轿车外流场的数值模拟 (硕士学位论文)

本论文以某轿车为例，车身数据取自实际产品设计数据库，利用目前通用的CAD软件UG，构建本轿车的1：5模型，构件几何模型，导入STAR-CD前处理器时生成轿车表面网格，利用网格自动生成和人工干预的方法划分计算网格。然后进行求解域的设定，求解单元的选择，控制参数的设定，求解方法和数学模型的选择，以及边界条件的确定等。接着在STAR-CD中进行数值模拟，进行空气阻力系数与试验值的对比，确定了外流场改进方案：对计算域的网格进行局部细化，利用移动地板条件进行地面效应模拟。再次进行数值计算，输出了该轿车的三维速度场、压力场、能量耗散及湍能，利用尾流积分法求阻力，探讨了轿车的外流场和尾流场的速度、压力特性，研究了其尾流结构和湍流特性，这项工作对于预测和改进汽车的气动性能和指导产品设计具有重要意义。

第一章 绪 论.........................................................................................1
1．1 空气动力学概述......................................................................................1
1．1．1 空气动力学的发展现状.............................................................1
1．1．2 空气动力学的重要意义.............................................................1
1．2 计算流体力学的发展现状......................................................................3
1．2．1 计算流体力学的发展.................................................................3
1．2．2 汽车流场数值模拟的发展.........................................................4
1．3 论文思路和所做的工作..........................................................................4
1．3．1 本文的研究方案.........................................................................4
1．3．2 本文研究的内容和意义.............................................................5
第二章 轿车外流场数值模拟的理论基础..........................................7
2．1 数值模拟基础理论..................................................................................7
2．2 计算流体力学基础理论..........................................................................8
2．3 数值仿真的主要方法............................................................................10
2．3．1 NS方程组的近似.....................................................................10
2．3．2 统一线性方法——面元法.......................................................11
2．3．3 非线性方法...............................................................................14
2．3．4 区分法.......................................................................................15
2．4 轿车外流场的控制方程........................................................................15
第三章 轿车外流场的数值模拟........................................................18
3．1 STAR-CD简介.......................................................................................18
3．1．1 STAR-CD概述..........................................................................18
3．1．2 STAR-CD的主要特性..............................................................19
3．1．3 STAR-CD的组成......................................................................19
3．2 轿车模型的建立和网格划分................................................................2

3．2．1 轿车模型的生成.......................................................................21
3．2．2 空间网格区域的划分和网格的形成.......................................22
3．2．3 汽车三维数值模拟的网格的拼接及完成...............................23
3．3 轿车外流场的边界条件及方程离散....................................................25
3．3．1 湍流模型...................................................................................25
3．3．2 边界条件的确定.......................................................................25
3．3．3 控制方程的离散.......................................................................27
3．4 轿车外流场的数值模拟结果................................................................29
3．4．1 轿车外流场的数值模拟结果...................................................29
3．4．2 计算值与试验值的对比...........................................................32
3．5 网格细化后的数值模拟结果................................................................33
3．5．1 计算网格加密...........................................................................33
3．5．2 边界条件的改进.......................................................................34
3．5．3 计算结果与试验结果的对比...................................................36
3．6 尾流积分法求阻力................................................................................37
3．6．1 试验法尾流积分法求阻力.......................................................37
3．6．2 有限体积法数值积分仿真.......................................................39
3．6．3 计算结果分析...........................................................................43
第四章 轿车外流场的数值模拟结果分析........................................45
4．1 轿车流场的组成....................................................................................45
4．1．1 轿车的内流场...........................................................................45
4．1．2 轿车的外流场...........................................................................46
4．2 轿车外流场分析....................................................................................47
4．2．1 轿车外流场压力分析...............................................................48
4．2．2 轿车外流场速度分析...............................................................49
4．3 轿车尾流场分析....................................................................................53
4．3．1 尾流场的速度分析...................................................................54

4．3．2 尾流场的压力分析...................................................................58
4．3．3 尾流场的湍流特性...................................................................60
4．3．4 尾流场的控制...........................................................................64
第五章全文总结..................................................................................65
参考文献...............................................................................................67
致谢.......................................................................................................70
摘要..........................................................................................................I
ABSTRACT..........................................................................................IV