基于FLUENT分析車廂頂部阻力系數

摘要：在實際產品研發及整車研發過程中，都需要對產品進行多種設計，最后對比后確定最優結構模型。在對貨車設計時，尤其對貨車車廂外形設計特別重要，在車廂設計時候需要考慮車廂頂部不同形狀產生的阻力系數，阻力系數大小會影響到汽車整體運行性能;本文主要通過CFD模擬方法來研究形狀與阻力系數之間的關系。

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 resistance coefficient of different shapes of the top of freight car should be considered， and the Resistance Coefficient will influence the whole running performance of freight car.In this paper， the relationship between shape and drag coefficient is studied by CFD simulation.

關鍵詞：FLUENT;阻力系數;貨車車廂

Key words： FLUENT;drag Coefficient;freight car

中圖分類號：U463.526? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0003-02

0? 引言

在對貨車車廂進行研發設計時，研發工程師往往會考慮到很多因素，其中車廂的阻力系數也是設計過程中必須考慮到的問題，因為車廂阻力系數大小會和燃油性能以及汽車的動力性相關[1]。本文主要研究不同車廂頂部形狀，是否會影響到其阻力系數大小進行探究，從而對貨車車廂頂部設計，基于FLUENT對其外形與阻力系數之間的關系來進行模擬分析;通過比較兩種不同形狀貨車車廂頂部，在同一車速下行駛得到的車廂頂部阻力系數數據，來比較哪種車廂頂部阻力系數更小。

1? 基于CATIA建立流體模型

該文主要研究貨車車廂頂部形狀，是否會影響其阻力系數;基于該模擬重點，結合貨車車廂實際參數對模型做了恰當簡化處理長6m寬3.5m高3.86m;貨車車廂頂部分別為平面和槽型結構，該兩種結構長寬參數都是一樣的，唯一不同的是一種頂部是平面，一種是槽型結構，圖1和圖2分別為車廂頂部平面及槽型示意圖。

2? 模擬前處理

以上分別對兩種貨車車廂頂部進行了流體模型建立，接著基于ICEM對兩種模型進行網格劃分，劃分出FLUENT軟件可以識別的計算網格;以及對網格模型進行條件設定。

2.1 理論基礎

在目前對新事物開發的方法，主要是涉及實驗方法、理論分析以及CFD計算機模擬，其中借助于計算機研發也是在流體分析中重要的一部分。嚴格來說，在研發過程中實驗獲得的數據較為準確、可信度也高;但是存在一些弊端，就是實驗需要耗費大量的資金、需要投入更多的研發者以及花費更多的時間。很多時候研發新產品就是和時間在賽跑，所以多一秒得到完美的產品，對產品后期批量化生產有著很關鍵的作用;而理論分析，只能停留在一些前期的計算與預測上，并不能看到真實的產品數據等等。在這種情況下，計算機CFD模擬的出現，給研發工程師帶來了很多的便捷，在很大程度上提升了研發的整體效率，在產品的可靠度方面也值得推薦[3]。

下面列出模擬分析基礎方程連續性解法和動量解法[2]。

2.1.1 連續解法

對于物理屬性固定的工作流體，無論處于何種狀態，因為ρ=常數，求解公式可以簡化為：

在以上方程式中，速度和密度可以通過式（1）來確定下來。

2.1.2 動量解法

對于需要求解的流體，進入面與流出截取面在運動過程一定是滿足動量守恒的。定常流動控制體內的動量保持不變，即

2.2 ICEM劃分網格

在進行網格劃分是采用ANSYS自帶的ICEM模塊，icem在處理一些復雜模型中有其獨特的優勢。對以上兩種模型為了避免網格劃分方法對計算的影響，劃分時都采用非結構劃分方法，三角形四面體的方法，在對模型網格劃分時候兼顧網格數量和網格質量;考慮到整個模型會增加網格數量，所以劃分時候取模型的一般，中間面設置為對稱面，這樣可以有效降低網格數量提升網格質量，有助于提升計算效率[3]，圖3-圖4為槽型車廂頂部網格圖。

2.3 邊界條件設定

邊界條件的設定尤為關鍵，在設定邊界條件時候一定要結合實際與實際情況相接近，這樣模擬得到的結果才具有實際參考價值，也就會與實驗數據相貼合。

本文對主要參數進行敘述，采用雙精度穩態壓力求解器[3];進口設置為速度進口80km/h;操作壓力設置為0Pa，出口為壓力設置為0Pa，采用湍流模式k-e。

3? 基于FLUENT模擬分析

主要分析車速在80km/h行駛下，兩種貨車車廂頂部速度特性及阻力系數。

3.1 車廂頂部壓力特性

圖5、圖6為貨車車廂平面頂部及槽型頂部模擬得到的兩種壓力云圖特性，從云圖5和圖6中可以看出槽型車頂相對于平面車頂距離車頭最近區域負壓更為明顯，并且槽型車頂壓力整體而言較平面車頂壓力低。

3.2 阻力特性

圖7、圖8為貨車車廂平面頂部及槽型頂部模擬得到的兩種阻力特性曲線，從曲線平面車廂頂部曲線圖7和圖8可以看出阻力系數隨著車速的運行向負方向迅速下降，最小值達到-2.5，之后逐漸向正方向增大，最大阻力系數達到0.75，之后趨于穩定運行阻力系數保持在0.6左右;槽型車頂阻力系數隨著車速的運行，阻力系數曲線快速下降，之后在-20左右維持穩定運行。可見，車廂頂部形狀對阻力系數大小影響很大，所以在進行車廂頂部設計時需要重點考慮。

4? 結論

該文主要通過CATIA軟件對模擬的貨車進行三維建模;之后基于ICEM對流體模型進行網格劃分;再基于FLUENT軟件對網格模型進行模擬分析，得到兩種車廂頂部壓力云圖及阻力系數特性。

通過以上模擬得到的數據對其進行分析[4]，可見車廂頂部形狀直接影響到車廂頂部阻力系數，并且影響較大;所以在設計時需要著重考慮。

參考文獻：

[1]余志生.汽車理論[M].機械工業出版社，2011.

[2]章梓雄，等編著.粘性流體力學[M].清華大學工業出版社.

[3]楊揚.變速器換擋電磁球閥的優化設計[D].太原：中北大學，2015.

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

[5]楊揚，張翼.基于AMESim的錐閥式和球閥式液壓閥動態特性分析[J].煤礦機械，2015，04.