【正文】 第二類 :直接建立湍流應(yīng) 力和其他二階關(guān)聯(lián)量的輸運(yùn)方程，拋棄了湍流輸運(yùn)系數(shù)的概念。v 的輸運(yùn)方程為 VjbjjvV YxvCxvvxGdtvd ????????????????? ????????????? ???? ???2)(1 ???? （ ） 式中 :Gv是湍流粘性產(chǎn)生項(xiàng) 。 Standard k? 模型的湍動(dòng)能 k和耗散率 ? 方程為如下形式： MbKiktxi YGGxkdtdk ?????????? ?????????? ???? ?????? （ ） KCGGGKCxdtd bKitxi2231 )( ???????? ???? ????????? ?????????? ????? （ ） 式中 : kG 表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生， bG 表示由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生，對(duì)于不可壓縮流動(dòng)， bG =0。在 Fluent中，如果是默認(rèn)設(shè)置，用 RNG k? 模型時(shí)是針對(duì)高雷諾數(shù)流動(dòng)問(wèn)題。 5)大渦模擬 (LES) 湍流中包含了的渦旋有不同的時(shí)間和范圍相當(dāng)寬廣的長(zhǎng)度尺度。過(guò)濾的過(guò)程是去掉比過(guò)濾寬度或者給定。特別是 Realizable k? 。模型中的常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn) k? 模型不同，而且方程中也出現(xiàn)了新的函數(shù)或者項(xiàng)。該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子粘性的影響可以忽略。遵循的原則是降低計(jì)算時(shí)間，提高精度，應(yīng)用簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)。 3. 4湍流模型 3. 4. 1湍流模型的分類 湍流流動(dòng)模型很多，大致可分為以下三類 : 第一類 :湍流輸運(yùn)系數(shù)模型，即將速度脈動(dòng)的二階關(guān)聯(lián)量表示成平均速度梯度與湍流粘性系數(shù)的乘積。 2)控制方程的離散化 流體流動(dòng)問(wèn)題的控制方程，無(wú)論是連續(xù)性方程，動(dòng)量方程還是能量方程都可以寫(xiě)成如下通用形式 : Sgr addi vdi vt ????? )()()( ??? ? ?? ? ? （ ） 式中 :從左到右各項(xiàng)分別為對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)， ? 是相對(duì)應(yīng)于 ? 的廣義擴(kuò)散系數(shù)，S 是廣義源項(xiàng)。 1)計(jì)算區(qū)域的離散化 所謂區(qū)域的離散化 (domain discretization)實(shí)質(zhì)上就是原來(lái)連續(xù)的計(jì)算間用一系列離散的點(diǎn)來(lái)代替。 (2)對(duì)不規(guī)則區(qū)域很好的適應(yīng)性是有限元法的最大優(yōu)勢(shì)。有限體積法軟件在流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、燃燒和輻射等方面應(yīng)用廣泛。而離散方程是將這些離散點(diǎn)上變量值 之間關(guān)系以一定的原則建立起的代數(shù)方程，對(duì)這種建立起來(lái)的微分方程組進(jìn)行求解，最終所得到的值與求解變量近似 [24]。 能量守恒定律是包含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足的基本定律。按照這一定律，可以得出質(zhì)量守恒方程，如下： ? ? ? ? ? ? 0???????????? zwy vxut ???? （ ） 式中： ? 為密度， t為時(shí)間， u 、 v 、 w為速度矢量 u 在 x 、 y 、 z方向的分量。因此，可認(rèn)為空氣為不可壓流體，即其密度不變。發(fā)動(dòng)機(jī)由于冷卻受氣動(dòng)力的組成及對(duì)汽車性能的影響，為評(píng)價(jià) 轎跑車氣動(dòng)造型提供參考標(biāo)準(zhǔn)。 2．汽車尾流場(chǎng) 汽車的尾流場(chǎng)是指汽車尾部的氣流流動(dòng)場(chǎng)。降低內(nèi)流阻力的措施還包括合理布置散熱器、進(jìn)風(fēng)口格柵與進(jìn)氣流通道的合理匹配、設(shè)計(jì)合理的通道以及處理好駕駛室內(nèi)流問(wèn)題等。汽車的操縱穩(wěn)定性日益受到重視，成為汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力重要表現(xiàn)之一。 氣動(dòng)力對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響 1）氣動(dòng)阻力與燃油經(jīng)濟(jì)性 研究汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)，其中最簡(jiǎn)單、最基本的燃油消耗量的計(jì)算方法就是汽車等速百公里油耗。但氣動(dòng)升力是一個(gè)向上的作用力，它的提高會(huì)使得路面與輪胎之間的附著力減小，從而導(dǎo)致汽車實(shí)際牽引力減小，這會(huì)直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性及行駛安全性，因此實(shí)際中通常不采用提高氣動(dòng)升力系數(shù) LC 來(lái)提高最高車速的方法。通常汽車車身是懸掛質(zhì)量，底盤(pán)是非懸掛質(zhì)量。因?yàn)閺目諝鈩?dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，汽車的流線型都是沿汽車的縱向軸線方向，這個(gè)方向上的任何偏離都會(huì)使氣動(dòng)力的影響迅速增加。這也就是汽車產(chǎn)生氣動(dòng)升力的基本原理。但是除了對(duì)空氣動(dòng)力特性的基本要求，還需要進(jìn)行更全面地考慮包括交通法規(guī)、造型和結(jié)構(gòu)上的要求、舒適性、乘坐空間等因素，不能單純地對(duì)車進(jìn)行增加長(zhǎng)度、增加寬度、減低高度的改進(jìn)。約占汽車總氣動(dòng)阻力的 8%15%。 1）氣動(dòng)阻力 氣動(dòng)阻力對(duì)汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性有著直接的影響。在湍流附面層內(nèi)，緊靠物體表面總是存在著一層極薄的粘性底層。在處理這類問(wèn)題時(shí)，為使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化往往只考慮慣性力而忽略粘性力的作用。 雷諾通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，流體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)不僅和速度有關(guān)，而且還與流體的性質(zhì)、管徑的大小等有關(guān)。對(duì)于不可壓縮流體作定常流動(dòng)，當(dāng)忽略質(zhì)量力時(shí)，流體的流動(dòng)速度和壓強(qiáng)也存在一定的關(guān)系，用伯努利方程描述如下： P + 21 ρ 2V = 0P （ ） 式中： P — 流體靜壓力； V — 流體流速； 0P — 總壓。因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)物體還沒(méi)到達(dá)的路徑前方，空氣微團(tuán)由于受到擾動(dòng)而開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體到達(dá)時(shí)，空氣微團(tuán)就很容易地讓開(kāi)路了。對(duì)于液體來(lái)說(shuō) ,隨著溫度升高，粘性系數(shù) μ 下 降；對(duì)于氣體而言，隨著溫度升高，粘性系數(shù)隨之上升。空氣的黏性比水的要小。 空氣動(dòng)力學(xué)基本理論 空氣的基本物理屬性 1）空氣的連續(xù)介質(zhì)模型 通常我們用自由行程平均值 (氣體中所有分子 ) l 來(lái)表示氣體分子的間隙大小。當(dāng)其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的卡車零部件還在 25， 000個(gè)左右時(shí)， Scania公司借助于 CATIA系統(tǒng)，已經(jīng)將卡車零部件減少了一半。 CATIA 在造型風(fēng)格、車身及引擎設(shè)計(jì)等方面具有獨(dú)特的長(zhǎng)處，為各種車輛的設(shè)計(jì)和制造提供了端對(duì)端（ end to end）的解決方案。 2）核心技術(shù) 先進(jìn)的混合建模技術(shù) 設(shè)計(jì)對(duì)象的混合建模：在 CATIA 的設(shè)計(jì)環(huán)境中，無(wú)論是實(shí)體 或是曲面 ，做到了真正的互操作；變量和參數(shù)化混合建模：在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者不必考慮如何參數(shù)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，CATIA 提供了變量驅(qū)動(dòng)及后參數(shù)化能力。在這個(gè)環(huán)境中，可以對(duì) 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程 的各個(gè)方面進(jìn)行仿真，并能夠?qū)崿F(xiàn)工程人員和非工程人員之間的電子 通信。包括 :從大型的波音 747飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)到化妝品的包裝盒，幾乎涵蓋了所有的制造業(yè)產(chǎn)品。 在 70 年代 Dassault Aviation 成為了第一個(gè)用戶， Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企業(yè)，其產(chǎn)品以 幻影 2021 和陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)最為著名。吉林大學(xué)的傅立敏教授用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析 流場(chǎng)橫縱向的流動(dòng)狀況，研究轎車三維分離流動(dòng)特性，分析了其氣流分離及尾渦的形成原因與發(fā)展機(jī)理。 1981 年中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)研究與發(fā)展中心首次進(jìn)行了兩輛轎車和一輛面包車的實(shí)車測(cè)試風(fēng)洞試驗(yàn)研究，隨后長(zhǎng)春汽車研究所、湖南大學(xué)、原吉林工業(yè)大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、西安公路交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)通過(guò)對(duì)航天風(fēng)洞、建筑風(fēng)洞的改造，先后也開(kāi)始了轎車、大客 車和貨車的汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究工作。其中較為代表的是 DC 值達(dá)到 “ Audi100C3”型轎車，采用整體最佳化方法設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，“ Audi100C3”的推出在當(dāng)時(shí)引起了整個(gè)世界汽車行業(yè)的轟動(dòng)。 實(shí)驗(yàn)研究、理論分析、數(shù)值計(jì)算這三種方法各有利弊、相輔相成。 應(yīng)用 CFD分析指導(dǎo)設(shè)計(jì) ，為設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)，無(wú)論在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)還是在 現(xiàn)有產(chǎn)品改進(jìn)方面，都具有提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)自主開(kāi)發(fā)能力的作用。 但是理論分析往往容易受到數(shù)學(xué)工具及求解方 法的限制，只能建立相對(duì)簡(jiǎn)單的近似模型和經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于研究更復(fù)雜的、更符合實(shí)際的氣流存在很大的局限性。實(shí)驗(yàn)研究在空氣動(dòng)力學(xué)研究中占有十分重要的地位，它可以更真實(shí)地模擬汽車實(shí)際行駛狀況，并可以提供建立理論模型的依據(jù)、檢驗(yàn)理論及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。 國(guó)外一些汽車工業(yè)相對(duì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家對(duì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)，尤其是在傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究方面已經(jīng)取得的很大的成就。 空氣阻力是汽車行駛時(shí)所遇到最大的也是最重要的外力。因此，改 善和提高汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性是具有極其重 要的現(xiàn)實(shí)意義的。數(shù)值計(jì)算的目的是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)求解流動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程，從而研究分析汽車流場(chǎng)各主要特性以及汽車氣動(dòng)性能。 實(shí)驗(yàn)研究 汽車空氣 動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)主要包括模型風(fēng)洞試驗(yàn)法、實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)法和實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)法。研究人員通過(guò)對(duì)這個(gè)得出的解加以分析，就可以揭示出其所表示各種待觀測(cè)物理量的變化規(guī)律。但是它要求事前必須充分了解問(wèn)題的物理特性，才能提煉出比較精確的數(shù)學(xué)方程及相應(yīng)的初始、邊界條件等，而這些又必須依靠實(shí)驗(yàn)和理論方法的支撐。從某種程度上來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)結(jié)果可以校正 CFD方法和檢驗(yàn) CFD結(jié)果是否正確。用這種風(fēng)洞模擬真實(shí)汽車在不同行駛條件下的狀況，除了可以研究汽車承受的氣動(dòng)力之外，還可更準(zhǔn)確地研究汽車外部或內(nèi)部 細(xì)節(jié)的空氣流場(chǎng)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、室內(nèi)通風(fēng)、灰塵積垢等等各項(xiàng)性能。國(guó)內(nèi)以往對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的研究主要是集中在飛機(jī)等航天方面的研究，而在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究則很少，相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較晚。并通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化滑底板，使得汽車最后產(chǎn)生了負(fù)升力。 catia 軟件介紹 catia 軟件簡(jiǎn)介 CATIA 是法國(guó) Dassault System 公司旗下的 CAD/CAE/CAM 一體化的軟件 ， Dassault System 成立于 1981 年， CATIA 是英文 Computer Aided TriDimensional Interface Application 的縮寫(xiě)。 CATIA 提供方便的解決方案，迎合所有工業(yè)領(lǐng)域的大、中、小型企業(yè)需要。圍繞數(shù)字化產(chǎn)品和電子商務(wù)集成概念進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的 CATIA V5 版本，可為數(shù)字化企業(yè)建立一個(gè)針對(duì)產(chǎn)品整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的工作環(huán)境。 CATIA 系列產(chǎn)品已經(jīng)在七大領(lǐng)域里成為首要的 3D 設(shè)計(jì)和模擬解決方案：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設(shè)計(jì)、電力與電子、消費(fèi)品和通用機(jī)械制造。 catia軟件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用 CATIA 是汽車工業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，是歐洲、 北美 和亞洲頂尖汽車制造商所用的核心系統(tǒng)。其卡車年產(chǎn)量超過(guò) 50， 000輛。因此，本章主要探討了空氣動(dòng)力學(xué)的基本理論，為數(shù)值計(jì)算提供理論基礎(chǔ)。 2）空氣的粘性和流動(dòng)性 （ 1）粘性 把手浸入水中，抽出時(shí)就會(huì)有水珠黏附在手上，這表明水有黏性 ， 把手浸入甘油或蜂蜜中間，附著的就 更多，這表明它們的黏性比水大得多。 粘性系數(shù) μ 顯著地依賴于溫度，但很少隨壓力發(fā)生變化，它與溫度的關(guān)系對(duì)于液體和氣體來(lái)說(shuō)是截然不同的。當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體的速度遠(yuǎn)小于音速時(shí)，這時(shí)空氣的流動(dòng)性很好。 圖 流體在變截面管中的流動(dòng) 2）伯努利方程 與流體的質(zhì)量成正比的力被稱為質(zhì)量力。 介于層流與湍流間的流動(dòng)狀態(tài)很不穩(wěn)定 ,稱為過(guò)渡流動(dòng)。當(dāng)雷諾數(shù)很大時(shí)說(shuō)明慣性力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘性力，此時(shí)流體粘性很小，流速很大。在相同雷諾數(shù)下，湍流附面層厚度比層流的大，湍流附面層的厚度沿流動(dòng)方向比層流附面層增加得快。 表 氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩及系數(shù) 氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩 系數(shù) 氣動(dòng)阻力 xF 氣動(dòng)阻力系數(shù)SvFC XD 221?? ? 氣動(dòng)升力 yF 氣動(dòng)升力系數(shù)SvFC YL 221?? ? 氣動(dòng)側(cè)力 zF 氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)SvFC ZZ 221?? ? 氣動(dòng)側(cè)傾力矩 xM 氣動(dòng)側(cè)傾力矩系數(shù)SlvMC Xq 221?? ? 氣動(dòng)側(cè)傾力矩 YM 氣動(dòng)側(cè)傾力矩系數(shù)SlvMC YN 221?? ? 氣動(dòng)側(cè)傾力矩 ZM 氣動(dòng)側(cè)傾力矩系數(shù)SlvMC ZM 221?? ? 表中，ρ — 空氣密度； ?v — 汽車與空氣的相對(duì)速度，即來(lái)流速度； S— 汽車的迎風(fēng)投影面積，也稱正面面積； l — 汽車的特征長(zhǎng)度，如軸距。 誘導(dǎo)阻力 誘導(dǎo)阻力是由車身附著渦誘導(dǎo)而成的。實(shí)踐證明，車身越長(zhǎng)，越寬，越低，空氣阻力越小。根據(jù)伯努利定理可知，汽車車身上部會(huì)形成低壓區(qū)，而汽車車身 下部會(huì)形成高壓區(qū)，導(dǎo)致汽車上下部產(chǎn)生壓差。 4）橫擺氣動(dòng)力矩 汽車橫擺氣動(dòng)力矩與橫擺角是成正比關(guān)系，且流線型越好的車型其橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù) CN 隨橫擺角 β 變化越大。懸掛質(zhì)量是通過(guò)懸架與非懸掛質(zhì)量連接的，并且可以與非懸掛質(zhì)量產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在 MAXF和 G數(shù)值不變的情況下，最高車速隨著氣動(dòng)阻力系數(shù) DC 的減小而升高，同樣最高車速隨著氣動(dòng)升力系數(shù) LC 的提高而升高。 3) 氣 動(dòng)力對(duì)最大爬坡度的影響 當(dāng)達(dá)到最大爬坡度時(shí)，汽車的加速度 dv/dt=0，則汽車牽引力只需克服滾動(dòng)阻力、氣動(dòng)阻力和爬坡阻力，即： ??? s i n21)c os( 2 GSvCfFGF DY ???? ? （ ） 式中： θ 為坡