CFD练习｜01 汽车风阻计算

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用Fluent软件对车轮旋转条件下的汽车外流场进行模拟的过程。首先，定义了边界名称并添加了BOI控制网格质量，随后采用Fluent Meshing的Watertight Geometry工作流程划分网格，包括BOI尺寸控制、面网格尺寸调整和边界层网格的添加。计算设置涉及稳态计算、SST k-omega湍流模型、默认材料设置、计算区域和边界条件的指定，以及参考值和监测物理量的设置。通过迭代计算，得到了阻力系数、车身压力分布、速度分布、压力分布和流线等结果，并与官方数据进行了比较。此系列练习材料适用于2021年度《计算流体力学》课程，使用Fluent 2021R2版本软件。

本算例演示利用Fluent计算Audi R8空气动力学特性的基本流程。

1 几何处理

汽车几何模型如下图所示。现实车身长4425mm，宽1940mm，高1236mm，几何模型与现实尺寸存在细微差异。

图1 原始几何

注意本案例中的几何忽略了车子的轮毂以及后视镜，因此计算出的阻力系数与官方给出的值存在差异。

查了查才发现R8的风阻系数居然高达0.35，都快赶上货车了。印象中小汽车的风阻系数不是在0.3以下的么。不过从外观上看，有这么高的风阻系数也并不稀奇，棱棱角角太多，貌似没有经过空气动力学设计一样。

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1.1 构建计算域

在SCDM中清理几何模型，并构建流体计算域。

图2 外流场计算域尺寸

注：若想要提高计算精度，需要有足够大的计算区域，以减小边界对内部流场的影响。这里仅作演示，取了较小的计算区域。

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考虑模型的对称性，取二分之一模型进行计算。同时为了考虑轮胎触地，因此将地面向车身方向拉伸105 mm。为防止相切位置生成低质量网格，对该区域进行了倒角处理。计算模型如下图所示。

图3 计算域几何

倒角位置如下图所示（倒角20 mm），两个车轮采用相同的处理方式相同。

图4 车轮触地位置几何处理

注：这里并未考虑真实条件下的车轮旋转。

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进行边界命名，如下图所示。

图4 边界名称

1.2 添加BOI

添加BOI的目的是为了方便控制网格质量。本算例在车头部及尾部进行BOI控制。BOI仅用于控制网格尺寸，因此BOI几何的形状与尺寸可以随意。

图5 BOI几何模型

2 网格划分

采用Fluent Meshing中的Watertight Geometry工作流程进行网格划分。

• 进行BOI尺寸控制。这里采用默认尺寸，对boi1及boi2区域进行尺寸控制

图6 BOI尺寸控制

注：默认尺寸是软件根据几何模型尺寸计算得到的，大多数情况下是合适的。

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• 指定车身面的网格尺寸，采用默认网格尺寸13.09114

图7 面尺寸控制

• 指定面网格尺寸，修改Maximum Size为150

图8 面网格尺寸控制

生成的面网格如下图所示。

图9 生成的面网格

• 添加边界层网格，指定边界层网格层数为5 ，其他参数保持默认

图10 边界层网格参数

• 指定体网格类型为poly-hexcore，其他参数保持默认设置

图11 体网格参数

注：对于外流场计算，采用poly-hexcore网格能极大限度地降低网格数量。

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共生成2493198个计算网格。

图12 生成的最终网格

• 保存网格并切换到Solution模式

3 计算设置

3.1 General设置

• 采用稳态计算

图13 General设置

3.2 Models设置

• 采用默认的SST k-omega 湍流模型

图14 湍流模型选择

注：对于外流场升阻力计算，SST k-omega湍流模型是非常合适的。不过要注意k-omega模型要求较为细密的边界层网格，其要求壁面y ~1。

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3.3 Materials设置

• 采用默认的材料air，介质属性保持默认

图15 材料参数设置

注：对于低速行驶的汽车，其流场计算中可以忽略空气的可压缩性。

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3.4 指定计算区域

• 计算区域材料保持默认设置

图16 设置计算区域

3.5 边界条件设置

• 指定入口边界inlet 的速度为30 m/s

图17 设置入口边界

• 出口边界outlet保持默认设置

图18 设置出口边界

• 指定边界side及top 的边界类型为symmetry

图19 改变边界类型

注：如果计算区域足够大，这里也可以使用壁面边界。symmetry边界能够允许流体在该边界上有切向速度。

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3.6 参考值设置

• 采用inlet边界设置参考值，指定Area为1.142123 m2

图20 设置参考值

注：参考值对于前期计算没有影响，其主要用于后处理过程中各种系数的计算。如本算例中计算阻力系数，需要用到参考面积、密度及速度等。

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投影面积Area可以通过模型树节点Results → Projected Areas 来计算，如下图所示，计算得到车身在x方向的投影面积为1.142123 m2。

图21 计算投影面积

3.7 监测物理量

• 选择模型树节点Report Definitions → New → Force Report → Drag… 定义阻力系数

图22 监测阻力系数

• 如下图所示，选择car 壁面，其他参数保持默认设置

图23 监测阻力系数

3.8 初始化计算

• 采用Hybrid Initialization进行初始化

图24 初始化计算

• 采用下面的TUI命令进行FMG初始化

/solve/initialize/fmg-initialization

对于复杂的流场结构，FMG初始化对计算收敛性非常有帮助。

3.9 计算参数

• 迭代计算300次

图25 迭代计算

4 计算结果

• 监测得到的阻力系数

图26 监测的阻力系数

• 从TUI窗口中查看输出的阻力系数，可以看到计算得到的阻力系数为0.31572，此值低于官方数据0.35。

图27 TUI显示的阻力系数值

• 车身压力分布

图28 车身压力值

• 剖切面上速度分布

图29 速度分布

• 压力分布

图30 压力分布

• 流线

图32 流线图

注：本系列为2021年度《计算流体力学》课程的课下练习材料。非授权请勿随意传播。

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结果文件太大，有兴趣的可以自己计算。cas文件所用的软件版本为Fluent 2021R2。

相关文件：见附件