CN118036508A - 一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法 - Google Patents

一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及汽车仿真测试技术领域，具体为一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，包括：根据全尺寸实体汽车风洞关键部件的几何参数，构建数值风洞几何模型，并进行边界划分，再结合数值风洞几何模型和整车模型相对位置关系，进行数值风洞空风洞与整车模型的匹配，获取整车数值风洞仿真计算模型，并进行网格划分，根据整车数值风洞仿真计算模型的复杂度以及流动区域的重要度，对关键部件表面和空间进行网格加密设置；最后进行整车数值风洞仿真计算模型各边界的属性及参数设置、物理条件设置、求解参数设置，再自动后处理。本方案能有效提升整车CFD仿真精度以及仿真结果与试验结果的相关性，以使仿真结果能满足汽车空气动力学开发需求。

Description

一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法
技术领域
本发明涉及汽车仿真测试技术领域，具体为一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法。
背景技术
汽车空气动力学试验包括风洞试验和道路试验。其中风洞试验由于条件可控，且重复性好，是目前汽车空气动力学研究依赖的重要手段。风洞试验的目的在于得到准确反映汽车行驶状态的空气动力特性数据，主要研究汽车空气动力特性、汽车各部位的流场特性、发动机冷却气流的进气和排气特性、驾驶室内的通风、取暖及噪声特性等。但是，风洞测试需要有真实车辆(或者实体模型)进行测试，制作实体模型/整车的成本高、周期长，不利于早期整车数据的评估与优化，一定程度阻碍了汽车企业的敏捷空气动力学开发，降低了开发效率。
为了提高开发效率，研究人员采用汽车空气动力学仿真进行风洞仿真以进行仿真风洞测试；其中汽车空气动力学仿真是一种使用计算流体动力学(CFD)技术的应用方法，该方法可用于汽车造型设计和气动性能优化指导、在实现降低汽车能耗，提能源利用率，节能环保等方面具有重要意义。
目前，汽车空气动力学仿真存在仿真模型计算域、边界条件设置等与全尺寸整车风洞实体数据不一致的情况，造成CFD仿真结果与试验结果偏差大，仿真精度差，仿真结果不能满足汽车空气动力学开发需求。
因此，现在急需一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，能有效提升整车CFD仿真精度以及仿真结果与试验结果的相关性，以使仿真结果能满足汽车空气动力学开发需求，为行业汽车空气动力学发展提供重要参考。
发明内容
本发明意在提供一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，能有效提升整车CFD仿真精度以及仿真结果与试验结果的相关性，以使仿真结果能满足汽车空气动力学开发需求，为行业汽车空气动力学发展提供重要参考。
本发明提供如下基础方案：一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，包括如下内容：
S1、获取全尺寸实体汽车风洞关键部件的几何参数，并根据几何参数，构建基于实体风洞几何尺寸特征的数值风洞几何模型；
S2、根据全尺寸实体汽车风洞关键部件，进行数值风洞几何模型的边界划分；
S3、根据边界划分后的数值风洞几何模型，结合数值风洞几何模型和整车模型相对位置关系，进行数值风洞空风洞与整车模型的匹配，获取整车数值风洞仿真计算模型；
S4、对整车数值风洞仿真计算模型进行网格划分，并根据整车数值风洞仿真计算模型的复杂度以及流动区域的重要度，对关键部件表面和空间进行网格加密设置；
S5、根据全尺寸实体汽车风洞各部件的实际作用及运行参数，进行整车数值风洞仿真计算模型各边界的属性及参数设置；
S6、根据待测车模型的几何特征，进行整车数值风洞仿真计算模型的物理条件设置；
S7、设置整车数值风洞仿真计算模型求解参数；
S8、整车数值风洞仿真计算模型自动后处理。
进一步，获取几何参数的方式包括但不限于：实体风洞实地测量和实体风洞设计图纸测量；
全尺寸实体汽车风洞关键部件，包括：实体风洞的收缩段、喷口、试验段、收集口和扩散段。
进一步，所述边界划分的边界，包括：计算域进口边界、收缩段边界、喷口边界、试验段边界、呼吸阀边界、抽吸板边界、切向吹气边界、中央移动带边界、车轮驱动单元边界、天平转台边界、收集口边界、扩散段边界和计算域出口边界。
进一步，所述S3，包括：
S301、获取整车模型，其中整车模型为完成几何清理、正确划分和命名边界的整车计算模型；
S302、通过自动识别技术计算整车模型四车轮几何中心，移动整车模型使得四车轮几何中心与数值风洞天平转台中心点重合；
S303、移动数值风洞车轮驱动单元边界，使各车轮驱动单元边界中心法线通过各车轮轮心，完成车轮驱动单元边界与天平转台边界的压印操作；
S304、自动识别整车模型四轮边界，沿天平转台平面法向方向移动整车模型，使整车模型四轮边界最低点位于车轮驱动单元边界平面以下5mm处，完成车轮驱动单元边界与整车模型四轮边界的布尔运算。
进一步，所述对整车数值风洞仿真计算模型进行网格划分，包括：
对整车数值风洞仿真计算模型进行表面网格划分；整车数值风洞边界表面网格划分中，对关键区域边界进行网格加密处理；其中关键区域边界，包括：模型进口边界、喷口边界、抽吸板边界、切向吹气边界、中央移动带边界和车轮驱动单元边界；
对整车数值风洞仿真计算模型进行体网格划分；整车数值风洞边界体网格划分中，对关键区域设置各尺寸梯度的空间加密区；其中关键区域，包括：喷口射流区域、流场剪切层区域、地面附着层区域、车辆底部区域、车辆尾流区域和车辆周围流动区域。
进一步，所述S5中整车模型、散热器区域及冷凝器区域边界条件，根据预设标准进行设置；
数值风洞流体域进口边界设置为速度进口边界，流体域出口边界设置为压力出口边界，收缩段边界、喷口边界、抽吸板边界、切向吹气边界、中央移动带边界及其余风洞边界根据实体风洞实际边界条件完成设置。
进一步，所述S6，包括：进行稳态计算时，湍流模型根据待测车的类别针对性地设置为“K-Epsilon模型”或“K-Omega模型”；进行瞬态计算时，湍流模型设置为“Spalart-Allmaras分离涡模型”。
进一步，所述S7，包括：进行稳态计算时，查看残差曲线判断计算是否收敛，通过设置求解最大步数使得整车数值风洞仿真计算模型在计算收敛后停止计算；
进行瞬态计算时，先进行稳态计算，稳态计算收敛后再进行瞬态计算，根据计算需求设置求解时间步长以及内部迭代步数，求解总物理时长，且总物理时长不少于气流流经2倍车长距离。
进一步，所述S8，包括：进行整车数值风洞仿真计算模型自动后处理，并通过执行文件进行自动后处理操作，包括：计算结果报告、整车表面云图、空间截面云图、空间等值面图、空间流线图。
本方案的有益效果：首先本方案获取获取全尺寸实体汽车风洞关键部件的几何参数，并根据几何参数，构建基于实体风洞几何尺寸特征的数值风洞几何模型，保障构建的数值风洞几何模型和全尺寸实体汽车风洞关键部件的一致性；
再根据全尺寸实体汽车风洞关键部件，进行数值风洞几何模型的边界划分，根据边界划分后的数值风洞几何模型，结合数值风洞几何模型和整车模型相对位置关系，进行数值风洞空风洞与整车模型的匹配，获取整车数值风洞仿真计算模型；对整车数值风洞仿真计算模型进行网格划分，并根据整车数值风洞仿真计算模型的复杂度以及流动区域的重要度，对关键部件表面和空间进行网格加密设置；
最后进行整车数值风洞仿真计算模型各边界的属性及参数设置、物理条件设置、求解参数设置和自动后处理设置，获取仿真结果，
通过上述步骤建立与全尺寸实体汽车风洞几何尺寸条件一致的流体计算域并完成整车数值风洞仿真计算，能够有效提升整车CFD仿真精度以及仿真结果与试验结果的相关性，为行业汽车空气动力学发展和工程实际运用提供重要参考。
附图说明
图1为本发明一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法实施例的流程示意图；
图2为本发明一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法实施例中数值风洞几何模型的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：计算域进口1、收缩段2、呼吸阀3、试验段4、收集口5、扩散段6、喷口7、抽吸板8、切向吹气9、中央移动带10、车轮驱动单元11、天平转台12、计算域出口13。
实施例基本如附图1所示：一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，包括如下内容：
S1、获取全尺寸实体汽车风洞关键部件的几何参数，并根据几何参数，构建基于实体风洞几何尺寸特征的数值风洞几何模型；
具体地，获取全尺寸实体汽车风洞关键部件的几何参数，并根据几何参数，利用计算流体力学软件，如STAR CCM+，构建基于实体风洞几何尺寸特征的数值风洞几何模型；
其中，获取几何参数的方式包括但不限于：实体风洞实地测量、实体风洞设计图纸测量等；
全尺寸实体汽车风洞关键部件，包括：实体风洞的收缩段2、喷口7、试验段4、收集口5和扩散段6。
S2、根据全尺寸实体汽车风洞关键部件，进行数值风洞几何模型的边界划分；
具体地，根据全尺寸实体汽车风洞关键部件，进行数值风洞几何模型的边界划分，如图2所示；其中，边界划分的边界，包括：计算域进口1边界、收缩段2边界、喷口7边界、试验段4边界、呼吸阀3边界、抽吸板8边界、切向吹气9边界、中央移动带10边界、车轮驱动单元11边界、天平转台12边界、收集口5边界、扩散段6边界和计算域出口13边界；
S3、根据边界划分后的数值风洞几何模型，结合数值风洞几何模型和整车模型相对位置关系，进行数值风洞空风洞与整车模型的匹配，获取整车数值风洞仿真计算模型；
具体地，所述S103包括：
S301、获取整车模型，其中整车模型为完成几何清理、正确划分和命名边界的整车计算模型；
其中整车模型的获取是直接导入已按要求完成几何清理、正确划分及命名边界的整车计算模型。整车模型各区域、边界按照汽车工程学会团体标准《CSAE 112-2019乘用车空气动力学仿真技术规范》进行划分及命名。特别地，要求整车模型格栅部件、后视镜部件、车轮部件的命名分别以“_GRILLE”、“_MIRROR”、“_WHEELFL”、“_WHEELFR”、“_WHEELRL”、“_WHEELRR”进行结尾。要求主流域内散热器以及冷凝器边界命名以“6_COOLER_”+“RADIATOR”/“CONDENSER”+“_UpStream”/“_Side”/“_DownStream”构成，多孔介质域内散热器以及冷凝器边界命名以“RADIATOR”/“CONDENSER”+“_UpStream”/“_Side”/“_DownStream”构成。
S302、通过自动识别技术计算整车模型四车轮几何中心，移动整车模型使得四车轮几何中心与数值风洞天平转台12中心点重合；
S303、移动数值风洞车轮驱动单元11边界，使各车轮驱动单元11边界中心法线通过各车轮轮心，完成车轮驱动单元11边界与天平转台12边界的压印操作；
S304、自动识别整车模型四轮边界，沿天平转台12平面法向方向移动整车模型，使整车模型四轮边界最低点位于车轮驱动单元11边界平面以下5mm处，完成车轮驱动单元11边界与整车模型四轮边界的布尔运算,使得整车模型与数值风洞边界融合，保证整体模型没有自由边、相交面。
S4、对整车数值风洞仿真计算模型进行网格划分，并根据整车数值风洞仿真计算模型的复杂度以及流动区域的重要度，对关键部件表面和空间进行网格加密设置；
其中对整车数值风洞仿真计算模型进行网格划分，包括：
对整车数值风洞仿真计算模型进行表面网格划分；整车模型表面网格尺寸根据汽车工程学会团体标准《CSAE 112-2019乘用车空气动力学仿真技术规范》完成划分；数值风洞边界表面网格划分中，对模型进口边界、喷口7边界、抽吸板8边界、切向吹气9边界、中央移动带10边界、车轮驱动单元11边界等关键区域边界进行网格加密处理；
对整车数值风洞仿真计算模型进行体网格划分；特别地，需要在喷口7射流区域、流场剪切层区域、地面附着层区域、车辆底部区域、车辆尾流区域、车辆周围流动区域等流场关键区域设置各尺寸梯度的空间加密区。
S5、根据全尺寸实体汽车风洞各部件的实际作用及运行参数，进行整车数值风洞仿真计算模型各边界的属性及参数设置；
其中，整车模型、散热器区域及冷凝器区域边界条件，根据汽车工程学会团体标准《CSAE 112-2019乘用车空气动力学仿真技术规范》进行设置；
数值风洞流体域进口边界设置为速度进口边界，流体域出口边界设置为压力出口边界，收缩段2边界、喷口7边界、抽吸板8边界以及切向吹气9边界设置为无滑移壁面边界(不启用边界层抽吸系统)，中央移动带10边界设置为无滑移壁面边界(不启用中央移动带10系统)，其余数值风洞边界设置为无滑移边界。
S6、根据待测车模型的几何特征，进行整车数值风洞仿真计算模型的物理条件设置；
具体地，进行稳态计算时，湍流模型根据待测车的类别针对性地设置为“K-Epsilon模型”或“K-Omega模型”；进行瞬态计算时，湍流模型设置为“Spalart-Allmaras分离涡模型”。
S7、设置整车数值风洞仿真计算模型求解参数；
具体地，进行稳态计算时，查看残差曲线判断计算是否收敛，通过设置求解最大步数使得整车数值风洞仿真计算模型在计算收敛后停止计算；
进行瞬态计算时，先进行稳态计算，稳态计算收敛后再进行瞬态计算，根据计算需求设置求解时间步长以及内部迭代步数，求解总物理时长，且总物理时长不少于气流流经2倍车长距离。本实施例中进行稳态计算时，设置求解最大步数为5000步；进行瞬态计算时，设置求解时间步长为0.0005s，内部迭代步数设置为5步，求解总物理时长设置为3s。
S8、整车数值风洞仿真计算模型自动后处理。
具体地，通过设置的执行文件进行自动后处理操作，包括完成计算结果报告、整车表面云图、空间截面云图、空间等值面图、空间流线图等后处理操作的自动生成、输出及保存。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，其特征在于，包括如下内容：
S1、获取全尺寸实体汽车风洞关键部件的几何参数，并根据几何参数，构建基于实体风洞几何尺寸特征的数值风洞几何模型；
S2、根据全尺寸实体汽车风洞关键部件，进行数值风洞几何模型的边界划分；
S3、根据边界划分后的数值风洞几何模型，结合数值风洞几何模型和整车模型相对位置关系，进行数值风洞空风洞与整车模型的匹配，获取整车数值风洞仿真计算模型；
S4、对整车数值风洞仿真计算模型进行网格划分，并根据整车数值风洞仿真计算模型的复杂度以及流动区域的重要度，对关键部件表面和空间进行网格加密设置；
S5、根据全尺寸实体汽车风洞各部件的实际作用及运行参数，进行整车数值风洞仿真计算模型各边界的属性及参数设置；
S6、根据待测车模型的几何特征，进行整车数值风洞仿真计算模型的物理条件设置；
S7、设置整车数值风洞仿真计算模型求解参数；
S8、整车数值风洞仿真计算模型自动后处理。
2.根据权利要求1所述的基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，其特征在于，获取几何参数的方式包括但不限于：实体风洞实地测量和实体风洞设计图纸测量；
全尺寸实体汽车风洞关键部件，包括：实体风洞的收缩段、喷口、试验段、收集口和扩散段。
3.根据权利要求2所述的基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，其特征在于，所述边界划分的边界，包括：计算域进口边界、收缩段边界、喷口边界、试验段边界、呼吸阀边界、抽吸板边界、切向吹气边界、中央移动带边界、车轮驱动单元边界、天平转台边界、收集口边界、扩散段边界和计算域出口边界。
4.根据权利要求1所述的基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，其特征在于，所述S3，包括：
S301、获取整车模型，其中整车模型为完成几何清理、正确划分和命名边界的整车计算模型；
S302、通过自动识别技术计算整车模型四车轮几何中心，移动整车模型使得四车轮几何中心与数值风洞天平转台中心点重合；
S303、移动数值风洞车轮驱动单元边界，使各车轮驱动单元边界中心法线通过各车轮轮心，完成车轮驱动单元边界与天平转台边界的压印操作；
S304、自动识别整车模型四轮边界，沿天平转台平面法向方向移动整车模型，使整车模型四轮边界最低点位于车轮驱动单元边界平面以下5mm处，完成车轮驱动单元边界与整车模型四轮边界的布尔运算。
5.根据权利要求3所述的基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，其特征在于，所述对整车数值风洞仿真计算模型进行网格划分，包括：
对整车数值风洞仿真计算模型进行表面网格划分；整车数值风洞边界表面网格划分中，对关键区域边界进行网格加密处理；其中关键区域边界，包括：模型进口边界、喷口边界、抽吸板边界、切向吹气边界、中央移动带边界和车轮驱动单元边界；
对整车数值风洞仿真计算模型进行体网格划分；整车数值风洞边界体网格划分中，对关键区域设置各尺寸梯度的空间加密区；其中关键区域，包括：喷口射流区域、流场剪切层区域、地面附着层区域、车辆底部区域、车辆尾流区域和车辆周围流动区域。
6.根据权利要求3所述的基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，其特征在于，所述S5中整车模型、散热器区域及冷凝器区域边界条件，根据预设标准进行设置；
数值风洞流体域进口边界设置为速度进口边界，流体域出口边界设置为压力出口边界，收缩段边界、喷口边界、抽吸板边界、切向吹气边界、中央移动带边界及其余风洞边界根据实体风洞实际边界条件完成设置。
7.根据权利要求1所述的基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，其特征在于，所述S6，包括：进行稳态计算时，湍流模型根据待测车的类别针对性地设置为“K-Epsilon模型”或“K-Omega模型”；进行瞬态计算时，湍流模型设置为“Spalart-Allmaras分离涡模型”。
8.根据权利要求1所述的基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，其特征在于，所述S7，包括：进行稳态计算时，查看残差曲线判断计算是否收敛，通过设置求解最大步数使得整车数值风洞仿真计算模型在计算收敛后停止计算；
进行瞬态计算时，先进行稳态计算，稳态计算收敛后再进行瞬态计算，根据计算需求设置求解时间步长以及内部迭代步数，求解总物理时长，且总物理时长不少于气流流经2倍车长距离。
9.根据权利要求1所述的基于全尺寸汽车风洞的数值风洞仿真方法，其特征在于，所述S8，包括：进行整车数值风洞仿真计算模型自动后处理，并通过执行文件进行自动后处理操作，包括：计算结果报告、整车表面云图、空间截面云图、空间等值面图、空间流线图。
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