流固耦合下的汽車(chē)氣動(dòng)特性范文

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摘要：傳統(tǒng)的CFD仿真方法通常只考慮風(fēng)載荷對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)性能受的作用，而忽略了車(chē)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)與氣流之間耦合作用帶來(lái)的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與真實(shí)汽車(chē)行駛狀況存在一定偏差。以1/4標(biāo)準(zhǔn)MIRA模型為研究對(duì)象，通過(guò)雙向顯式流固耦合的仿真方法將流固耦合效應(yīng)引入到數(shù)值仿真中，得到不同工況下的氣動(dòng)力、表面壓力、振動(dòng)頻率以及車(chē)身姿態(tài)角等數(shù)據(jù)，分析與傳統(tǒng)仿真方法在計(jì)算結(jié)果上的差異，再利用風(fēng)洞測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)比有無(wú)耦合仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明：耦合仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加吻合，各項(xiàng)數(shù)據(jù)偏差都在5%以?xún)?nèi)，從而驗(yàn)證了耦合仿真方法的準(zhǔn)確性；隨著車(chē)速的增加流固耦合效應(yīng)影響越大，特別是對(duì)氣動(dòng)升力的影響較大直接影響到汽車(chē)操縱穩(wěn)定性，因此在高速時(shí)，流固耦合效應(yīng)帶來(lái)的影響不能忽略。

關(guān)鍵詞：車(chē)輛工程；流固耦合;汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué);計(jì)算流體力學(xué)

0引言

汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)直接關(guān)系到汽車(chē)行駛的經(jīng)濟(jì)性、舒適性和安全性等性能，現(xiàn)已成為汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)中重要的研究熱點(diǎn)，并在汽車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)中扮演越來(lái)越重要的角色。汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究多采用理論分析、數(shù)值計(jì)算（ComputationalFluidDynamics,CFD）和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)研究汽車(chē)高速行駛時(shí)的氣動(dòng)特性[1]，傳統(tǒng)的CFD仿真方法通常將仿真對(duì)象視為剛體只考慮氣流對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)性能的影響，而忽略了汽車(chē)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與氣流之間的耦合作用，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果在流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)力方面與真實(shí)汽車(chē)行駛狀況均存在一定偏差。特別是在汽車(chē)高速行駛時(shí)，車(chē)輛結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)烈，流固耦合效應(yīng)明顯，直接影響到汽車(chē)高速行駛的氣動(dòng)性能。因此，為研究汽車(chē)高速行駛時(shí)的流固耦合效應(yīng)，提高車(chē)輛高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性和安全性，可以采用將固體計(jì)算引入到流體計(jì)算交叉耦合的計(jì)算方法[2-3]，仿真模擬中充分考慮流固耦合之間的相互作用，從而更為準(zhǔn)確的把握汽車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。許多專(zhuān)家學(xué)者在流固耦合研究方面做出大量努力，文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了車(chē)輛風(fēng)-車(chē)-橋三系統(tǒng)的耦合計(jì)算，并與傳統(tǒng)的仿真方法做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)耦合計(jì)算得到的計(jì)算結(jié)果危險(xiǎn)系數(shù)要高,強(qiáng)調(diào)了耦合算法的重要性。文獻(xiàn)[5]利用耦合仿真的計(jì)算方法對(duì)汽車(chē)側(cè)窗的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真分析，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)耦合算法準(zhǔn)確性更高。同濟(jì)大學(xué)朱暉等人研究了類(lèi)車(chē)體在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的流固耦合效應(yīng)[6]，并指出了流固耦合效應(yīng)對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)特性的影響。本文以MIRA模型為研究對(duì)象，對(duì)比了流固耦合計(jì)算方法與傳統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果在氣動(dòng)力、流場(chǎng)等方面的差異，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，證明了流固耦合仿真方法的準(zhǔn)確性和必要性，并揭示流固耦合效應(yīng)對(duì)汽車(chē)高速行駛氣動(dòng)特性的影響。

1流固耦合數(shù)值計(jì)算理論

1.1固體模型的有限元分析

對(duì)固體車(chē)體采用有限元方法分析，將要求解的固體區(qū)域進(jìn)行彈性化處理。

1.2流固耦合交界面的動(dòng)力學(xué)條件

1.3汽車(chē)模型簡(jiǎn)化方法

為研究流固耦合效應(yīng)對(duì)車(chē)體姿態(tài)角的影響，本文對(duì)車(chē)體懸架進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，并將車(chē)體通過(guò)Lagrange能量法簡(jiǎn)化為包括橫擺、側(cè)傾、俯仰、側(cè)向的四自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

2仿真計(jì)算及結(jié)果分析

2.1幾何模型材料設(shè)置及網(wǎng)格劃分

仿真研究采用1/4縮比MIRA標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字模型[9]，并將車(chē)輪和懸架等效為彈簧單元。

2.2仿真計(jì)算及結(jié)果對(duì)比

本文首先對(duì)比了是否考慮流固耦合效應(yīng)的兩種CFD數(shù)值仿真方法在求解結(jié)果上存在的差異。

3風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文流固耦合仿真方法的準(zhǔn)確性，本文通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)得到的氣動(dòng)力、壓力、姿態(tài)角等數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

4結(jié)論

將考慮流固耦合效應(yīng)的仿真結(jié)果與傳統(tǒng)仿真方法及風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得到以下結(jié)論：(1)對(duì)整車(chē)受到的氣動(dòng)力，流固耦合效應(yīng)主要影響氣動(dòng)升力的大小，并且隨著車(chē)速的提高，流固耦合的影響越大，而對(duì)于氣動(dòng)阻力影響相對(duì)較小；(2)氣動(dòng)升力的大小直接影響到車(chē)輛的附著力，進(jìn)而關(guān)系到車(chē)輛行駛的操縱穩(wěn)定性和安全性。而考慮流固耦合效應(yīng)的仿真方法對(duì)升力預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確，更有利于汽車(chē)操縱穩(wěn)定性的準(zhǔn)確控制。(3)對(duì)耦合仿真得到的整車(chē)氣動(dòng)力、壓力數(shù)據(jù)、姿態(tài)角等結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的數(shù)值大小及變化趨勢(shì)基本吻合，且偏差都不超過(guò)±5%，說(shuō)明考慮流固耦合的仿真方法更準(zhǔn)確，得到的數(shù)值結(jié)果更具有參考性。

作者：胡興軍；郭鵬；惠政；張揚(yáng)輝；張靖龍；王靖宇；劉飛單位：吉林大學(xué)