乘用车空气动力学仿真技术规范.docx
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乘用车空气动力学仿真技术规范
乘用车空气动力学仿真技术规范
1范围
本标准用于规范及指导乘用车空气动力学仿真技术以及业内交流。
本标准适用于七座(含七座)以下乘用车。
2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用成为本标准的条款。
所有标准都会被修订,使用本
标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
SAEJ2966TMGuidelinesforAerodynamicAssessmentofMediumandHeavyCommercialGroundVehiclesUsingComputationalFluidDynamics
SAER-430ThomasSchuetz,AerodynamicsofRoadVehicles,FifthEdition,SAEInternational,eISBN:
978-0-7680-8253-1,2016.
GB/T33582-2017机械产品结构有限元力学分析通用规则
GB3100-1993国际单位制及应用
GB3101-1993有关量、单位和符号的一般原则
GB/T19234-2003乘用车尺寸代码
3术语和定义
以下术语和定义适用于本标准。
3.1空气动力学坐标系Aerodynamiccoordinatedefinition
车辆或模型的空气动力学坐标系如图1所示,坐标系原点位于车辆轴距中心线和轮距中
心线在地面上投影的交点。
3.2计算流体动力学Computationalfluiddynamics(CFD
一种使用计算机求解流动、传热和相关传递现象的系统分析方法和工具。
3.3仿真模型Simulationmodel
用于进行数值模拟的计算机数字模型。
3.4流场Flowfield
运动流体所占有的空间区域。
3.5雷诺数Reynoldsnumber
表征流体惯性力与粘性力的比值大小,无量纲数。
3.6边界层Boundarylayer运动流体与固体壁面之间因摩擦阻力引起的贴附于固体壁面的流体层。
3.7车身姿态Vehiclealtitude根据车辆设计状态及对应的加载状态而确定的车身高度信息。
3.8计算域Simulationdomain
在CFD数值模拟过程中参与数值计算的区域,其几何边界一般包括进口、出口和周围壁
面。
3.9加密区域Refinedregion
CFD仿真模型中针对关键或流动复杂区域,进行尺寸更小、密度更大离散化处理的区域。
3.10边界条件Boundarycondition在求解区域边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律。
3.11速度进口Velocity-inlet
定义流动进口速度以及相关的其它标量特性参数的一种边界类型。
3.12压力出口Pressure-outlet
定义流动出口压力以及相关的其它标量特性参数的一种边界类型。
3.13滑移壁面Slip-wall
计算域边界设置的一种类型,规定壁面与近壁流体流速相同,无剪切作用或速度、压力梯度产生。
3.14多孔介质Porousmedia
CFD仿真中针对多相物质共存组合体的模拟模型。
3.15旋转区域Rotationalregion
车辆上绕某一轴心进行旋转运动的系统,主要包括冷却风扇和车轮等。
3.16稳态计算Steady-statesimulation基于流场中的各项变量不随时间改变的前提进行的计算,计算结果与物理时间无关。
3.17瞬态计算Unsteady-statesimulation基于流场中的各项变量随时间发生变化的前提而进行的计算,计算结果与物理时间相关。
3.18N-S方程Navier-Stokesequation描述牛顿流体动量守恒的运动方程组。
3.19L-B方法Lattice-Boltzmannmethod一种应用非连续介质思想研究宏观物理问题、求解流体力学问题的方法。
3.20雷诺平均模型RANSReynoldsAveragedN-Smodel工程流体动力计算中使用最为广泛的一种湍流模型,其求解时间均值的N-S方程,其包
括k-&模型,k-3模型及雷诺应力模型。
3.20.1k-&模型K-model两方程模型,求解湍流动能k和湍流耗散率&。
3.20.2标准k-&模型Standardk-&model
k-&模型的一种,特点是应用多,计算量适中,有较多数据积累和相当精度,但对于曲率较大、较强压力梯度、有旋问题等复杂流动模拟效果欠佳。
3.20.3重整化群k-&模型RenormalizationGroupk-emodel
k-&模型的一种,特点是能模拟射流撞击、分离流、二次流、旋流等中等复杂流动,但要受到旋涡粘性各向同性假设限制。
3.20.4可实现k-&模型Realizablek-emodel
k-&模型的一种,同重整化群k-&模型基本一致,还可以更好地模拟圆孔射流问题,但要受到旋涡粘性各向同性假设限制。
3.20.5标准k-3模型Standardk-wmodel
k-&模型的一种,特点是对于壁面边界层、自由剪切流、低雷诺数流动较好,适用于逆压梯度存在情况下的边界层流动和分离、转捩。
3.20.6剪切应力传输k-3模型ShearStressTransportk-3model
与标准k-3基本一致,由于对壁面距离依赖性强,因此不太适用于自由剪切流。
3.20.7雷诺应力模型ReynoldsStressmodel
是最符合物理解的RANS模型,避免了各向同性的涡粘假设,占用较多的CPU时间和内
存,较难收敛,适用于复杂3D流动。
3.21大涡模拟LESLargeeddysimulation
通过精确求解某个尺度以上所有湍流尺度的运动来捕捉许多非稳态、非平衡过程中的大尺度效应和逆序结构。
3.22分离涡流模拟DESDetachededdysimulation
LES方法与雷诺时均方法的混合,既能有接近于LES的计算精度,又能极大减少对计
算节点数量要求。
3.23局部旋转坐标系MRFMotion-rotationalframe
流体区域设置的一种,设定区域内流体均以绕规定的轴线、以规定的转速旋转。
3.24交界面Interface
CFD仿真中不同介质之间的交互界面。
3.25Y+YPlus
表征近壁面首层计算节点距离壁面,无量纲数。
222
3.26V»:
气流合成速度Resultantvelocityoftheairflow,V=V<+Vy。
相对于车辆的来流速度。
3.27横摆角Yawangle,®=Arctg(Vy/Vx)。
x轴和自由流速度W之间的角度。
3.28D:
气动阻力Aerodynamicdrag
乘用车受到气动力在-X方向的分量。
3.29S:
气动侧向力Lateralforces
乘用车受到的气动力在Y方向的分量。
3.30L:
气动升力Aerodynamiclift
乘用车受到的气动力在Z方向的分量。
3.31RM侧倾力矩Rollingmoment
绕x轴的气动力矩,右侧向下为正方向。
3.32PM:
俯仰力矩Pitchingmoment
绕y轴的气动力矩,车头向上为正方向。
3.33YM:
横摆力矩Yawingmoment
绕z轴的气动力矩,车头向右为正方向。
3.34CD:
阻力系数Dragcoefficient
表征物体形状气动阻力大小,无量纲数。
3.35CS:
侧向力系数Lateralforcecoefficient
表征物体形状侧向力大小,无量纲数。
3.36CL:
升力系数Liftcoefficient
表征物体形状升力大小,无量纲数。
3.37A:
正投影面积Frontalarea
在车辆正前方由平行光投射到车后的垂直于地面的屏幕上的投影面积。
3.38WB轴距Wheelbase
通过汽车同一侧面相邻两车轮中心,并垂直于汽车纵向对称平面的两垂线之间的距离。
以上所有参数单位采用国际单位制。
4仿真的内容及流程
4.1仿真内容
乘用车空气动力学仿真分析是应用CFD软件对车辆周围的流场进行数值模拟,获得车辆
在行驶时车身所受到的气动力及相关空气动力学参数,如气动阻力、气动升力、侧向力以及纵倾力矩、横摆力矩和侧倾力矩等。
通过对这些参数的分析,评价汽车的气动性能。
4.2仿真流程
乘用车空气动力学仿真分析常用流程主要包括几何数据准备、仿真模型建模、生成计算节点、求解器设置、仿真求解、仿真分析结果评估、仿真结果输出及分析报告编写8个部分,
具体参见附录A。
5仿真模型建立
5.1仿真模型建模
5.1.1坐标系
乘用车空气动力学坐标系由右手定则来确定,宜选用笛卡尔直角坐标系,坐标系原点设在车辆纵向对称面与地面的交线上,前后轴的中点处,乘用车空气动力学坐标系如图1所示。
图1空气动力学坐标系
仿真模型建模时采用默认的全局坐标系,对车轮、冷却系统等边界定义坐标系与全局坐
标系不一致时,需增加相应的局部坐标系。
5.1.2单位制
单位制的选择应按照GB3100-1993和GB3101-1993执行。
乘用车空气动力学分析建模时推荐采用SI单位制,如表1所示。
表1SI单位制系统
物理量名称
SI单位制
单位名称
单位符号
长度
米
m
时间
秒
s
速度
米每秒
m/s
密度
千克每立方米
kg/m3
力
牛
N
力矩
牛顿眯
N?
m
5.1.3仿真模型建模要求
5.1.3.1
般要求
在仿真模型建模前,应根据仿真目的、预估计算时间和计算资源制定仿真模型建模方案。
仿真模型宜按1:
1的比例关系建立。
仿真模型应准确地表达设计车的几何信息。
a)乘员舱、发动机、油箱、排气系统的内部空间应进行封闭,将其排除在计算域之外,
以提高计算收敛性及节约计算资源。
b)发动机舱内部气流流动应被模拟,仿真模型中格栅处于开启状态。
c)模型中应明确设计车辆配备的气动套件,气动套件信息应进行记录说明。
d)车辆仿真模型按照设计部门提供的车身姿态进行建模。
e)在整车模型外部建立长方体计算域,用以模拟风洞试验区域,计算域模型如图2所
同时满足在不同横摆
示。
最小计算域尺寸应保证边界不影响车辆周围的流动特性,角的仿真计算要求。
最小计算域推荐尺寸如表2所示。
图2计算域模型
表2最小计算域尺寸
H
W
L1
L2
14m
28m
15m
40m
(>7倍车高)
(两侧均》7倍车宽)
(>3倍车长)
(>8倍车长)
f)在确保分析精度的前提下,可对模型中不影响计算结果的几何细节进行简化,模型
的简化应符合以下要求:
1)去除模型中对气流流动影响小的细小零件,如螺栓、卡扣、垫片、线束等。
2)整车模型表面对于后视镜区域、A柱区域及侧窗密封条区域,应保留缝隙;对
于模型中小于3mm的凹槽和缝隙可以用平滑的曲面补平,但不能存在尖角、干涉、重叠、扭曲的面。
3)定位孔、螺栓连接孔,可直接密封;乘员舱地板以及前壁板上,有较多连通内
外的缝隙或孔洞,根据分析要求进行简化处理,推荐直径大于30mm的孔应保
持原有特征。
5.1.3.2冷却系统建模要求
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- 乘用车 空气动力学 仿真技术 规范
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