CN112100942B - 一种针对客车涡系捕捉的非线性湍流模型的构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对客车涡系捕捉的非线性湍流模型的构建方法，包括以下步骤：A、建立客车模型及三维计算流域并划分网格；B、建立由不可压流动控制方程组、非线性LRN/DES湍流模型组成的汽车外流场流动计算流体动力学模型；C、进行边界条件和计算设置；D、进行汽车外流场数值计算；E、获得大客车的非定常外流场特性，通过求解外流场流动计算流体动力学模型得到汽车外流场速度分布、压力分布、湍动能分布、流线，获得客车流程速度云图，压力云图、湍动能云图、流线图以及气动阻力和气动升力。本发明能够解决现有技术的不足，解决了气流在转捩发生后产生的与物体表面分离现象的预测精度问题，提高了大客车等钝体外形的气动力计算精度。

Description

一种针对客车涡系捕捉的非线性湍流模型的构建方法
技术领域
本发明属于汽车空气动力学技术领域，具体是一种针对客车涡系捕捉的非线性湍流模型的构建方法。
背景技术
客车是一种长钝体外形结构，其周边流场中存在大量气流分离导致的涡系结构，该结构对客车的气动特性具有显著影响。客车空气动力学仿真计算通常采用k-espilon湍流模型进行计算，常用的湍流模型存在两个问题：第一，无法准确计算客车的壁面边界层流动，主要是不能准确预测层流转捩现象；第二，无法准确捕捉边界层分离产生的涡系结构。发明人于2015年在《中国机械工程》上公开了“基于改进LRN k-ε模型的汽车气动特性研究”一文，主要解决了仿真计算过程中对气流在物体表面发生转捩现象的预测精度问题。但是，其并未解决气流在转捩发生后产生的与物体表面分离现象的预测精度问题，导致大客车等钝体外形的气动力计算精度不能进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种针对客车涡系捕捉的非线性湍流模型的构建方法，能够解决现有技术的不足，解决了气流在转捩发生后产生的与物体表面分离现象的预测精度问题，提高了大客车等钝体外形的气动力计算精度。
本发明的内容包括以下步骤，
A、建立客车模型及三维计算流域并划分网格；
B、建立由不可压流动控制方程组、非线性LRN/DES湍流模型组成的汽车外流场流动计算流体动力学模型；
C、进行边界条件和计算设置；
D、进行汽车外流场数值计算；
E、获得大客车的非定常外流场特性，通过求解外流场流动计算流体动力学模型得到汽车外流场速度分布、压力分布、湍动能分布、流线，实现对对客车外流场的高精度数值预测，对客车流场计算结果进行后处理，获得客车流程速度云图，压力云图、湍动能云图、流线图以及气动阻力和气动升力。
作为优选，步骤A中，三维计算流域入口边界距客车前端为车长的3倍，出口边界距客车后端为车长的7倍，计算流域长度为车长的11倍，宽度为车宽的7倍，高度为车高的5倍。
作为优选，步骤A中，网格采用多面体网格划分，采用密度盒进行加密，在客车表面生产5层精细的附面层。
作为优选，步骤B中，不可压缩流动控制方程组包括，
不可压缩连续性方程，
Figure BDA0002691823740000021
动量方程，
Figure BDA0002691823740000022
其中p,ρ,u分别为空气的压力、密度和速度，
Figure BDA0002691823740000023
为平均雷诺应力；
将
Figure BDA0002691823740000024
进行模化，建立非线性雷诺应力张量形式：
Figure BDA0002691823740000025
其中k、ε分别为湍动能和湍动能耗散率，μt是湍流粘度，Sij、Ωij分别为流体微团的应变张量和涡量张量，其定义为：
Figure BDA0002691823740000026
参数如下：
Figure BDA0002691823740000027
Figure BDA0002691823740000028
Figure BDA0002691823740000029
作为优选，步骤C中，三维流域边界条件为，
进口处采用速度入口边界条件，速度入口:Vx＝30m/s、水力直径：D＝20.54m、湍流强度：I＝0.5％；出口采用压力出口边界条件，压力出口:P＝1.0133*105pa、水力直径：D＝20.54m、湍流强度I＝5％；壁面采用自由滑移边界条件，地面采用无滑移壁面，采用SIMPLE算法进行速度-压力耦合求解，时间项采用二阶精度的迎风格式，空间项采用二阶精度算法，壁面函数采用非平衡壁面函数。
作为优选，步骤D中，以步骤三中所设置的边界条件和计算方法，残差监测设置为1×10-5，进行非定常不可压缩流动数值计算，直到残差收敛，得到客车三维不可压缩数值计算结果。
本发明的有益效果是，解决了气流在转捩发生后产生的与物体表面分离现象的预测精度问题，提高了大客车等钝体外形的气动力计算精度。具有较高的工程实用性，应用前景广阔。
附图说明
图1为作为本发明处理对象的大客车简易模型。
图2为大客车简易模型进行风洞实验后的中截面流线图。
图3为采用k-epsilon模型计算出的中截面流线图。
图4为采用改进LRN k-ε模型计算出的中截面流线图。
图5为采用本发明模型计算出的中截面流线图。
图6为大客车简易模型进行风洞实验后的尾部斜边表面流线图。
图7为采用k-epsilon模型计算出的尾部斜边表面流线图。
图8为采用本发明模型计算出的尾部斜边表面流线图。
具体实施方式
本发明包括以下步骤，
A、建立客车模型及三维计算流域并划分网格；
三维计算流域入口边界距客车前端为车长的3倍，出口边界距客车后端为车长的7倍，计算流域长度为车长的11倍，宽度为车宽的7倍，高度为车高的5倍。网格采用多面体网格划分，采用密度盒进行加密，在客车表面生产5层精细的附面层。
B、建立由不可压流动控制方程组、非线性LRN/DES湍流模型组成的汽车外流场流动计算流体动力学模型；
不可压缩流动控制方程组包括，
不可压缩连续性方程，
Figure BDA0002691823740000031
动量方程，
Figure BDA0002691823740000032
其中p,ρ,u分别为空气的压力、密度和速度，
Figure BDA0002691823740000041
为平均雷诺应力；
将
Figure BDA0002691823740000042
进行模化，建立非线性雷诺应力张量形式：
Figure BDA0002691823740000043
其中k、ε分别为湍动能和湍动能耗散率，μt是湍流粘度，Sij、Ωij分别为流体微团的应变张量和涡量张量，其定义为：
Figure BDA0002691823740000044
参数如下：
Figure BDA0002691823740000045
Figure BDA0002691823740000046
Figure BDA0002691823740000047
C、进行边界条件和计算设置；
三维流域边界条件为，
进口处采用速度入口边界条件，速度入口:Vx＝30m/s、水力直径：D＝20.54m、湍流强度：I＝0.5％；出口采用压力出口边界条件，压力出口:P＝1.0133*105pa、水力直径：D＝20.54m、湍流强度I＝5％；壁面采用自由滑移边界条件，地面采用无滑移壁面，采用SIMPLE算法进行速度-压力耦合求解，时间项采用二阶精度的迎风格式，空间项采用二阶精度算法，壁面函数采用非平衡壁面函数。
D、进行汽车外流场数值计算；以步骤三中所设置的边界条件和计算方法，残差监测设置为1×10-5，进行非定常不可压缩流动数值计算，直到残差收敛，得到客车三维不可压缩数值计算结果。
E、获得大客车的非定常外流场特性，通过求解外流场流动计算流体动力学模型得到汽车外流场速度分布、压力分布、湍动能分布、流线，实现对对客车外流场的高精度数值预测，对客车流场计算结果进行后处理，获得客车流程速度云图，压力云图、湍动能云图、流线图以及气动阻力和气动升力。
参照图2-5，作为测试的大客车简易模型的尾部流场区域存在3个比较明显的涡。本申请提出的非线性LRN/DES模型仿真得到的结果与实验结果对比可以看到，非线性LRN/DES模型得到的涡在数量、大小、位置等方面均与实验吻合。而k-epsilon模型得到的结果没有vortex 1，vortex2和vortex 3的大小和位置与实验差异较大；发明人于15年提出的改进LRN k-ε模型得到的结果中没有准确仿真得到尾部斜边上方的涡，同时尾部后方的两个涡的大小和位置均与实验结果不符。
参照图6-8，尾部斜边表面流线的主要特征是中部抛物线范围内的回流区域和两侧向侧边流动的区域，非线性LRN/DES模型对以上两个区域的仿真较为准确，而k-espilon模型得到的结果与实验差距较大。

Claims (5)

1.一种针对客车涡系捕捉的非线性湍流模型的构建方法，其特征在于包括以下步骤，
A、建立客车模型及三维计算流域并划分网格；
B、建立由不可压流动控制方程组、非线性LRN/DES湍流模型组成的汽车外流场流动计算流体动力学模型；
不可压缩流动控制方程组包括，
不可压缩连续性方程，
Figure FDA0003825259490000011
动量方程，
Figure FDA0003825259490000012
其中p,ρ,u分别为空气的压力、密度和速度，
Figure FDA0003825259490000013
为平均雷诺应力；
将
Figure FDA0003825259490000014
进行模化，建立非线性雷诺应力张量形式：
Figure FDA0003825259490000015
其中k、ε分别为湍动能和湍动能耗散率，μt是湍流粘度，Sij、Ωij分别为流体微团的应变张量和涡量张量，其定义为：
Figure FDA0003825259490000016
参数如下：
Figure FDA0003825259490000017
Figure FDA0003825259490000021
Figure FDA0003825259490000022
C、进行边界条件和计算设置；
D、进行汽车外流场数值计算；
E、获得大客车的非定常外流场特性，通过求解外流场流动计算流体动力学模型得到汽车外流场速度分布、压力分布、湍动能分布、流线，实现对客车外流场的高精度数值预测，对客车流场计算结果进行后处理，获得客车流程速度云图，压力云图、湍动能云图、流线图以及气动阻力和气动升力。
2.如权利要求1所述的针对客车涡系捕捉的非线性湍流模型的构建方法，其特征在于：
步骤A中，三维计算流域入口边界距客车前端为车长的3倍，出口边界距客车后端为车长的7倍，计算流域长度为车长的11倍，宽度为车宽的7倍，高度为车高的5倍。
3.如权利要求2所述的针对客车涡系捕捉的非线性湍流模型的构建方法，其特征在于：步骤A中，网格采用多面体网格划分，采用密度盒进行加密，在客车表面生产5层精细的附面层。
4.如权利要求3所述的针对客车涡系捕捉的非线性湍流模型的构建方法，其特征在于：步骤C中，三维流域边界条件为，
进口处采用速度入口边界条件，速度入口:Vx＝30m/s、水力直径：D＝20.54m、湍流强度：I＝0.5％；出口采用压力出口边界条件，压力出口:P＝1.0133*105pa、水力直径：D＝20.54m、湍流强度I＝5％；壁面采用自由滑移边界条件，地面采用无滑移壁面，采用SIMPLE算法进行速度-压力耦合求解，时间项采用二阶精度的迎风格式，空间项采用二阶精度算法，壁面函数采用非平衡壁面函数。
5.如权利要求4所述的针对客车涡系捕捉的非线性湍流模型的构建方法，其特征在于：步骤D中，以步骤C中所设置的边界条件和计算方法，残差监测设置为1×10-5，进行非定常不可压缩流动数值计算，直到残差收敛，得到客车三维不可压缩数值计算结果。
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