新闻

汽车空气动力学教程

作者:币游 发布时间:2020-07-18 09:23 点击数:

  汽车空气动力学教程_物理_自然科学_专业资料。车辆空气动力学培训 CDAJ-China 技术部 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.

  车辆空气动力学培训 CDAJ-China 技术部 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 ? Open cross section ? Blockage correction factor(=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 (Total Pressure Coef.=0的等值面) 分离位置的显示 ? 流速分布 ? 压力分布 Transient Vmag Transient Multi Section Averaged Vmag Average Cp 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(Surface Wrapper) 4. 面网格生成(Surface Remesher) 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 2 3 1. 读入几何数据 ① 单击[File] [New Simulation]。 ② [Create a New Simulation] 对话框 出现。 ③ 选择单线程[Serial]。 ④ 单击[OK]。 Tips! 需要并行处理时,选择[Parallel]。 4 1 3 4 2 6 ①-② 单击[File] [Import Surface]。 ③ 出现[打开]对话框。 ④-⑤ 选择文件[star.dbs],点击 [打开] 。 ⑥ 出现[Create New Region]对话框。 ⑦ 点击[OK] 。 5 7 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) ? 手动分割 1 5 选择面拓展方式 4 2 Sharp Angles 指定面拓展的 打断方式 3 ? 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(Surface Wrapper)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 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 3 2 4 选择边界 ? 使用修补工具自由边修补洞 ? 选择自由边 3 选择自由边 4 用鼠标选择 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。 封闭发动机底部漏洞 封闭格栅漏洞 3. 面网格生成(Surface Wrapper) ? 使用star-ccm+的包面(Surface Wrapper)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Surface Wrapper网格模型。 ? 网格模型的设定 ? 将Region 1的包面方式选为最大外表面。 ? 网格尺寸的设定 ? 设定Mesh:Region 1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Source Point的位置拖动到乘员舱内部;然后, 将Target Point 1的位置拖动到车体外部。 ? 漏洞检测工具的使用 ? 定义完Source Point和Target Point 1的位置后, 点击Recompute Template + 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Repair Surface,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Recompute Paths,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。 ? Contact Prevention(防接触)设定 车身部件 ? 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。 排气管 无防接触,车身部件 和排气管粘贴在一起 有防接触 ? Contact Prevention(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Generate Surface Mesh按钮,对Region 1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Wrapped Surface表面,确 保除了“Poor Quality Faces”和“Close Proximity Faces”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 Region 1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 略高于轮 胎底面 Slip Wall No-Slip Wall ? 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 删除中间2个不需要的面 0-Inlet 把中间的Free Edge缝合上 0-Wall 0-Pressure 0-Slip Ground 0-NoSlip Ground ? 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 删除不需 要的面 轮胎与地 面交接处 做出交线. 面网格生成(Surface Remesher) ? 网格模型的设定 ? 修改网格模型,反选Surface Wrapper模型,选中Surface Remesher模型 ? 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Base Size改为0.1 m ? 网格尺寸的设定 ? 对每个Boundary设定合适的网格尺寸 ? 打开Custom Surface Size,设定合适的Relative Minimum Size和Relative Target Size Boundaries 1-Exterior_Surface Relative Relative Minimum Size Target Size 25% 60% 1-Tires 1-Grill 2-Interior_Surface 2-wheels 2-New_Patches 2-Underpanels1 3-Powertrain 3-Exhaust 计算域外部空间面 15% 5% 25% 15% 25% 25% 25% 25% 25% 30% 10% 60% 30% 60% 60% 60% 60% 1000% ? 面网格修复 ? 删除掉Representations节点下的Wrapped Surface子节点, 只保留Remeshed Surface。 ? 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Auto Repair自动修复。 5. 体网格生成 ? 网格模型的设定 ? 修改网格模型,反选Surface Remesher模型,选中Trimmer 模型和Prism Layer Mesher模型 ? 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 6. 解析设定 ? 物理模型的设定 ? Space 3维 ? Motion 静止 ? Time 定常 ? Material 气体 ? Flow 分离解算器 ? Equation of State 定常密度 ? Viscous Regime 湍流 ? Reynolds-Averaged Turbulence ? 其它选项 网格质量改善 k-Omega湍流模型(推荐) ? 物性参数和初始值的设定 物性参数设定 初始速度设定 ? 速度入口设定 ? 圧力出口设定 ? 滑移壁面设定 相同设定 ? 投影面积 ? 投影面积 ? Cd ? Cl ? 设定Cd、Cl的Monitor和Plot ? Field Function设定Cp 7. 求解 ? 设定最大计算步数或其它 计算终止判据 ? 为了计算的稳定性,删除部分质量比较差的单元。 ? 创建显示结果的Scene ? 压力云图 ? Cp云图 ? 速度云图 ? 速度矢量图 ? 流线 ? …… ? 解析执行 ? 解析执行 8. 后处理 ? 后处理结果的Scene ? 压力云图 ? Cp云图 ? 速度云图 ? 速度矢量图 ? 流线 ? …… ? 计算遇到发散问题时的处理办法 ? 删除速度大于100m/s 的单元 ? 删除除Volume Mesh之外的Surface Mesh ? 计算遇到发散问题时的处理办法 ? 删除速度大于100m/s 的单元 ? 创建Field Function(名称任意取) ? 计算遇到发散问题时的处理办法 ? 删除速度大于100m/s 的单元 ? Field Function的Region处理 ? 计算遇到发散问题时的处理办法 ? 删除速度大于100m/s 的单元 ? 将分割出来的Region(例如名为Region 1 2)物理模型设置 为Null。 ? 计算遇到发散问题时的处理办法 ? 删除速度大于100m/s 的单元 ? 重新定义Derived Parts与Reports的Part ? 结果后处理 ? Cd,Cl: 直接从监控的输出窗口或者Plot曲线中获得。 附录 ? 若要获得准确的Cl,需要进行瞬态计算,可参考如下思路: ? 1. 网格方面 ? 进一步加密网格尺寸,尤其是流动分离的区域。 ? 减小近壁面边界层的尺寸,尤其是第一层边界层的厚度。 ? 2. 湍流模型方面 ? 使用LES进行非稳态模拟


币游

@SHENZHEN ENERGY Corporation All Rights Reserved.

币游