汽车空气动力学教程

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1、CDAJ-China 技术部l车辆空气动力学计算概论车辆空气动力学计算概论l基于基于STAR-CCM+的车辆空气动力学解析过程的车辆空气动力学解析过程解析用数据准备解析用数据准备l几何几何数据数据准备与导入准备与导入lMesh生成生成l物理模型与边界物理模型与边界条件设定条件设定l输出设定（输出设定（Cd,Cl等等）l解析执行与结果评价方法解析执行与结果评价方法l车辆空气动力学计算车辆空气动力学计算中具有代表性的评价指标是：中具有代表性的评价指标是：Cd值值，Cl值及值及Cp值值。Cd值，值，风阻系数风阻系数Cl值，值，升力系数升力系数Cp值，值，压力系数压力系数l车辆周边流场，车辆车辆周边流

2、场，车辆底部空间底部空间（underbody）与与车辆车辆尾尾部的部的流场流场具有强非定常特性（图示中绿色区域）具有强非定常特性（图示中绿色区域）RANS模型对漩涡运动的细节不能很好的捕捉模型对漩涡运动的细节不能很好的捕捉所以在对求解所以在对求解精度精度有有高要求的时候高要求的时候，使用使用DES模型进行模型进行非定常计算非定常计算是是必要必要的的l车身阻力系数含义说明：车身阻力系数含义说明：l压力系数含义说明：压力系数含义说明：lCd值，定常计算值，定常计算也可以获得较好的精度也可以获得较好的精度虽然虽然车辆尾部的流场车辆尾部的流场是是非定常非定常的的，但使用但使用定常计算定常计算也可获得也

3、可获得5%的精度的精度一般，一般，在调整在调整解析解析参数参数前，前，结果可能偏高结果可能偏高影响影响Cd值的因素值的因素u车辆前方车辆前方的压力的压力分布分布v车辆的车辆的来流来流速度分布（速度分布（profile）u车辆车辆后后方方的压力的压力分布分布v车辆上方产生的流动分离，对尾部流场的影响车辆上方产生的流动分离，对尾部流场的影响v汽车底部的流体产生的分离，对尾部流场的影响汽车底部的流体产生的分离，对尾部流场的影响v流经两侧的流场情况，对尾部流场的影响流经两侧的流场情况，对尾部流场的影响v后视镜与车轮等引起的扰动，对尾部流场的影响后视镜与车轮等引起的扰动，对尾部流场的影响u风洞数据存在的

4、误差风洞数据存在的误差相关的讨论相关的讨论车辆尾部的流场是变化的车辆尾部的流场是变化的，车辆，车辆前后的压差也是变化的前后的压差也是变化的，通过通过underbody的风量是变化的，需要关注的是的风量是变化的，需要关注的是，车辆上方的流场，车辆上方的流场，车辆侧方车辆侧方及后视镜与车轮附近及后视镜与车轮附近的流场，的流场，underbody附近附近的流场的流场。lCl值，值，适于用适于用非定常计算非定常计算来评价来评价影响影响Cl的因素：的因素：u车辆上方的车辆上方的压力压力分布分布v车辆上方车辆上方的流场的流场分布分布u车辆下方车辆下方的压力的压力分布分布vunderbody附近的流场分布附

5、近的流场分布vunderbody的形状的形状一般比较复杂，流动较乱，漩涡比较多一般比较复杂，流动较乱，漩涡比较多v通过通过underbody的风量的风量，对尾部流场影响很大对尾部流场影响很大l影响影响车辆空气动力学计算车辆空气动力学计算的其他因素的其他因素解析的边界条件与试验条件一致性解析的边界条件与试验条件一致性风洞风洞条件条件uOpen cross sectionuBlockage correction factor（=车辆投影车辆投影面积面积/风洞风洞入口入口面积面积）如果该比值小于如果该比值小于3%，这样可以不考虑风洞的影响。但通常真实试验情况下，这样可以不考虑风洞的影响。但通常真实试

6、验情况下，该值达到，该值达到10%的的程度程度。若在解析中不考虑风洞的影响，则需要注意解析。若在解析中不考虑风洞的影响，则需要注意解析与试验结果的差异与试验结果的差异地面条件地面条件u地面是否移动地面是否移动车辆形状车辆形状u门把手门把手，侧窗上面的细节可能产生流动分离。侧窗上面的细节可能产生流动分离。所以必须考虑试验模型与所以必须考虑试验模型与CFD模型在几何上的差别有多大。模型在几何上的差别有多大。l计算需要获得的典型结果及评价办法计算需要获得的典型结果及评价办法Cd值，值，Cl值，值，Cp值值Wake(Total Pressure Coef.=0的等值面）的等值面）分离位置的显示分离位置

7、的显示流速分布流速分布压力压力分布分布Transient VmagTransient VmagAveraged VmagAveraged VmagAverage CpAverage CpTransient Multi Transient Multi SectionSectionl车辆空气动力学计算概论车辆空气动力学计算概论l基于基于STAR-CCM+的车辆空气动力学解析过程的车辆空气动力学解析过程0.几何数据准备几何数据准备1.读入几何数据读入几何数据2.几何模型准备几何模型准备3.面网格生成（面网格生成（Surface Wrapper）4.面网格生成（面网格生成（Surface Remesh

8、er）5.体网格生成体网格生成6.解析解析设定设定7.求解求解8.后处理后处理风洞条件风洞条件u风洞形状风洞形状u边界边界条件（流速，压力，地面）条件（流速，压力，地面）车辆形状数据车辆形状数据u风洞试验风洞试验时是否使用全尺寸，全细节模型时是否使用全尺寸，全细节模型v是否有对是否有对CAD数据的数据的简化简化v试验试验模型模型的的情况情况（对车门等处间隙的处理有无对车门等处间隙的处理有无）风洞试验风洞试验结果结果uCd值值uCl值值uCp值值u是否有油流或是否有油流或PIV试验的可视化数据等试验的可视化数据等从从CAD部件部件输出输出面网格，如面网格，如STL。部分几何需要简化。部分几何需要

9、简化。数据分类数据分类u将将CAD数据大致分为以下几类：数据大致分为以下几类：v车身上表面车身上表面v格栅格栅v车轮车轮v车身下表面车身下表面v影响气流分离的一些其它几何部件影响气流分离的一些其它几何部件（如如支柱、扰流板、后视镜支柱、扰流板、后视镜等）等）u在在CAD里完成分类后，在里完成分类后，在STAR-CCM+里处理起来会省下不少工作量。里处理起来会省下不少工作量。使用使用STAR-CCM+读入读入各各STL数据数据。单击File New Simulation。Create a New Simulation 对话框出现。选择单线程Serial。单击OK。1Tips!需要并行处理时，选择

10、Parallel。234-单击File Import Surface。出现打开对话框。-选择文件star.dbs，点击 打开。出现Create New Region对话框。点击OK。2134567几何视图显示透明几何视图显示l重命名读入的几何数据重命名读入的几何数据读入的读入的CAD几何数据（以几何数据（以STL格式为例），文件会自动命名格式为例），文件会自动命名为类似为类似“pro2stl”的的Boundaries，将它们分别进行重命名。，将它们分别进行重命名。将每个将每个Boundary重命名为便于识别的名称。重命名为便于识别的名称。l边界分割边界分割将读入的几何数据进行更详细的边界分割，

11、分割的目的在将读入的几何数据进行更详细的边界分割，分割的目的在于方便将来为不同的边界定义不同的网格尺寸、边界层参于方便将来为不同的边界定义不同的网格尺寸、边界层参数、防接触设定、边界条件等。数、防接触设定、边界条件等。l利用利用patch分割边界分割边界读入数据时，每个文件都有不同的读入数据时，每个文件都有不同的patch编号。编号。l手动分割手动分割选择单元（按住Ctrl复选其它单元）1选择面拓展方式选择面拓展方式45Sharp Angles 指定面拓展的指定面拓展的打断方式打断方式23l手动分割手动分割l肉眼观察肉眼观察通过肉眼观察读入的几何表面，找到诸如格栅部件、雨刷安装通过肉眼观察读入

12、的几何表面，找到诸如格栅部件、雨刷安装孔、管路开口等一些比较明显的未封闭计算域边界，准备进行孔、管路开口等一些比较明显的未封闭计算域边界，准备进行修补工作。修补工作。l使用间隔在使用间隔在2550mm间的截面来检查间的截面来检查创建创建2维截面维截面大孔，有间隙的地方大孔，有间隙的地方u格栅部件格栅部件u发动机底部发动机底部u车门等部件间较大的间隙车门等部件间较大的间隙l截面生成截面生成l截面显示截面显示l改变截面位置改变截面位置值在之间变化l封闭较大的洞和间隙封闭较大的洞和间隙由于采用包面（由于采用包面（Surface Wrapper）技术，较小的洞并不需要）技术，较小的洞并不需要都封闭。都

13、封闭。l注意：下面以缝补轮毂上的洞为例来讲解补洞操作，实际模型中注意：下面以缝补轮毂上的洞为例来讲解补洞操作，实际模型中轮毂上的洞可能并不需要封闭。轮毂上的洞可能并不需要封闭。l使用特征线来封闭洞的方法使用特征线来封闭洞的方法生成特征线生成特征线l使用特征线来封闭洞的方法使用特征线来封闭洞的方法删除多余的特征线删除多余的特征线2删除多余的特征线l使用特征线来封闭洞的方法使用特征线来封闭洞的方法封闭洞封闭洞l使用特征线来封闭洞的方法使用特征线来封闭洞的方法合并边界合并边界删除特征线删除特征线NoImageNoImageNoImagel使用修补工具修补洞使用修补工具修补洞诊断诊断NoImageNo

14、ImageNoImageNoImageNoImageNoImageNoImagel使用修补工具使用修补工具自由边自由边修补洞修补洞选择含有洞的边界选择含有洞的边界1关闭显示2选择边界34NoImagel使用修补工具自由边修补洞使用修补工具自由边修补洞选择自由边选择自由边3NoImageNoImage用鼠标选择4NoImageNoImage选择自由边单击右键l使用修补工具自由边修补洞使用修补工具自由边修补洞封闭洞封闭洞NoImageNoImageNoImagel使用修补工具采用鼠标填补方法使用修补工具采用鼠标填补方法NoImageNoImage用鼠标选择NoImagel此例中，采用鼠标填补方法的

15、修补工具，封闭格此例中，采用鼠标填补方法的修补工具，封闭格栅部件、发动机底部及车头底部的漏洞和缝隙。栅部件、发动机底部及车头底部的漏洞和缝隙。NoImage封闭格栅漏洞封闭发动机底部漏洞l使用使用star-ccm+的包面（的包面（Surface Wrapper）功）功能，可以快速地修复几何数据的表面干涉、重叠能，可以快速地修复几何数据的表面干涉、重叠、搭接、错配、漏洞、缝隙等错误，得到一套封、搭接、错配、漏洞、缝隙等错误，得到一套封闭的汽车外形表面，用于外流模拟。闭的汽车外形表面，用于外流模拟。l网格模型的设网格模型的设定定选择选择Surface Wrapper网格模型。网格模型。NoImag

16、el网格模型的设网格模型的设定定将将Region 1的包面方式选为最大外表面。的包面方式选为最大外表面。l网格尺寸的设网格尺寸的设定定设定设定Mesh:Region 1的网格尺寸。的网格尺寸。NoImagel漏洞检测工具的使用漏洞检测工具的使用在包面操作开始前，虽然几何表面经过了检查和修补，可在包面操作开始前，虽然几何表面经过了检查和修补，可能还存在一些比较大的洞和缝隙，用之前的方法没有发现能还存在一些比较大的洞和缝隙，用之前的方法没有发现，还可以使用漏洞检测工具进行更加详细地检测。，还可以使用漏洞检测工具进行更加详细地检测。NoImagel漏洞检测工具的使用漏洞检测工具的使用这里通过检测乘员

17、舱内外的连通性来演示漏洞检测工具的这里通过检测乘员舱内外的连通性来演示漏洞检测工具的用法。用法。首先，将首先，将Source Point的位置拖动到乘员舱内部；然后，的位置拖动到乘员舱内部；然后，将将Target Point 1的位置拖动到车体外部。的位置拖动到车体外部。NoImageNoImagel漏洞检测工具的使用漏洞检测工具的使用定义完定义完Source Point和和Target Point 1的位置后，的位置后，点击点击Recompute Template+Paths，可以在输出，可以在输出窗口看到显示信息。检测进程完成后，在输出窗窗口看到显示信息。检测进程完成后，在输出窗口中显示如

18、下内容，说明在乘员舱内外部之间存口中显示如下内容，说明在乘员舱内外部之间存在一条连接通路，也就说明了汽车外形内外两侧在一条连接通路，也就说明了汽车外形内外两侧之间有漏洞。之间有漏洞。NoImageNoImageNoImage黄色线表示漏洞通过的路径NoImageNoImagel漏洞检测工具的使用漏洞检测工具的使用将工具栏切换到将工具栏切换到Repair Surface，采用鼠标，采用鼠标填补方法，修补黄线通过的这个缝隙。填补方法，修补黄线通过的这个缝隙。修补完成后，点击修补完成后，点击Recompute Paths，重新，重新计算，知道输出窗口显示如下内容，说明无计算，知道输出窗口显示如下内容

19、，说明无法在汽车内外部之间找到一条连接通路，也法在汽车内外部之间找到一条连接通路，也就说明了汽车外形是个封闭的空间。就说明了汽车外形是个封闭的空间。NoImageNoImagelContact Prevention（防防接触）设定接触）设定包面操作时，可能会将原本互相分离的部件部分粘贴在一包面操作时，可能会将原本互相分离的部件部分粘贴在一起，为了防止这种现象发生，需要设定各个部件之间的防起，为了防止这种现象发生，需要设定各个部件之间的防接触。接触。NoImage无防接触，车身部件和排气管粘贴在一起有防接触车身部件排气管NoImagelContact Prevention（防防接触）设定接触）设

20、定设定各部件之间为设定各部件之间为8mm的防接触。意味着当两个部件的间的防接触。意味着当两个部件的间距大于距大于8mm时，包面时会将两个部件严格区分开来不会粘时，包面时会将两个部件严格区分开来不会粘贴在一起。贴在一起。NoImageNoImagel执行包面执行包面点击点击Generate Surface Mesh按钮，对按钮，对Region 1进行包面。进行包面。l检查结果检查结果包面完成后，通过透明显示、截面等方式检查结果，确保得包面完成后，通过透明显示、截面等方式检查结果，确保得到的结果是一个封闭的汽车外形表面。到的结果是一个封闭的汽车外形表面。NoImageNoImageNoImageN

21、oImageNoImagel检查结果检查结果检查检查Representations节点下新生成的节点下新生成的Wrapped Surface表面，确表面，确保除了保除了“Poor Quality Faces”和和“Close Proximity Faces”两项两项外别的都为外别的都为0。NoImagel删除删除Import的几何数据的几何数据将将Representations节点下的节点下的Import表面删除掉，以完成了对表面删除掉，以完成了对Region 1区域包面的结果作为下面操作的开始。区域包面的结果作为下面操作的开始。NoImagel生成计算域外部空间生成计算域外部空间NoImag

22、eNoImageSlip WallNo-Slip WallNoImageNoImage略高于轮略高于轮胎底面胎底面l生成计算域外部空间生成计算域外部空间分类、合并新生成的面分类、合并新生成的面删除不需要的面删除不需要的面Boundary重命名重命名NoImage0-Inlet0-Slip Ground0-NoSlip Ground0-Pressure0-WallNoImageNoImage删除中间删除中间2个不需要的面个不需要的面把中间的把中间的Free Edge缝合上缝合上l处理地面和轮胎的相交处理地面和轮胎的相交做出地面和轮胎的交线做出地面和轮胎的交线删除不需要的面删除不需要的面NoIma

23、geNoImageNoImage做出交线做出交线删除不需删除不需要的面要的面NoImage轮胎与地轮胎与地面交接处面交接处l网格模型的设定网格模型的设定修改网格模型，反选修改网格模型，反选Surface Wrapper模型，选中模型，选中Surface Remesher模型模型l网格尺寸的设定网格尺寸的设定主流体区域因为包含大小相差很悬殊的面，所以需要重新设定主流体区域因为包含大小相差很悬殊的面，所以需要重新设定网格尺寸网格尺寸u将主流体区域网格模型里的将主流体区域网格模型里的Base Size改为改为0.1 ml网格尺寸的设定网格尺寸的设定对每个对每个Boundary设定合适的网格尺寸设定合

24、适的网格尺寸u打开打开Custom Surface Size，设定合适的，设定合适的Relative Minimum Size和和Relative Target SizeBoundariesRelative Minimum SizeRelative Target Size1-Exterior_Surface25%60%1-Tires15%30%1-Grill5%10%2-Interior_Surface25%60%2-wheels15%30%2-New_Patches25%60%2-Underpanels125%60%3-Powertrain25%60%3-Exhaust25%60%计算域外部

25、空间面计算域外部空间面25%1000%NoImagel面网格修复面网格修复删除掉删除掉Representations节点下的节点下的Wrapped Surface子节点，子节点，只保留只保留Remeshed Surface。l面网格修复面网格修复检查面网格错误检查面网格错误NoImageNoImageNoImageNoImagel面网格修复面网格修复手工修复这手工修复这18个错个错误表面，或者直接误表面，或者直接点击下面的点击下面的Auto Repair自动修复。自动修复。l网格模型的设定网格模型的设定修改网格模型，反选修改网格模型，反选Surface Remesher模型，选中模型，选中Tr

26、immer模型和模型和Prism Layer Mesher模型模型NoImageNoImagel网格模型的设定网格模型的设定调整边界层的设定方式调整边界层的设定方式NoImagel网格尺寸的设定网格尺寸的设定网格尺寸网格尺寸NoImagel网格尺寸的设定网格尺寸的设定关闭关闭0-inlet、0-outlet、0-top和和0-side四个面上的边界层网格四个面上的边界层网格生成。生成。NoImageNoImagel体积网格密度的生成体积网格密度的生成NoImageNoImageNoImageNoImageNoImagel体积网格密度的生成体积网格密度的生成实际计算时，还应该在汽车尾迹区以及流动

27、分离的区域如实际计算时，还应该在汽车尾迹区以及流动分离的区域如后视镜后侧等设置体积网格密度，分别加密这些区域。后视镜后侧等设置体积网格密度，分别加密这些区域。此例鉴于方法讲解，就不加密生成过多数目的网格了。此例鉴于方法讲解，就不加密生成过多数目的网格了。NoImagel体积网格密度的设定体积网格密度的设定设定体积网格密度的加密尺寸。设定体积网格密度的加密尺寸。NoImageNoImageNoImageNoImagel体网格生成体网格生成NoImageNoImageNoImageNoImagel物理模型的设定物理模型的设定Space3维维Motion 静止静止Time 定常定常Material气

28、气体体Flow分离解算器分离解算器Equation of State 定常密度定常密度Viscous Regime湍流湍流Reynolds-Averaged Turbulencek-Omega湍流模型湍流模型（推（推荐荐）其它选项其它选项网格质量网格质量改善改善NoImageNoImageNoImagel物性参数和初始值的设定物性参数和初始值的设定初始速度设定物性参数设定NoImagel速度入口速度入口设设定定l圧力出口圧力出口设设定定NoImageNoImageNoImagel滑移壁面设滑移壁面设定定相同设定NoImagel投影面积投影面积NoImageNoImagel投影面积投影面积NoI

29、mageNoImagelCdNoImagelClNoImageNoImageNoImagel设定设定Cd、Cl的的Monitor和和PlotNoImageNoImageNoImagelField Function设定设定Cpl设定最大计算步数或其它设定最大计算步数或其它计算终止判据计算终止判据NoImageNoImagel为了计算的稳定性，删除部分质量比较为了计算的稳定性，删除部分质量比较差差的单元。的单元。NoImageNoImageNoImagel创建显示结果的创建显示结果的Scene压力云图压力云图Cp云图云图速度云图速度云图速度矢量图速度矢量图流线流线l解析执行解析执行l解析解析执行执

30、行l后处理结果的后处理结果的Scene压力云图压力云图Cp云图云图速度云图速度云图速度矢量图速度矢量图流线流线NoImagel计算遇到发散问题时的处理办法计算遇到发散问题时的处理办法删除速度大于删除速度大于100m/s 的单元的单元u删除除删除除Volume Mesh之外的之外的Surface MeshNoImagel计算遇到发散问题时的处理办法计算遇到发散问题时的处理办法删除速度大于删除速度大于100m/s 的单元的单元u创建创建Field Function（名称任意取）（名称任意取）l计算遇到发散问题时的处理办法计算遇到发散问题时的处理办法删除速度大于删除速度大于100m/s 的单元的单元

31、uField Function的的Region处理处理l计算遇到发散问题时的处理办法计算遇到发散问题时的处理办法删除速度大于删除速度大于100m/s 的单元的单元u将分割出来的将分割出来的Region（例如名为（例如名为Region 1 2）物理模型设置）物理模型设置为为Null。l计算遇到发散问题时的处理办法计算遇到发散问题时的处理办法删除速度大于删除速度大于100m/s 的单元的单元u重新定义重新定义Derived Parts与与Reports的的Partl结果后处理结果后处理Cd，Cl：直接从监控的输出窗口或者直接从监控的输出窗口或者Plot曲线中获得。曲线中获得。l若要获得准确的若要获得准确的Cl，需要进行瞬态计算，可参考如下思路：，需要进行瞬态计算，可参考如下思路：l1.网格方面网格方面进一步加密网格尺寸，尤其是流动分离的区域。进一步加密网格尺寸，尤其是流动分离的区域。减小近壁面边界层的尺寸，尤其是第一层边界层的厚度。减小近壁面边界层的尺寸，尤其是第一层边界层的厚度。l2.湍流模型方面湍流模型方面使用使用LES进行非稳态模拟进行非稳态模拟