阶背式MIRA模型气动阻力数值模拟网格无关性研究

对汽车气动阻力数值模拟结果影响较大的网格划分形式和方法进行了对比研究.利用现有充分的计算资源,建立阶背式MIRA模型,通过划分常见的四面体网格和混合网格,分别对两种网格形式在整车周围和车身尾部对网格进行加密,并保证足够多的网格数量,得到了数值稳定的网格无关性的阻力系数结果,总结出了阻力系数随网格加密的变化趋势,并与现有风洞试验值进行对比分析.结果表明:网格一旦加密后阻力系数即有显著下降,随着网格数的不断增加,阻力系数均呈现出明显的下降趋势,且下降幅度逐渐减小,最后都能在3000万网格左右得到网格无关性的结果.最终四种方案的阻力系数值均小于风洞试验值,且与之存在一定的误差.

基于CFD的MIRA模型外流场数值模拟

利用UG对MIRA模型进行三维实体建模,将其导入前处理软件ANSYS/ICEM,建立计算域后并划分网格。用ANSYS/Fluent对MIRA模型的外流场进行三维稳态流动数值模拟,获得了MIRA模型的速度场、压力场及气动阻力系数。与风洞试验数据对比结果表明所采用方法的可靠性。

基于Mira模型的汽车尾部气动特性的数值模拟

汽车的空气动力学特性对其性能的影响,随着车速的提高占据了越来越重要的地位。运用CFD数值模拟的方法,以Mira模型为研究对象,对其原型以及加装后扰流板模型进行仿真。通过研究模型周围流场、速度等,分析不同尾部Mira模型、加装后扰流板,以及截面形状与攻角不同的后扰流板对气动特性的影响。研究表明:车身尾部造型不同,尾流结构有明显的区别,对汽车空气动力学特性的影响很大。同时,在车尾恰当加装后扰流板,能够很好地优化车体尾流结构,从而提高车辆的气动特性。

MIRA模型组尾部造型风洞试验研究

汽车尾涡是整车气动阻力主要来源之一,而汽车尾涡直接受尾部造型的影响。因此,研究车身尾部造型对气动阻力的优化具有重要意义。以MIRA标准模型组为研究对象,通过风洞试验,运用表面压强测量技术和粒子图像测速(PIV)技术,得到MIRA模型组各模型的阻力系数以及车身纵对称面表面压强分布和尾部速度流场,并对此进行了定性、定量分析,获得了模型组中各模型阻力系数变化与车身尾部造型的关系。试验结果表明,在模型组中,斜背的阻力系数最小,阶梯背较大,直背最大,且这3种模型的尾部负压区、尾涡涡核距车身距离、尾涡扩散范围依次呈现增大趋势。

y^+值对MIRA模型气动参数计算精度的影响

为研究量纲为1的参数y^+值对车辆气动参数计算精度的影响,以阶梯背MIRA模型为基础,在保证模型网格数量与质量相近的情况下调整近壁网格尺寸,构建不同y^+值的流场仿真模型;考虑到不同的湍流模型对车辆外流场仿真的y^+值具有不同的适用范围,选取SSTκ-ω和LES两种常用的湍流模型对阶梯背MIRA模型外流场进行稳态和非稳态仿真分析;将气动参数仿真结果与试验结果进行对比分析,得出合适的y^+值取值范围;结合仿真速度云图和车身表面受力曲线分析了边界层首层网格厚度对仿真精度的影响;建立了方背MIRA模型在2种湍流模型下的外流场仿真模型,进行不同流速下气动参数的计算,从而对y^+值取值范围进行验证。研究结果表明:针对车辆外流场数值仿真,采用SSTκ-ω模型时对应的合适平均y^+值取值范围为20~50,而采用LES模型时对应的合适平均y^+值取值范围为5~10;当边界层首层近壁网格厚度过大时,数值仿真无法准确捕捉边界层中速度梯度的变化,造成边界层流场流动信息丢失,而当边界层首层近壁网格厚度过小时,边界层网格会严重畸变,2种情况下气动参数计算误差都超过5%,从而影响车辆外流场数值仿真精度;根据所获得的y+值取值范围,方背MIRA模型计算的气动参数误差小于5%,说明了2种湍流模型平均y^+值取值范围的正确性。

MIRA快背式模型主动减阻研究

参考被动减阻的机理,在MIRA车身的几个位置设置射流口实现射流吹气,以达到降低模型迎风面压力或增大背风面压力的目的。对比MIRA原模型瞬态仿真与试验结果,验证了仿真的准确性。对几个射流工况和原模型的瞬态仿真结果进行对比分析。通过阻力系数、表面静压系数和方向涡量的对比,确认了局部射流的减阻效果。最终实现气动阻力系数降低16.3%。

非光滑表面Mira阶梯背模型气动特性分析

对Mira阶梯背模型外流场进行数值模拟并验证,表明仿真结果可靠;研究了非光滑单元体类型对气动性能的影响,结果表明半球形凹坑减阻效果最优,减阻率为4.87%;采用正交试验方法研究了凹坑型非光滑单元体的排列方式、深度、纵横间距(纵横为等间距)等对气动性能的影响,结果表明影响减阻效果的主次因素为非光滑单元体的深度、纵横间距、速度、排列方式,其中最优组合减阻率为6.07%。

低雷诺数湍流模型的网格特征

低雷诺数模型目前主要应用于二维简单流动的数值仿真中,为研究该湍流模型在三维复杂流动计算中的网格特征,选取不同系列的车身面网格尺寸、车身壁面第一层边界层与壁面法向高度以及边界层层数等3组网格参数,利用ANSYS对阶背式MIRA模型外流场进行数值仿真.数值仿真结果与风洞试验的结果对比表明：数值计算得到的车身表面平均y＋值随面网格尺寸增加而呈现减小趋势;网格方案对气动力因数和车身表面压力因数分布影响显著,气动阻力因数仿真值与试验值误差的变化区间为0.83%-7.93%,气动升力因数误差变化区间为10%-104%;气动阻力因数和气动升力因数均随着边界层层数的增加而增大,边界层层数为5时可以得到兼顾气动力因数精度和车身表面压力因数精度的较优仿真结果.

汽车外流场数值仿真k-ε模型适用性研究

由于目前的湍流模型并非针对汽车空气动力学进行数值仿真,因而造成潜在的计算误差。因此,为探寻适合的数值计算模型,以MIRA阶梯背汽车1/3比例模型为研究对象,对常用的Standard k-ε、RNG k-ε和Realizablek-ε3种k-ε涡黏湍流模型进行数值仿真,以计算所得的气动力系数、尾部流场及表面压力系数为适用性评价指标,并与HD-2风洞试验数据对标。研究结果表明:3种模型中,Standard k-ε模型收敛速度和效率最优,但气动阻力的计算精准度最差;RNG k-ε模型的表现一般,而Realizable k-ε模型能获得最高的气动阻力计算精度,与风洞试验结果对比,误差在5%以内,但收敛速度和效率相对较差;同时,3种湍流模型对气动升力的计算结果与风洞试验对比存在较大误差。

汽车车型对三车队列行驶气动阻力的影响

采用数值模拟方法研究3种MIRA汽车车型(方背车、快背车和阶背车)对三车队列在一倍车长间距下气动阻力的影响。通过对27种编队工况下的整体队列和单车各部位气动阻力以及车间流场进行详细分析,结果表明:头车受到中车阻塞造成其背部压力回升,3种车型作为头车,自身均可实现减阻;中车由于头尾车和自身车型的共同作用,会受到背部压力回升,前部正压以及前缘圆弧负压减弱的综合影响,3种车型的中车阻力有减有增;尾车受中车和自身车型共同作用,压力变化同中车类似,阻力也有减有增。前车的低速尾流区会对后车起到庇护作用,但也会造成后车前缘圆弧部位吸力减小,不利于队列减阻,甚至造成增阻。三车队列最佳编队是快背头车—方背中车—方背尾车,减阻量可达0.12(120 counts)。