流固耦合下的汽车气动特性范文

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摘要：传统的CFD仿真方法通常只考虑风载荷对汽车气动性能受的作用，而忽略了车身结构振动与气流之间耦合作用带来的影响，导致计算结果与真实汽车行驶状况存在一定偏差。以1/4标准MIRA模型为研究对象，通过双向显式流固耦合的仿真方法将流固耦合效应引入到数值仿真中，得到不同工况下的气动力、表面压力、振动频率以及车身姿态角等数据，分析与传统仿真方法在计算结果上的差异，再利用风洞测试技术验证仿真结果的准确性。对比有无耦合仿真及试验结果表明：耦合仿真与实验结果更加吻合，各项数据偏差都在5%以内，从而验证了耦合仿真方法的准确性；随着车速的增加流固耦合效应影响越大，特别是对气动升力的影响较大直接影响到汽车操纵稳定性，因此在高速时，流固耦合效应带来的影响不能忽略。

关键词：车辆工程；流固耦合;汽车空气动力学;计算流体力学

0引言

汽车空气动力学直接关系到汽车行驶的经济性、舒适性和安全性等性能，现已成为汽车技术开发中重要的研究热点，并在汽车技术开发中扮演越来越重要的角色。汽车空气动力学研究多采用理论分析、数值计算（ComputationalFluidDynamics,CFD）和风洞试验相结合的方法来研究汽车高速行驶时的气动特性[1]，传统的CFD仿真方法通常将仿真对象视为刚体只考虑气流对汽车气动性能的影响，而忽略了汽车结构振动与气流之间的耦合作用，进而导致计算结果在流场结构和气动力方面与真实汽车行驶状况均存在一定偏差。特别是在汽车高速行驶时，车辆结构振动强烈，流固耦合效应明显，直接影响到汽车高速行驶的气动性能。因此，为研究汽车高速行驶时的流固耦合效应，提高车辆高速行驶时的稳定性和安全性，可以采用将固体计算引入到流体计算交叉耦合的计算方法[2-3]，仿真模拟中充分考虑流固耦合之间的相互作用，从而更为准确的把握汽车的空气动力学特性。许多专家学者在流固耦合研究方面做出大量努力，文献[4]进行了车辆风-车-桥三系统的耦合计算，并与传统的仿真方法做对比，发现耦合计算得到的计算结果危险系数要高,强调了耦合算法的重要性。文献[5]利用耦合仿真的计算方法对汽车侧窗的气动噪声进行仿真分析，通过对比实验结果，发现耦合算法准确性更高。同济大学朱晖等人研究了类车体在侧风环境下的流固耦合效应[6]，并指出了流固耦合效应对汽车气动特性的影响。本文以MIRA模型为研究对象，对比了流固耦合计算方法与传统仿真计算结果在气动力、流场等方面的差异，并与风洞试验结果相对比，证明了流固耦合仿真方法的准确性和必要性，并揭示流固耦合效应对汽车高速行驶气动特性的影响。

1流固耦合数值计算理论

1.1固体模型的有限元分析

对固体车体采用有限元方法分析，将要求解的固体区域进行弹性化处理。

1.2流固耦合交界面的动力学条件

1.3汽车模型简化方法

为研究流固耦合效应对车体姿态角的影响，本文对车体悬架进行了相应的简化，并将车体通过Lagrange能量法简化为包括横摆、侧倾、俯仰、侧向的四自由度系统动力学模型。

2仿真计算及结果分析

2.1几何模型材料设置及网格划分

仿真研究采用1/4缩比MIRA标准数字模型[9]，并将车轮和悬架等效为弹簧单元。

2.2仿真计算及结果对比

本文首先对比了是否考虑流固耦合效应的两种CFD数值仿真方法在求解结果上存在的差异。

3风洞实验及结果分析

为验证本文流固耦合仿真方法的准确性，本文通过风洞试验得到的气动力、压力、姿态角等数据与仿真结果进行了对比。

4结论

将考虑流固耦合效应的仿真结果与传统仿真方法及风洞试验结果对比，得到以下结论：(1)对整车受到的气动力，流固耦合效应主要影响气动升力的大小，并且随着车速的提高，流固耦合的影响越大，而对于气动阻力影响相对较小；(2)气动升力的大小直接影响到车辆的附着力，进而关系到车辆行驶的操纵稳定性和安全性。而考虑流固耦合效应的仿真方法对升力预测更加准确，更有利于汽车操纵稳定性的准确控制。(3)对耦合仿真得到的整车气动力、压力数据、姿态角等结果与风洞试验结果对比，发现两者的数值大小及变化趋势基本吻合，且偏差都不超过±5%，说明考虑流固耦合的仿真方法更准确，得到的数值结果更具有参考性。

作者：胡兴军；郭鹏；惠政；张扬辉；张靖龙；王靖宇；刘飞单位：吉林大学