流體仿真平臺(tái)對(duì)汽車(chē)外流場(chǎng)仿真能力的對(duì)比研究*

朱 暉,楊志剛,譚 鵬,豐成杰

(1.同濟(jì)大學(xué),上海地面交通工具風(fēng)洞中心,上海 201804; 2.湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

2016026

流體仿真平臺(tái)對(duì)汽車(chē)外流場(chǎng)仿真能力的對(duì)比研究*

朱 暉1,楊志剛1,譚 鵬2,豐成杰2

(1.同濟(jì)大學(xué),上海地面交通工具風(fēng)洞中心,上海 201804; 2.湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

基于同一個(gè)硬件平臺(tái)和相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，采用Fluent 12.1和Star-ccm+8.04流體仿真平臺(tái)對(duì)某車(chē)身的1/3縮比模型外部繞流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真。以相同模型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，通過(guò)計(jì)算獲得氣動(dòng)升/阻力、車(chē)身表面壓力和尾跡區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息，對(duì)比研究了兩款流體仿真平臺(tái)對(duì)汽車(chē)外流場(chǎng)的仿真能力，為流體仿真平臺(tái)的選擇提供了依據(jù)。

汽車(chē)外流場(chǎng)；流體仿真平臺(tái)；仿真能力

前言

由于突出的經(jīng)濟(jì)性及時(shí)效性優(yōu)勢(shì)，計(jì)算流體力學(xué)在汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)研究中被廣泛采用；該方法對(duì)汽車(chē)外部繞流場(chǎng)的精細(xì)解算能力、對(duì)提高汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能至關(guān)重要[1-3]。

企業(yè)調(diào)研和文獻(xiàn)檢索結(jié)果表明：目前主流的流體仿真平臺(tái)為Fluent(Ansys Co. Ltd.)和Star-ccm+(CD-adapco Co. Ltd.)；二者皆基于有限體積理論框架構(gòu)建，且內(nèi)嵌的湍流模型基本相同[4-5]。在汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，無(wú)論是研究還是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，F(xiàn)luent平臺(tái)和Star-ccm+平臺(tái)皆得以廣泛應(yīng)用[6-8]。

公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)內(nèi)容可概括為：基于仿真平臺(tái)對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行研究所獲得的規(guī)律性認(rèn)知；缺乏對(duì)兩款平臺(tái)性能對(duì)比的研究成果。只有明確仿真平臺(tái)在主要性能方面各自的特點(diǎn)，才能在商業(yè)或科研工作中對(duì)其進(jìn)行正確的選擇。

本文中基于Fluent 12.1平臺(tái)和Star-ccm+8.04平臺(tái)，對(duì)某款自主設(shè)計(jì)車(chē)型的外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并將仿真結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以比較兩款流體仿真平臺(tái)針對(duì)具有分離、剪切和臨地面特性繞流的解算特點(diǎn)。

1 幾何模型及流場(chǎng)空間離散

實(shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真對(duì)象統(tǒng)一為自主設(shè)計(jì)的某款車(chē)型的1/3縮比模型，其造型特點(diǎn)為：車(chē)體A柱和車(chē)頭實(shí)行一體式設(shè)計(jì)；車(chē)體頂部和C柱實(shí)行一體式設(shè)計(jì)并延伸至車(chē)尾；車(chē)體側(cè)面采用半分體式設(shè)計(jì)；尾部采用簡(jiǎn)潔的“截尾”設(shè)計(jì)；車(chē)型底部光滑。

縮比模型長(zhǎng)L=1 562mm，寬W=591mm，高H=486mm，軸距為875mm，輪距為480mm，正投影面積為0.249 3m2；輪胎采用帶輻條的仿真輪胎，具體構(gòu)造如圖1所示。

采用尺度在0.4～3mm之間的三角形網(wǎng)格對(duì)縮比模型表面進(jìn)行劃分。其原因?yàn)椋?1)車(chē)身底部與地面之間間隙狹小，可能導(dǎo)致體網(wǎng)格生成困難或者質(zhì)量不高，從而加細(xì)網(wǎng)格；(2)在型面結(jié)合部位流動(dòng)極易產(chǎn)生扭曲變形，需要細(xì)化網(wǎng)格以更好地捕捉流場(chǎng)信息；(3)為保證與實(shí)驗(yàn)狀態(tài)完全一致，保留了仿真模型的全部細(xì)節(jié)(車(chē)輪輻條、螺栓、車(chē)軸法蘭等)，因此細(xì)化面網(wǎng)格。

體網(wǎng)格的制作遵從兩款仿真平臺(tái)各自的推薦方案：Fluent平臺(tái)采用四/五/六面體混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(四面體、棱柱體、金字塔、六面體)；Star-ccm+平臺(tái)采用切塊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(trimmed mesh，五/六面體混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu))。具體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。

空間計(jì)算區(qū)域：長(zhǎng)為15.0m，寬為6.0m，高為2.5m，阻塞比為1.66%。x正向?yàn)閺淖蟮接业目諝饬鲃?dòng)方向,z正向垂直向上,y正向以右手螺旋定則確定。為了減輕數(shù)值黏性的影響，大部分計(jì)算區(qū)域劃分為大小不等的六面體網(wǎng)格。為高效利用計(jì)算資源并提高計(jì)算精度，在包裹模型及流場(chǎng)變化劇烈的局部區(qū)域采用統(tǒng)一尺度對(duì)體網(wǎng)格進(jìn)行加密。網(wǎng)格總數(shù)為：Fluent平臺(tái)1 800萬(wàn)單元；Star-ccm+平臺(tái)1 100萬(wàn)單元。

近壁面第1層網(wǎng)格中心離壁面的法向高度，以y+=30～150加以控制(采用RANS框架湍流模型)，高度為0.6mm。在實(shí)現(xiàn)邊界層網(wǎng)格全面覆蓋模型及相關(guān)型面細(xì)節(jié)的條件下，體網(wǎng)格質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為：Fluent平臺(tái)skewness<0.94；Star-ccm+平臺(tái)volume change>10-4。

2 湍流模型及邊界條件

本文中統(tǒng)一采用RANS模型框架下Realizablek-ε湍流模型[9]結(jié)合2階迎風(fēng)格式(1階格式1 000步迭代，2階格式3 000步迭代)完成數(shù)值計(jì)算。Realizablek-ε湍流模型引入部分雷諾應(yīng)力數(shù)學(xué)約束，湍動(dòng)能k和耗散率ε基本方程為

(1)

(2)

其中σk=1.0；σε=1.2；C2=1.9

式中：Gk為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k產(chǎn)生項(xiàng)；σk和σε分別為與湍動(dòng)能k及耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)。

參照實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)、氣流品質(zhì)和運(yùn)行工況，入口處統(tǒng)一采用速度入口邊界條件(velocity inlet)，認(rèn)為速度為均勻分布，u=40m/s，v=w=0；入口湍流強(qiáng)度0.2%，湍流黏性比10；出口采用壓力出口邊界條件，表壓取為0，出口湍流強(qiáng)度及湍流黏性比的確定法與進(jìn)口類似。按車(chē)長(zhǎng)計(jì)算的雷諾數(shù)Re≈3.25×106。

地面和車(chē)身(含車(chē)輪)皆采用無(wú)滑移邊界條件，其目的是與實(shí)驗(yàn)情況保持一致(實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞無(wú)移動(dòng)帶，車(chē)輪無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，不采用MRF法)；計(jì)算域左右兩側(cè)和頂部采用對(duì)稱邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算過(guò)程中，在監(jiān)測(cè)殘差的基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)身的阻力系數(shù)CD和升力系數(shù)CL進(jìn)行監(jiān)測(cè)。計(jì)算結(jié)束后統(tǒng)計(jì)出的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，表中相對(duì)誤差計(jì)算以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)值為準(zhǔn)，其中升力系數(shù)誤差取絕對(duì)值。

表1 CD和CL比較

由表可知：在本次數(shù)值仿真中，對(duì)于阻力系數(shù)的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺(tái)明顯優(yōu)于Star-ccm+平臺(tái)，前者計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差已控制在1%以內(nèi)；對(duì)于升力系數(shù)的計(jì)算，在升力方向預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，具體數(shù)值與實(shí)驗(yàn)值偏差皆大于30%。因此，在本次仿真中，針對(duì)氣動(dòng)阻力的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺(tái)優(yōu)于Star-ccm+平臺(tái)；針對(duì)氣動(dòng)升力的計(jì)算，二者的計(jì)算結(jié)果皆不理想。

通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)車(chē)體表面壓力進(jìn)行測(cè)量，所使用的主要儀器為DTC電子壓力掃描閥系統(tǒng)(128通道)。測(cè)壓孔布置于車(chē)體上部縱向?qū)ΨQ面、尾部水平面、車(chē)體底部區(qū)域和車(chē)身側(cè)面。

車(chē)體上部對(duì)稱面壓力系數(shù)測(cè)量值和數(shù)值計(jì)算值如圖3所示，圖中x/L為比例長(zhǎng)度。由于車(chē)體造型特征有別于傳統(tǒng)車(chē)，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋和前風(fēng)窗銜接處未出現(xiàn)“死水區(qū)”，所以消除了該處的高壓區(qū)。

由圖3可知：Fluent平臺(tái)與Star-ccm+平臺(tái)對(duì)車(chē)體上部對(duì)稱面處測(cè)點(diǎn)壓力計(jì)算結(jié)果幾乎完全一致；以測(cè)量值為準(zhǔn)，在整體趨勢(shì)一致的基礎(chǔ)上，仿真平臺(tái)對(duì)車(chē)體頂部氣流加速及壓力回升區(qū)域(Cp≤0區(qū)域)的計(jì)算結(jié)果明顯偏小，即對(duì)車(chē)體上部負(fù)壓預(yù)測(cè)皆不理想；因此二者對(duì)車(chē)體上部區(qū)域壓力計(jì)算能力相當(dāng)。

車(chē)體尾部的壓力分布如圖4所示，z/H和y/W分別為比例高度和寬度，其中圖4(a)顯示尾部縱向?qū)ΨQ截面壓力分布，圖4(b)和圖4(c)分別顯示尾部z/H為0.346和0.220處截面壓力分布。

由圖4可知：以測(cè)量值為準(zhǔn)，在整體趨勢(shì)一致的基礎(chǔ)上，F(xiàn)luent平臺(tái)計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值更接近，且普遍大于Star-ccm+平臺(tái)的計(jì)算結(jié)果；Fluent平臺(tái)針對(duì)z/H=0.220處截面壓力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果在趨勢(shì)上與測(cè)量值更為接近，具體如圖4(c)所示；二者針對(duì)車(chē)型尾部表面壓力系數(shù)的計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值皆存在較大差距；因此Fluent平臺(tái)針對(duì)車(chē)體尾部壓力的計(jì)算能力略優(yōu)于Star-ccm+平臺(tái)。

在縱向?qū)ΨQ面處，車(chē)體底部接近尾部位置的壓力分布測(cè)量及計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：以測(cè)量值為準(zhǔn)，在整體趨勢(shì)一致的基礎(chǔ)上，F(xiàn)luent平臺(tái)計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值更接近，因此Fluent平臺(tái)針對(duì)車(chē)體底部接近尾部位置壓力的計(jì)算能力略優(yōu)于Star-ccm+平臺(tái)。

車(chē)體側(cè)面布置兩排測(cè)點(diǎn)：C柱處沿氣流方向和車(chē)身處垂直氣流方向各1排。測(cè)量和計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖可見(jiàn)：對(duì)于第1排車(chē)身側(cè)面測(cè)點(diǎn)，以測(cè)量值為準(zhǔn)，在整體趨勢(shì)一致的基礎(chǔ)上，Star-ccm+平臺(tái)計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值更接近；對(duì)于第2排車(chē)身側(cè)面測(cè)點(diǎn)，以測(cè)量值為準(zhǔn)，在整體趨勢(shì)一致的基礎(chǔ)上，兩款平臺(tái)計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值偏差相近；因此，Star-ccm+平臺(tái)針對(duì)車(chē)體側(cè)面壓力的計(jì)算能力略優(yōu)于Fluent平臺(tái)。

在總共110個(gè)測(cè)壓點(diǎn)中，兩款仿真平臺(tái)對(duì)壓力的計(jì)算結(jié)果之間的相對(duì)誤差(以Fluent平臺(tái)計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn))分布見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差

通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)車(chē)體外部繞流場(chǎng)尾跡區(qū)進(jìn)行PIV測(cè)量，所使用的主要儀器為：Nd∶YGA雙脈沖激光器和CCD跨幀數(shù)字相機(jī)，數(shù)字相機(jī)觸發(fā)信號(hào)由同步器控制提供，從而保持與脈沖激光器的完全同步。

圖7顯示了依據(jù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果所繪制的縱向?qū)ΨQ截面流線圖，圖8為某縱向截面實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果流線圖，圖9顯示了車(chē)身尾部邊緣實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果縱向截面流線圖[10]。

由圖7可見(jiàn)：以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)，兩款仿真平臺(tái)對(duì)縱向?qū)ΨQ面流場(chǎng)渦尺度描述基本準(zhǔn)確，但皆無(wú)法準(zhǔn)確捕捉渦核位置；對(duì)于尾渦周?chē)鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)的描述能力，F(xiàn)luent平臺(tái)略優(yōu)于Star-ccm+平臺(tái)。

由圖8可見(jiàn)：以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)，F(xiàn)luent平臺(tái)計(jì)算結(jié)果能捕捉到某縱向?qū)ΨQ面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)中微小渦核的存在，Star-ccm+平臺(tái)計(jì)算結(jié)果則無(wú)法描述相關(guān)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；對(duì)于尾渦周?chē)鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)的描述能力，兩款平臺(tái)能力相當(dāng)；總體上Fluent平臺(tái)優(yōu)于Star-ccm+平臺(tái)。

由圖9可見(jiàn)：對(duì)于車(chē)身尾部側(cè)面邊緣的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)計(jì)算能力，F(xiàn)luent平臺(tái)與Star-ccm+平臺(tái)幾乎完全相當(dāng)，在絕大部分區(qū)域符合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

綜合圖7～圖9的分析可知：就針對(duì)車(chē)身尾跡區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算能力而言，F(xiàn)luent平臺(tái)優(yōu)于Star-ccm+平臺(tái)。

4 結(jié)論

基于Fluent平臺(tái)和Star-ccm+平臺(tái)各自推薦的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、相同量級(jí)的網(wǎng)格數(shù)量、一致的邊界層網(wǎng)格厚度、相同的湍流模型及迭代格式、統(tǒng)一的硬件配置，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)比分析升/阻力系數(shù)、表面壓力和尾跡區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，得出如下結(jié)論。

(1) 以風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)氣動(dòng)升/阻力數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，針對(duì)氣動(dòng)阻力的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺(tái)優(yōu)于Star-ccm+平臺(tái)；針對(duì)氣動(dòng)升力的計(jì)算，兩款平臺(tái)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值偏差皆較大，所以能力相當(dāng)。

(2) 針對(duì)車(chē)身上部縱向?qū)ΨQ面壓力的計(jì)算，兩款平臺(tái)能力相當(dāng)；針對(duì)車(chē)身尾部表面壓力的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺(tái)占優(yōu)；針對(duì)車(chē)體底部縱向?qū)ΨQ面壓力的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺(tái)占優(yōu)；針對(duì)車(chē)身側(cè)部表面壓力的計(jì)算，Star-ccm+平臺(tái)占優(yōu)；總體上，針對(duì)實(shí)驗(yàn)所涉及的測(cè)壓點(diǎn)處壓力的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺(tái)略優(yōu)于Star-ccm+平臺(tái)。

(3) 針對(duì)尾跡區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算，F(xiàn)luent平臺(tái)對(duì)于實(shí)驗(yàn)涉及截面處較小渦結(jié)構(gòu)的捕捉能力強(qiáng)于Star-ccm+平臺(tái)，因此Fluent平臺(tái)占優(yōu)。

(4) 前處理過(guò)程中，Star-ccm+平臺(tái)的網(wǎng)格包面及體網(wǎng)格生產(chǎn)效率和易操作性明顯優(yōu)于Fluent平臺(tái)；在計(jì)算中，F(xiàn)luent平臺(tái)的并行計(jì)算效率明顯優(yōu)于Star-ccm+平臺(tái)。

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A Comparative Study on the Simulation Capability of Fluid SimulationPlatforms on Exterior Flow Field Around Vehicle

Zhu Hui1, Yang Zhigang1, Tan Peng2& Feng Chengjie2

1.TongjiUniversity,ShanghaiAutomotiveWindTunnelCenter,Shanghai201804; 2.HunanUniversity,StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,Changsha410082

Based on the same hardware platform and corresponding parameters setting, two fluid simulation platforms, Fluent 12.1 and Star-ccm+8.04 are adopted to conduct numerical simulation on the flow field around the 1∶3 scaled model of a vehicle body. With wind tunnel test data as the base, the simulation capability of two simulation platforms about flow field around vehicle are comparatively studied in terms of aerodynamic drag, aerodynamic lift, surface pressure distribution and wake structure etc. The study provides a basis for the selection of fluid simulation platforms.

exterior flow field around vehicle; fluid simulation platform; simulation capability

*國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB711203)和上海市地面交通工具風(fēng)洞專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目(14DZ2291400)資助。

原稿收到日期為2014年9月3日，修改稿收到日期為2014年11月17日。