1、目 录摘 要.IABSTRACT.II目 录.IV第一章 绪论.11.1 研究背景与意义.11.2 汽车空气动力学的研究方法.21.2.1 实验研究.31.2.2 理论分析.31.2.3 数值计算.31.3 国内外研究现状.41.3.1 国外汽车空气动力学发展现状.41.3.2 国内汽车空气动力学发展现状.51.4 本文研究内容.61.4.1 研究目标.61.4.2 研究内容.61.4.3 技术关键和难点.71.5 catia软件介绍.71.5.1 catia软件简介.71.5.2 catia在汽车领域的应用.7第二章 汽车空气动力学气动特性研究.82.1 空气动力学基本理论.82.1.1 空
2、气的基本物理属性.82.1.2 气流运动的基本方程.102.1.3 粘性流基础.112.2 汽车的气动力与气动力矩.132.3 气动力对汽车性能的影响.162.3.1 气动力对汽车动力性的影响.162.3.2 气动力对燃油经济型的影响.182.3.3 气动力对汽车操纵稳定性的影响.192.4 汽车流场的组成.192.5 本章小结.20第三章 汽车外流场数值模拟理论基础.223.1 汽车外流场的基本假设.223.2 基本控制方程.223.2.1 质量守恒方程.223.2.2 动量守恒方程.233.2.3 能量守恒方程.233.3 数值离散化方法.243.3.1 常用数值离散化方法.243.3.2
3、 有限体积法.253.4 湍流模型.283.4.1 湍流模型的分类.283.4.2 常用湍流模型.293.5 本章小结.31第四章 轿跑车外流场数值模拟.324.1 几何模型的建立.324.2 计算区域的确定.324.3 网格的划分.324.3.1 网格策略.324.3.2 计算网格的生成.334.4 边界条件的设定.354.5 求解器的选择.374.6 湍流模型及离散格式的选取.374.7 收敛性判定.374.8 轿跑车数值模拟结果与分析.384.8.1 车身外流场分析.384.8.2 气动阻力计算及性能分析.434.9 本章小结.44第五章 总结.575.1 全文总结.575.2 展望.5
4、7参考文献.59致 谢. 1 绪论1.1 研究背景与意义随着人们对物质生活的追求和提高，人们对生活品位的追求促使我们这些汽车技术人员只有去精益求精制造完美汽车才能满足人们的需求。由于高等级公里的发展，汽车车速的提高对汽车的操纵稳定性、安全性、舒适性提出了更高的要求，特别是由于世界能源危机，石油价格上涨，使得汽车节能技术收到了前所未有的关注。对于高速行驶的汽车，气动力对其各性能的影响有着至关重要的作用，所以良好的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的前提。因此，改善和提高汽车的空气动力学特性是具有极其重要的现实意义的。空气阻力是汽车行驶时所遇到最大的也是最重要的外力。风阻系数的大小取决于汽车的外形
5、。风阻系数愈大,则空气阻力愈大。现在汽车的风阻系数一般在0.3-0.5之间。所有汽车设计者都在致力于风阻系数的降低,风阻系数越低则意味着汽车燃油越佳,目前不少国内车型的风阻系数已经低于0.3。随着计算机技术的发展和数值分析方法的不断演变，求解复杂的偏微分方程组成为可能，这些也进一步促进了计算流体力学CFD的发展。数值分析方法现已成为与实验研究方法和理论分析两类方法并驾齐驱的重要研究方法。数值计算的目的是利用计算机技术来求解流动运动方程，从而研究分析汽车流场各主要特性以及汽车气动性能。国外一些汽车工业相对比较发达的国家对汽车空气动力学，尤其是在传统的试验研究方面已经取得的很大的成就。计算流体力学
6、取得了很大重要的研究成果。当时80年代初期的研究对象还仅仅是限于车体的基本形状方面，随后才逐步发展到如今包括车后视镜、扰流板、发动机仓、车轮等部件的模拟，并且加入了有关车辆高速行驶时的横风稳定性和横风过渡特性，甚至是两车相撞时瞬态空气动力学特性等方面的模拟，可以说现在汽车空气动力学解析系统的研究已是初具规模。CFD在汽车设计的应用方面国内虽然起步很晚，但是进展迅速，并且取得了较好的成绩。吉林大学的傅立敏教授用实验和数值模拟分析流场横纵向的流动情况，研究轿车三维分离流动特性，分析了其气流分离和尾涡的形成原因与发展机理。中国气动中心与汽车研究院合作研究车身各部分的速度矢量及压力分布；北京航空航天大
7、学则在软件开发及减阻方面做出来很大成果。1.2 汽车空气动力学的研究方法汽车空气动力学目前的研究方法按研究手段可以分为实验研究、理论分析和数值计算三种。1.2.1 实验研究汽车空气动力学试验主要包括模型风洞试验法、实车风洞试验法和实车道路实验法。实验研究在空气动力学研究中占有十分重要的地位，它可以更真实地模拟汽车实际行驶状况，并可以提供建立理论模型的依据、检验理论及计算结果的准确性和可靠性。道路试验只有在汽车样车生产出来后才能进行，属于汽车空气动力学实验研究后期的一个手段，风洞试验则能在汽车设计研发早期开展，是汽车开发或已有汽车变型发展过程中内外形设计的重要手段。但是实验方法受限于试验环境、实
8、验手段、设备和经费等物质条件。特别是风洞试验，投入大，成本高。此外有些实际问题尚无法在实验中得以解决，使得难以得到准确的实验数据。1.2.2 理论分析理论分析的特点在于科学的抽象，利用数学方法求出理论结果，清晰地、普遍地揭示出空气运动、汽车气动力产生机理以及对汽车性能影响的内在规律。首先抽象出合理的简化理论模型，并在此基础上根据已总结出的相关的介质性质实验公式，结合普遍定律来构建描述其有关介质运动规律的微分方程，接着利用数学方法并考虑到相应的初始和边界条件解出方程组。研究人员通过对这个得出的解加以分析，就可以揭示出其所表示各种待观测物理量的变化规律。但是理论分析往往容易受到数学工具及求解方法的
9、限制，只能建立相对简单的近似模型和经验公式，对于研究更复杂的、更符合实际的气流存在很大的局限性。1.2.3 数值计算随着计算机技术的发展和数值分析方法的不断演变，求解复杂的偏微分方程组成为可能，这些也进一步促进了计算流体力学CFD（Computer Fluid Dynamics）的发展。同时数值分析方法在计算流体力学，尤其是汽车空气动力学方面的研究作用和地位也在不断提高，现已成为与实验研究和理论分析两类方法并驾齐驱的重要研究方法。数值计算的目的是利用计算机技术来求解流动运动方程，从而研究分析汽车流场各主要特性以及汽车气动性能。通过计算分析汽车周围的绕流情况，并将其结果可视化，使得研究人员可以很
10、清晰地看到汽车流场的各种细节，进而可以分析流动的分离、表面压力分布以及受力大小情况等。其优点是能够预测或解决一些理论及实验无法处理的复杂流动问题，能取代部分实验环节，且省时省工。数值计算的特点是不受流场品质、实验环境、实验器材等因素影响，实验参数选择大。但是它要求事前必须充分了解问题的物理特性，才能提炼出比较精确的数学方程及相应的初始、边界条件等，而这些又必须依靠实验和理论方法的支撑。应用CFD分析指导设计，为设计提供科学的依据，无论在新产品开发还是在 现有产品改进方面，都具有提高产品质量、增强自主开发能力的作用。由于具有周期短、成本低、不需实体模型（实车）等特点，CFD 分析必将在未来虚拟开
11、发技术中发挥重要作用。但是不可否认，数值模拟方法也存在其一定的缺点：比如，因目前无法完全搞清楚湍流的流态特性，对有些问题的求解也还没有普遍适用的数学模型，并且数值计算的精度和收敛性也有待改进。如在针对汽车外流场的模拟过程中，对于一些特定的、物理机理比较清楚的区域，我们可以用CFD 方法来得到精度较高的求解；但是对于那些流动机理仍不是很明确的地方（如车身的分离绕流部分），CFD 方法求解精度仍有待提高。另外，由于RANS 代码中本身就包含了基于经验的输入参数、截断误差、湍流模型等设置因素，这就导致数值计算结果与试验结果必然会存在着一定的差异。因此，目前CFD 方法并不能全面代替风洞试验研究。实际
12、上，现在汽车设计行业很多实际问题还是需要依靠相关试验来解决。从某种程度上来说，试验结果可以校正CFD方法和检验CFD结果是否正确。实验研究、理论分析、数值计算这三种方法各有利弊、相辅相成。实验研究是理论分析和数值计算的基础，它可以用来检验理论的正确性和可靠性；理论分析能指导实验和数值计算，并能将部分实验结果应用到一整类现象问题中去，在大量的实验基础上，通过归纳总结，得出相应规律，促进理论的发展，并反过来指导实验；数值计算则可以弥补另外两者的不足，三者相互作用，共同促进汽车空气动力学的发展。1.3 国内外研究现状1.3.1 国外汽车空气动力学发展现状国外一些汽车工业相对比较发达的国家对汽车空气动
13、力学，尤其是在传统的试验研究方面已经取得了很大的成就，各大汽车公司基本上都有自己的风洞实验室。迄今为止国际上众多名车都是基于各种严格条件下的风洞试验结果来设计和改型的，可以说都是融合了现代空气动力学的成果。自20年代国外将空气动力学应用到汽车上以来，先后已出现了很多骄人的成绩。1938 年法国人安德里奥设计了气动阻力系数仅为0.28 “雷电”赛车，同时在强侧向风条件下也拥有良好的稳定性，并以575.3km/h的高车速创造当时的世界记录。60年代初期，各大汽车公司先后投入巨额资金建造新型的整车风洞实验室。用这种风洞模拟真实汽车在不同行驶条件下的状况，除了可以研究汽车承受的气动力之外，还可更准确地
14、研究汽车外部或内部细节的空气流场，以及发动机的冷却、室内通风、灰尘积垢等等各项性能。其中较为代表的是 值达到DC0.30“Audi100C3”型轿车，采用整体最佳化方法设计开发，“Audi100C3”的推出在当时引起了整个世界汽车行业的轰动。计算流体力学(CFD)应用于汽车设计始于80年代，其研究主要以欧美为心。随着计算机技术的发展和湍流理论研究的不断深入，使得将计算流体力学的研究成果应用于汽车设计成为可能，并取得了很多重要的研究成果。当时80年代初期的研究对象还仅仅是限于车体的基本形状方面，随后才逐步发展到如今包括车后视镜、扰流板、发动机舱、复杂底板、车轮等部件的模拟，并且加入了有关车辆高速
15、行驶时的横风稳定性和横风过渡特性，甚至是两车相遇时瞬态空气动力学特性等方面的模拟。值得一提的是在精度方面，研究结果可以把 的误差降到了5%以内。同时随着xCANSYS、STAR.CD、FLUENT 以及CFX 等商业软件的广泛应用，可以说现在汽车空气动力学解析系统的研究已是初具规模。1.3.2 国内汽车空气动力学发展现状我国的汽车工业发展一直比较落后，国内自主研发水平比较低，可以说是长期处于引进国外技术的低开发水平状态，因此对汽车空气动力学方面的研究投入甚微。国内以往对空气动力学的研究主要是集中在飞机等航天方面的研究，而在汽车领域的应用研究则很少，相对来说也比较晚。1981 年中国空气动力学研
16、究与发展中心首次进行了两辆轿车和一辆面包车的实车测试风洞试验研究，随后长春汽车研究所、湖南大学、原吉林工业大学、南京航天航空大学、西安公路交通大学、同济大学通过对航天风洞、建筑风洞的改造，先后也开始了轿车、大客车和货车的汽车空气动力学的研究工作。2009 年9 月 19日,斥资4.9 亿元建造的中国国内第一个“汽车风洞”上海地面交通工具风洞中心在同济大学嘉定校区正式落成启用，填补了中国国内汽车研发设计领域多个空白。此次风洞的关键技术指标均达到世界领先水平，并拥有全部自主知识产权。除支持汽车企业外，新启用的上海地面交通工具风洞中心还将为中国高速列车的自主研发和大飞机项目，提供不可缺少的关键技术支
17、撑平台。“汽车风洞”将为中国汽车和轨道车辆工业，特别是为新能源汽车的自主研发提供重要的基础性服务，为中国汽车工业从“中国制造”迈向“中国创造”，营造了必要条件。CFD在汽车设计的应用方面国内虽然起步很晚，但是进展迅速，并且取得了较好的成绩。长春汽车研究所应用细部最佳化设计方法，通过改变曲面斜度、增加扰流板等措施对红旗CA774模型进行改型，最后使其阻力系数 降低21.1%，升力系数 降低DCLC54%。并通过进一步优化滑底板，使得汽车最后产生了负升力。吉林大学的傅立敏教授用实验和数值模拟分析流场横纵向的流动状况，研究轿车三维分离流动特性，分析了其气流分离及尾涡的形成原因与发展机理。中国气动中心
18、与汽车研究院合作研究车身各部分的速度矢量及压力分布；北京航空航天大学则在软件开发及减阻方面做出了很多成果。近10年来，汽车空气动力学研究受到极大的重视，在降低气动阻力方面取得了很大的进展，商品车的平均气动阻力系数已降至0.35以下，一些先进的气动设计的样车，气动阻力已降到0.150.20。随着降阻车的开发，车身设计趋于挺拔、大方的棱角造型，但对空气动力学有影响的关键部位，都采用圆角过渡。并且，国内目前己经出现了一些由我国自主开发的应用于汽车的三维流场计算软件。1.4 本文研究内容本设计主要是通过使用建模软件对某型汽车进行建模，并运用 CFD 软件对其流场进行数值模拟，通过分析整车表面速度和压力
19、特性，了解气流运动规律和情况，结合理论分析其各部分结构对外流场的影响及规律，为此轿车的开发提供计算机模拟数据。1） 研究应用汽车空气动力学及所用软件基础；2） 以某汽车为研究对象用 catia 软件进行三维建模，并生成有限元模型；3） 对模型外部的速度和压力场进行分析，得出相应的结论，分析该汽车的流场特性、表面压力，总结其结构对气动阻力与升力的影响。1.5 catia软件介绍1.5.1 catia软件简介CATIA 是法国 Dassault System 公司旗下的 CAD/CAE/CAM 一体化的软件，Dassault System 成立于 1981 年，CATIA 是英文 Computer
20、 Aided Tri-Dimensional Interface Application 的缩写。在 70 年代 Dassault Aviation 成为了第一个用户，Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企业，其产品以 幻影 2000 和阵风战斗机最为著名。从 1982 年到 1988 年，CATIA 相继发布了 1 版本、2 版本、3 版本，并于 1993 年发布了功能强大的 4 版本，现在的 CATIA 软件分为 V4 版本和 V5 版本两个系列。V4 版本应用于 UNIX 平台，V5 版本应用于 UNIX 和 Windows 两种平台。CATIA 如今其在 CAD/C
21、AE/CAM 以及 PDM 领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美元。雇员人数由 20 人发展到 2，000 多人。居世界 CAD/CAE/CAM 领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的 DMU 电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音 747 飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过 13
22、,000 的用户选择了 CATIA。CATIA 源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用 CATIA 完成了整个波音 777 的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了 CATIA 在 CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位。划时代产品 CATIA V5V5 版本的开发开始于 1994 年，CATIA V5 版本是 IBM 和达索系统公司长期以来在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。围绕数字化产品和电子商务集成概念
23、进行系统结构设计的 CATIA V5 版本，可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中，可以对产品开发过程的各个方面进行仿真，并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。新的 V5 版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了 CAD/CAE/CAM 软件的一种全新风格。1）产品及服务模块化的 CATIA 系列产品旨在满足客户在产品开发活动中的需要，包括风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟。CATIA产品基于开放式可扩展的 V5
24、 架构。通过使企业能够重用产品设计知识，缩短开发周期，CATIA 解决方案加快企业对市场的需求的反应。自 1999 年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。CATIA 系列产品已经在七大领域里成为首要的 3D 设计和模拟解决方案：汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计、电力与电子、消费品和通用机械制造。2）核心技术1.CATIA 先进的混合建模技术设计对象的混合建模：在 CATIA 的设计环境中，无论是实体或是曲面，做到了真正的互操作；变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA 提供了变量驱动及后参数化能力。几何和智能工程混
25、合建模：对于一个企业，可以将企业多年的经验积累到 CATIA的知识库中，用于指导本企业新手，或指导新车型的开发，加速新型号推向市场的时间。2.CATIA 具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性无论是实体建模还是曲面建模，由于 CATIA 提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于 CATIA 来说，都是非常容易的事。3.CATIA 所有模块具有全相关性CATIA 的各个模块基于统一的数据平台，因此 CATIA 的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元法分析，模具和数控加工的程序中。4.并行工程的设计环境使得设计周期大大缩短CATIA 提供的多模型链接的工作环境及混合建模方式，使得并行工程设计模式已不再是新鲜的概念，总体设计部门只要将基本的结构尺寸发放出去，各分系统的人员便可开始工作，既可协同工作，又不互相牵连；由于模型之间的互相联结性，使得上
