展现出了研究流体动力学仿真的重要性[1]。

理论分析、实验研究和数值计算是研究汽车空气动力学的重要方法。

目前，几乎所有的流动现象都可以用流体动力学仿真分析。在新车型的空气动力学设计周期上，可以采用CAD技术与流体动力学仿真的结合，来大大缩短其周期。由于在FLUENT软件中可以根据实际需要设置条件，并且能够在计算区域的任意位置得到准确信息，根据这些信息就可以对其性能（空气动力性）进行评价，准确、快速有效[2-4]。所以，本文采用流体动力学仿真软件FLUENT对汽车外部流场进行数值模拟。

1 小汽车外流场的三维数值仿真

（1）基本的控制方程。等温不可压缩的三维湍流模式为汽车绕流计算模型。

（2）实体建模。采用SolidWorks 软件进行建模。对汽车实体表面进行处理，减少车灯等车身周围凸出的相对较小的结构件，同时把小汽车下部变平。这些简化与微小处理对计算区域的整体特性无大的影响，而且缩短了计算时间。最后将建立的三维CAD模型导入FLUENT软件中进行网格划分。

1）确定计算区域与网格划分。计算区域采用规则的长方体。本文采用长方体计算区域有利于控制网格的生成。从国内外相关文献以及仿真模拟实验中可以看出，对于流场仿真计算，当计算区域达到某一定值时（不需无限大），小汽车表面的流场不会继续受计算区域大小的限制[4]。因此，在计算域的选取上，本文分别在汽车前部选择4.5倍的车长，在汽车后部选择7倍的车长，在侧面选择3.5倍的车宽，在上部选择5倍的车高。

计算区域的网格是在流体动力学仿真计算中十分重要的一部分。对求解与计算的准确度与速度有很大影响。为便于计算，在汽车流场的非计算敏感区的网格较稀疏，所以，要从实际要求进行合理设置。在满足计算准确度的条件下，又要让网格数目较少，计算时长降低。

2）边界条件的确定。设置小汽车外部流场的数值模拟的边界条件为：入口、出口、壁面三个条件。

计算区域的条件：常温空气为介质。

计算模型选用：κ-ε湍流模型。

入口：气体流动速度 u = 32m /s，即汽车相对外部气流的流动速度。

出口：无相对压强。

壁面：将地面边界条件设置为自由边界，将汽车表面设置为无滑移。

2 小汽车外流场数值仿真的结果与分析

FLUENT软件的后处理模块，使小汽车外部流场计算结果更加清晰明显。从图1可以看出：在整个小汽车受力中，其头部最大。其原因是：来流与车头部分相遇时，使气流受到汽车头部阻挡，速度大大降低，所以在车头形成正压区。气流与汽车的头部相遇后，气流分别绕小汽车的上表面与下表面，而对于流向小汽车上方的气流，在其经过车头部分大曲率的上缘角时，不能及时回转，部分气流就开始分离扩散，由于此时气流速度较大，在这个地方就形成了负压峰值。

汽车上方气流绕过汽车棚顶的后部，由于汽车外形曲率较大所以产生逆压梯度，这些气流流经后窗时快速分离，该气流流经汽车后窗时快速地分离，最终在小汽车的后部产生两个大涡流。

增大了汽车后部压力损失，导致其前后存在的压力差变大，对于汽车行驶受到的阻碍也变大，影响汽车的操纵性能。因此，将小汽车的外形进行改良来减小汽车的行驶阻力，以提高汽车整体性能。

3 结语

CAD 软件和FLUENT软件是在小汽车外部流场建模和仿真模拟中的重要方法，是对新一代汽车的研发经济且有效的方法。从仿真分析与计算中，了解了空气动力学的特性，进而减少风洞实验，节约经济成本，并能缩短新一代汽车开发与生产周期。然而，如果采用空气动力学仿真分析软件对汽车的外部流场特性进行较准确的模拟，除了提高计算机的计算能力以及先进的计算方法外，还需要在仿真计算中对所设置的相应的条件以及相关参数进行正确、合理的选择处理。所以运用这类软件解决小汽车空气动力学的实际问题，需要风洞试验和流体动力学仿真共同结合，检验与完善理论观点并能更全方位且有效地进行综合仿真实验。

参考文献：

[1]杜广生.汽车空气动力学[M].北京：中国标准出版社，1999.

[2]谷正气.汽车空气动力学[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]傅立敏.汽车空气动力学数值计算[M].北京：北京理工大学出版社，2001.

[4]吕明忠，高敦岳，傅立敏.计算机数值仿真在汽车外流场分析方面的应用研究[J].算机辅助设计与图形学学报，2002，14（02）：181-184.

作者简介：施博文（1988-），男，辽宁沈阳人，研究方向：汽车。