流固耦合下的汽車氣動特性范文

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摘要：傳統的CFD仿真方法通常只考慮風載荷對汽車氣動性能受的作用，而忽略了車身結構振動與氣流之間耦合作用帶來的影響，導致計算結果與真實汽車行駛狀況存在一定偏差。以1/4標準MIRA模型為研究對象，通過雙向顯式流固耦合的仿真方法將流固耦合效應引入到數值仿真中，得到不同工況下的氣動力、表面壓力、振動頻率以及車身姿態角等數據，分析與傳統仿真方法在計算結果上的差異，再利用風洞測試技術驗證仿真結果的準確性。對比有無耦合仿真及試驗結果表明：耦合仿真與實驗結果更加吻合，各項數據偏差都在5%以內，從而驗證了耦合仿真方法的準確性；隨著車速的增加流固耦合效應影響越大，特別是對氣動升力的影響較大直接影響到汽車操縱穩定性，因此在高速時，流固耦合效應帶來的影響不能忽略。

關鍵詞：車輛工程；流固耦合;汽車空氣動力學;計算流體力學

0引言

汽車空氣動力學直接關系到汽車行駛的經濟性、舒適性和安全性等性能，現已成為汽車技術開發中重要的研究熱點，并在汽車技術開發中扮演越來越重要的角色。汽車空氣動力學研究多采用理論分析、數值計算（ComputationalFluidDynamics,CFD）和風洞試驗相結合的方法來研究汽車高速行駛時的氣動特性[1]，傳統的CFD仿真方法通常將仿真對象視為剛體只考慮氣流對汽車氣動性能的影響，而忽略了汽車結構振動與氣流之間的耦合作用，進而導致計算結果在流場結構和氣動力方面與真實汽車行駛狀況均存在一定偏差。特別是在汽車高速行駛時，車輛結構振動強烈，流固耦合效應明顯，直接影響到汽車高速行駛的氣動性能。因此，為研究汽車高速行駛時的流固耦合效應，提高車輛高速行駛時的穩定性和安全性，可以采用將固體計算引入到流體計算交叉耦合的計算方法[2-3]，仿真模擬中充分考慮流固耦合之間的相互作用，從而更為準確的把握汽車的空氣動力學特性。許多專家學者在流固耦合研究方面做出大量努力，文獻[4]進行了車輛風-車-橋三系統的耦合計算，并與傳統的仿真方法做對比，發現耦合計算得到的計算結果危險系數要高,強調了耦合算法的重要性。文獻[5]利用耦合仿真的計算方法對汽車側窗的氣動噪聲進行仿真分析，通過對比實驗結果，發現耦合算法準確性更高。同濟大學朱暉等人研究了類車體在側風環境下的流固耦合效應[6]，并指出了流固耦合效應對汽車氣動特性的影響。本文以MIRA模型為研究對象，對比了流固耦合計算方法與傳統仿真計算結果在氣動力、流場等方面的差異，并與風洞試驗結果相對比，證明了流固耦合仿真方法的準確性和必要性，并揭示流固耦合效應對汽車高速行駛氣動特性的影響。

1流固耦合數值計算理論

1.1固體模型的有限元分析

對固體車體采用有限元方法分析，將要求解的固體區域進行彈性化處理。

1.2流固耦合交界面的動力學條件

1.3汽車模型簡化方法

為研究流固耦合效應對車體姿態角的影響，本文對車體懸架進行了相應的簡化，并將車體通過Lagrange能量法簡化為包括橫擺、側傾、俯仰、側向的四自由度系統動力學模型。

2仿真計算及結果分析

2.1幾何模型材料設置及網格劃分

仿真研究采用1/4縮比MIRA標準數字模型[9]，并將車輪和懸架等效為彈簧單元。

2.2仿真計算及結果對比

本文首先對比了是否考慮流固耦合效應的兩種CFD數值仿真方法在求解結果上存在的差異。

3風洞實驗及結果分析

為驗證本文流固耦合仿真方法的準確性，本文通過風洞試驗得到的氣動力、壓力、姿態角等數據與仿真結果進行了對比。

4結論

將考慮流固耦合效應的仿真結果與傳統仿真方法及風洞試驗結果對比，得到以下結論：(1)對整車受到的氣動力，流固耦合效應主要影響氣動升力的大小，并且隨著車速的提高，流固耦合的影響越大，而對于氣動阻力影響相對較小；(2)氣動升力的大小直接影響到車輛的附著力，進而關系到車輛行駛的操縱穩定性和安全性。而考慮流固耦合效應的仿真方法對升力預測更加準確，更有利于汽車操縱穩定性的準確控制。(3)對耦合仿真得到的整車氣動力、壓力數據、姿態角等結果與風洞試驗結果對比，發現兩者的數值大小及變化趨勢基本吻合，且偏差都不超過±5%，說明考慮流固耦合的仿真方法更準確，得到的數值結果更具有參考性。

作者：胡興軍；郭鵬；惠政；張揚輝；張靖龍；王靖宇；劉飛單位：吉林大學