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基于AcuSolve平台的外流场仿真
作者:同济大学地面交通工具风洞中心 朱晖
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CAE/模拟仿真展厅
通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ...
摘要:该文基于S-A湍流模型,在通用CFD求解器AcuSolve平台上对全尺寸简化轿车模型外流 场进行建模与仿真。在30m/s风速下,对全尺寸简化轿车模型进行了三维稳态数值模拟,重点阐述 在网格畸变的条件下,该仿真平台得计算收敛性及与实验结果的对比。通过收敛性及计算结果的比 较,表明在AcuSolve平台生成的网格基础上,其网格适应性好、收敛性强、速度快、且与实验结 果符合较好。
关键词:AcuSolve 计算流体力学 畸变网格

1 引言

空气动力学指标是车辆最重要的参数之一[1]。汽车空气动力学仿真借助CFD方法研究车辆空 气动力学的特性(如“六分力”等)[2]。目前存在多款流体仿真平台, AcuSolve流体仿真平台作为Altair 公司工程仿真平台的子系统,目前在一些工程应用领域有了广泛的应用。

本文采用AcuSolve中S-A湍流模型,在畸变网格上,对全尺寸简化轿车模型的外流场进行仿 真分析,通过实际计算验证AcuSolve的外部绕流计算能力。

2 几何模型、畸变网格及边界条件

为使计算结果具有普遍性(不局限于具体产品),采用如图1所示的Sedan车1:1简化模型(忽 略了车窗、后视镜、车门把手等表面附件)。其长、宽、高分别约为4.6m、1.7m、1.6m。

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网格是数值计算的基础,是计算力学研究的一大分支。计算流体力学平台通常支持各种网格结 构,如图2所示。本次研究采用四面体结合棱柱体的网格结构,体网格。剖面结构如图3所示。

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网格由AcuSolve平台生成,对体网格不做映射处理,并进行局部加密,数量1166万单元,人为拉伸 体网格节点,使网格的最大扭曲度为0.9996。需要说明的是:车体面网格也进行了恶化处理,如凸 台处理、尺寸激变、凹坑处理等,具体见图4所示。

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入口处采用速度入口边界条件,认为速度为均匀分布,U=30m/s,V=W=0m/s,粘性比为10;出口采用压力出口边界条件,表压取0Pa。地面和车身皆采用无滑移边界条件,计算域回型面 亦采用对称边界,模拟半自由空间运行状态。

3 收敛性判据和对比验证

计算,AcuSolve平台默认为二阶精度格式,因此无一阶和二阶格式的切换,其松弛因子调整为 默认值的一半。收敛准则设为默认值。

图5为计算全程的残差收敛曲线,在114步时AcuSolve平台达到数值收敛标准(10-4)AcuSolve 平台具备两种数值收敛评判标准:1、残差率(ResidualRatio);2、求解率(Solution Ratio),本 次数值吹风实验达到了残差率和求解率的默认收敛标准。如果以残差率收敛作为计算过程的收敛指 标的话,在80步左右即完成了计算过程。

从残差收敛曲线的形态可知:收敛曲线平滑,未出现数值震荡现象;如果继续计算,曲线仍有 继续下探的趋势。

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4气动力比较

图6给出了阻力及升力值随计算步数的演进过程,由图可知:至80步时数值趋于平稳,与残差 率收敛一致,80步以后数据仅小幅波动,与求解率收敛一致。由此证明了残差率和求解率收敛的差 别及二者共同收敛的重要性。

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表1给出了相关的气动力统计数据,总体气动阻力与实验结果符合较好,阻力偏差在1.1%左右, 升力偏差在3%左右,如果改善局部面网格及体网格的质量计算结果可能更优。

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5计算结果

由于气流在绕行车体的过程中发生多次转折弯曲,从而使正负压交替变化,AcuSolve计算的压 力系数范围为[-1.37,1.01],如图7~图8所示。

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图9为中截面速度矢量图,图10为车体外部绕流部分流线图,图中清晰的显示了尾部及后窗处 的涡流运动。

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图11为底部截面速度云图,可清晰的辨析尾迹区的扩展范围及远场的速度分布规律。

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6结论

从本次数值吹风的结果可得出以下结论:

1、AcuSolve流体仿真平台对四面体网格的适应性好、计算速度快;
2、Acusolve平台的仿真过程以残差率和求解率共同满足为完成标准为好;

由于网格结构、软件设置、硬件平台、软件版本等诸多因素,本次吹风的数值结果可能与他人的结果有差异,特此说明。

参考文献
[1]姜乐华,符正气.CFD在汽车空气动力学研究中的应用[J].湖南大学学报,1997,(4):52~56.
[2]张扬军,吕振华.汽车空气动力学数值仿真研究进展[J].汽车工程,2001,(2):82~89.(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2/26/2016)
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