基于FLUENT分析车厢顶部阻力系数

　　摘要：在实际产品研发及整车研发过程中，都需要对产品进行多种设计，最后对比后确定最优结构模型。在对货车设计时，尤其对货车车厢外形设计特别重要，在车厢设计时候需要考虑车厢顶部不同形状产生的阻力系数，阻力系数大小会影响到汽车整体运行性能;本文主要通过CFD模拟方法来研究形状与阻力系数之间的关系。

　　Abstract： In the process of actual product R & D and Vehicle R & D， many kinds of product design are needed. Finally， the optimal structure model is determined by comparison. In the design of freight car， especially in the shape design of freight car， the

　　關键词：FLUENT;阻力系数;货车车厢

　　0 引言

　　在对货车车厢进行研发设计时，研发工程师往往会考虑到很多因素，其中车厢的阻力系数也是设计过程中必须考虑到的问题，因为车厢阻力系数大小会和燃油性能以及汽车的动力性相关[1]。本文主要研究不同车厢顶部形状，是否会影响到其阻力系数大小进行探究，从而对货车车厢顶部设计，基于FLUENT对其外形与阻力系数之间的关系来进行模拟分析;通过比较两种不同形状货车车厢顶部，在同一车速下行驶得到的车厢顶部阻力系数数据，来比较哪种车厢顶部阻力系数更小。

　　1 基于CATIA建立流体模型

　　该文主要研究货车车厢顶部形状，是否会影响其阻力系数;基于该模拟重点，结合货车车厢实际参数对模型做了恰当简化处理长6m宽3.5m高3.86m;货车车厢顶部分别为平面和槽型结构，该两种结构长宽参数都是一样的，唯一不同的是一种顶部是平面，一种是槽型结构，图1和图2分别为车厢顶部平面及槽型示意图。

　　2 模拟前处理

　　以上分别对两种货车车厢顶部进行了流体模型建立，接着基于ICEM对两种模型进行网格划分，划分出FLUENT软件可以识别的计算网格;以及对网格模型进行条件设定。

　　2.1 理论基础

　　在目前对新事物开发的方法，主要是涉及实验方法、理论分析以及CFD计算机模拟，其中借助于计算机研发也是在流体分析中重要的一部分。严格来说，在研发过程中实验获得的数据较为准确、可信度也高;但是存在一些弊端，就是实验需要耗费大量的资金、需要投入更多的研发者以及花费更多的时间。很多时候研发新产品就是和时间在赛跑，所以多一秒得到完美的产品，对产品后期批量化生产有着很关键的作用;而理论分析，只能停留在一些前期的计算与预测上，并不能看到真实的产品数据等等。在这种情况下，计算机CFD模拟的出现，给研发工程师带来了很多的便捷，在很大程度上提升了研发的整体效率，在产品的可靠度方面也值得推荐[3]。

　　下面列出模拟分析基础方程连续性解法和动量解法[2]。

　　2.1.1 连续解法

　　对于物理属性固定的工作流体，无论处于何种状态，因为ρ=常数，求解公式可以简化为：

　　在以上方程式中，速度和密度可以通过式(1)来确定下来。

　　2.1.2 动量解法

　　对于需要求解的流体，进入面与流出截取面在运动过程一定是满足动量守恒的。定常流动控制体内的动量保持不变，即

　　2.2 ICEM划分网格

　　在进行网格划分是采用ANSYS自带的ICEM模块，icem在处理一些复杂模型中有其独特的优势。对以上两种模型为了避免网格划分方法对计算的影响，划分时都采用非结构划分方法，三角形四面体的方法，在对模型网格划分时候兼顾网格数量和网格质量;考虑到整个模型会增加网格数量，所以划分时候取模型的一般，中间面设置为对称面，这样可以有效降低网格数量提升网格质量，有助于提升计算效率[3]，图3-图4为槽型车厢顶部网格图。

　　2.3 边界条件设定

　　边界条件的设定尤为关键，在设定边界条件时候一定要结合实际与实际情况相接近，这样模拟得到的结果才具有实际参考价值，也就会与实验数据相贴合。

　　本文对主要参数进行叙述，采用双精度稳态压力求解器[3];进口设置为速度进口80km/h;操作压力设置为0Pa，出口为压力设置为0Pa，采用湍流模式k-e。

　　3 基于FLUENT模拟分析

　　主要分析车速在80km/h行驶下，两种货车车厢顶部速度特性及阻力系数。

　　3.1 车厢顶部压力特性

　　图5、图6为货车车厢平面顶部及槽型顶部模拟得到的两种压力云图特性，从云图5和图6中可以看出槽型车顶相对于平面车顶距离车头最近区域负压更为明显，并且槽型车顶压力整体而言较平面车顶压力低。

　　3.2 阻力特性

　　图7、图8为货车车厢平面顶部及槽型顶部模拟得到的两种阻力特性曲线，从曲线平面车厢顶部曲线图7和图8可以看出阻力系数随着车速的运行向负方向迅速下降，最小值达到-2.5，之后逐渐向正方向增大，最大阻力系数达到0.75，之后趋于稳定运行阻力系数保持在0.6左右;槽型车顶阻力系数随着车速的运行，阻力系数曲线快速下降，之后在-20左右维持稳定运行。可见，车厢顶部形状对阻力系数大小影响很大，所以在进行车厢顶部设计时需要重点考虑。

　　4 结论

　　该文主要通过CATIA软件对模拟的货车进行三维建模;之后基于ICEM对流体模型进行网格划分;再基于FLUENT软件对网格模型进行模拟分析，得到两种车厢顶部压力云图及阻力系数特性。

　　通过以上模拟得到的数据对其进行分析[4]，可见车厢顶部形状直接影响到车厢顶部阻力系数，并且影响较大;所以在设计时需要着重考虑。

　　参考文献：

　　[1]余志生.汽车理论[M].机械工业出版社，2011.

　　[2]章梓雄，等编著.粘性流体力学[M].清华大学工业出版社.

　　[3]杨扬.变速器换挡电磁球阀的优化设计[D].太原：中北大学，2015.

　　[4]Tetsuhiro Tsukiji， Flow analysis in oil hydraulic valve using vortex method， 67-72.

　　[5]杨扬，张翼.基于AMESim的锥阀式和球阀式液压阀动态特性分析[J].煤矿机械，2015，04.

　　推荐阅读：物流管理研究课题好选吗

期刊VIP网，您身边的高端学术顾问

文章名称： 基于FLUENT分析车厢顶部阻力系数

文章地址： http://www.qikanvip.com/jiaotongyunshu/55459.html