日本无码免费高清在线|成人日本在线观看高清|A级片免费视频操逼欧美|全裸美女搞黄色大片网站|免费成人a片视频|久久无码福利成人激情久久|国产视频一二国产在线v|av女主播在线观看|五月激情影音先锋|亚洲一区天堂av

  • 手機(jī)站
  • 小程序

    汽車測(cè)試網(wǎng)

  • 公眾號(hào)

    • 汽車測(cè)試網(wǎng)

    • 在線課堂

    • 電車測(cè)試

分子動(dòng)力學(xué)在汽車空氣動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用

2018-12-01 23:06:19·  來(lái)源：索辰信息  
　
N-S方程在流體力學(xué)領(lǐng)域占有著舉足輕重的地位，在其基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)數(shù)代人的理論研究，各大軟件廠商對(duì)算法耕耘優(yōu)化，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出大量的N-S方程為核心的流體軟件，所以
N-S方程在流體力學(xué)領(lǐng)域占有著舉足輕重的地位，在其基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)數(shù)代人的理論研究，各大軟件廠商對(duì)算法耕耘優(yōu)化，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出大量的N-S方程為核心的流體軟件，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，N-S方程就是CFD的代名詞。然而隨著工業(yè)的發(fā)展，需求在信息化以及工業(yè)化層面的深入，產(chǎn)能工具本身也需要理念更新效能升級(jí)。整個(gè)汽車制造業(yè)運(yùn)行在更快更準(zhǔn)更經(jīng)濟(jì)的道路上，期間如同新能源車開(kāi)始搶占燃油車的市場(chǎng)那樣，N-S方程陣營(yíng)也面臨著其他理念的挑戰(zhàn)，競(jìng)爭(zhēng)之下必有性能迭代，服務(wù)迭代，對(duì)我們最終用戶來(lái)說(shuō)，好處不言而喻。
 
隨著生活節(jié)奏加快，汽車的行駛速度也日益提高，降低汽車的燃油消耗成為車輛設(shè)計(jì)主要任務(wù)之一。對(duì)于SUV 車型而言，為降低高速行駛時(shí)的油耗，改善車輛外型氣動(dòng)特性是有效的方法之一。氣動(dòng)特性不僅影響著整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，而且影響著車輛的操縱穩(wěn)定性。在車輛上部主體造型凍結(jié)的前提下，優(yōu)化車輛底部結(jié)構(gòu)是降低整車風(fēng)阻特性另一個(gè)研究方向。然而通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行車輛構(gòu)型設(shè)計(jì)指導(dǎo)，存在耗時(shí)長(zhǎng)，代價(jià)高昂的缺點(diǎn)。對(duì)于初期定型時(shí)期來(lái)說(shuō)，利用實(shí)驗(yàn)手段是無(wú)法做到對(duì)5-10個(gè)構(gòu)型進(jìn)行短時(shí)間集中定量測(cè)試實(shí)驗(yàn)的。
基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)現(xiàn)已在汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用。但以往的數(shù)值計(jì)算大多基于有限體積法、有限差分等有限元方法，世界上大部分的商業(yè)軟件也都是基于有限元方法。近年來(lái)，基于分子動(dòng)力學(xué)的流體計(jì)算方法有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，美國(guó)EXA公司的PowerFlow軟件近些年，常被應(yīng)用在實(shí)際汽車工程項(xiàng)目中，與實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞結(jié)果相比，分子動(dòng)力學(xué)方法的精度得到了很好的證明。中國(guó)索辰公司的Aries軟件同樣基于分子動(dòng)力學(xué)技術(shù)，目前已運(yùn)用在國(guó)內(nèi)多個(gè)行業(yè)，如航空、船舶、地面交通等。

1. 理論基礎(chǔ)
與大多數(shù)商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）產(chǎn)品不同，本文運(yùn)用的CFD軟件Aries，物理引擎是基于分子動(dòng)力學(xué)理論而不是連續(xù)介質(zhì)動(dòng)力學(xué)方程。相比于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，分子動(dòng)力學(xué)具有的優(yōu)點(diǎn)有：應(yīng)用范圍更廣，精度更高，更接近實(shí)際物理現(xiàn)象，更直接的建模。
分子動(dòng)力學(xué)方法的建模思路為：將流體分解為大量位于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的離散流體質(zhì)點(diǎn)粒子，粒子按碰撞和遷移規(guī)則在網(wǎng)格上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)各網(wǎng)格流體質(zhì)點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)特征的統(tǒng)計(jì)，獲得流體宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
Boltzmann方法（Boltzmann Method）是建立在分子運(yùn)動(dòng)論（即分子熱輸運(yùn)方程組）和統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)上的一種模擬流場(chǎng)的數(shù)值方法，其粒子分布函數(shù)滿足Boltzmann方程。
Boltzmann方程是分子氣體動(dòng)力學(xué)的基本方程，在整個(gè)稀薄氣體動(dòng)力學(xué)中占據(jù)中心的地位。在自由分子流領(lǐng)域, 用無(wú)碰撞Boltzmann方程, 有時(shí)用它的平衡解，Maxwell分布。在滑流領(lǐng)域，基本方程N(yùn)-S方程和Burnett方程和滑移邊界條件是從解Boltzmann方程的Chapman-Enskog展開(kāi)得到的, 或者要系統(tǒng)地對(duì)Boltzmann方程應(yīng)用漸近方法得到流體力學(xué)方程。在過(guò)渡領(lǐng)域則要從Boltzmann方程或用與之等價(jià)的方法求解氣體流動(dòng)問(wèn)題。
Boltzmann方程有自變量多的特點(diǎn)。這給數(shù)值求解帶來(lái)在相空間布置寵大數(shù)目網(wǎng)格點(diǎn)的巨大困難，一般情況下解析解是不可能的, 數(shù)值求解也很困難。但多年來(lái), 還是發(fā)展了一些方法對(duì)其求解。
矩方法是將Boltzmann方程乘以某個(gè)分子的量Q, 再將其對(duì)整個(gè)速度空間求矩（求積分）而得到矩方程。N-S方程和Burnett方程就是利用Chapman-Enskog展開(kāi)求解Boltzmann方程的一階和二階矩方程。在過(guò)渡領(lǐng)域要引入新的矩和矩方程, 這方面沒(méi)有唯一的可以遵循的方法。對(duì)于定常一維流動(dòng)的一些個(gè)別問(wèn)題, 矩方法可以得到較好的效果。
模型方程方法是鑒于Boltzmann方程右端碰撞項(xiàng)的復(fù)雜性而用簡(jiǎn)化的碰撞項(xiàng)來(lái)代替它。最著名的是BGK模型方程，BGK方程因其簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用。有一類有實(shí)際意義的小擾動(dòng)問(wèn)題, 是用BGK方程而不是Boltzmann方程求解的。現(xiàn)今有很多商業(yè)軟件都借用了模型方程方法使Boltzmann方程數(shù)值化可編程化，其中著名的有Powerflow，Aries等。本文運(yùn)用基于分子動(dòng)力學(xué)流體軟件Aries來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)分析。

2. 虛擬風(fēng)洞數(shù)值模型
2.1. 汽車模型
以某款SUV為研究對(duì)象，以分析全車流場(chǎng)為目標(biāo)，建立虛擬數(shù)值模型。
模型高度為1630mm，不帶側(cè)后視鏡寬度為1910mm，車長(zhǎng)4430mm，單側(cè)后視鏡寬度285mm，地盤離地高度為227mm，胎寬237mm，后部導(dǎo)流板長(zhǎng)361mm，正投影面積為2.588m2。
除了車身車殼之外，側(cè)后視鏡、ABC柱、前臉格柵、輪胎、輪眉、車底盤構(gòu)建等等車輛零部件細(xì)節(jié)都按照原設(shè)計(jì)全尺寸模型建模并導(dǎo)入Aries軟件，不在CAD模型的基礎(chǔ)上做模型簡(jiǎn)化前處理。
（a）SUV車底
（b）后導(dǎo)流板
（c）側(cè)后視鏡
圖1 SUV計(jì)算模型
圖2 計(jì)算流域
圖3 計(jì)算背景網(wǎng)格劃分（為方便顯示加密區(qū)域，在輪胎中心登高的層面上切）
2.2.流場(chǎng)控制方程
1954年，Bhatnager, Gross 和Krook曾假設(shè), 那些描述渦與渦之間相互作用的、真實(shí)的碰撞作用的具體細(xì)節(jié)并不重要, 他們提出了一個(gè)簡(jiǎn)化的碰撞模式。Aries引用BGK的簡(jiǎn)化碰撞模型概念，對(duì)Boltzmann方程做模型方程方法簡(jiǎn)化，對(duì)輸運(yùn)方程進(jìn)行離散求解, 得到簡(jiǎn)化碰撞模型的玻爾茲曼方程：
在這種形式的玻爾茲曼方程中，碰撞表達(dá)式中包含了在特征時(shí)間尺度內(nèi)達(dá)到局部平衡分布這一松弛項(xiàng)，它描述了分子相互作用的物理本質(zhì)，為分子碰撞時(shí)間, 又可稱為松弛時(shí)間。在湍流模式中, 可用一個(gè)典型的湍流松弛時(shí)間代替。該模型的演化從形式上看是一個(gè)松弛過(guò)程，通過(guò)對(duì)微觀的粒子密度分布函數(shù)及其平衡態(tài)進(jìn)行松弛加速, 使得系統(tǒng)快速地演進(jìn)到符合客觀規(guī)律的狀態(tài)。
利用Chapman-Enskog展開(kāi)，將分布函數(shù)展開(kāi)為正比于數(shù)的冪次的級(jí)數(shù)：
式中，f(0)為f零級(jí)近似，f(r)為f(0)的r級(jí)修正項(xiàng)。而相應(yīng)的應(yīng)力張量Pij和熱流向量qi可寫作：
式中
分布函數(shù)f的一級(jí)近似f(l)解得為
將對(duì)應(yīng)的應(yīng)力張量和熱流向量帶入能量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，即得N-S方程組。
解決高雷諾數(shù)湍流流動(dòng)問(wèn)題，有效途徑為將湍流流動(dòng)模型與上述模型方程方法結(jié)合起來(lái)。Aries在Boltzmann方程中引入了大渦模式（LES），即對(duì)方程進(jìn)行濾波，保留大尺度進(jìn)行計(jì)算，小尺度的作用由渦黏性系數(shù)計(jì)算。
2.3. 計(jì)算結(jié)果分析
（a）風(fēng)阻力時(shí)間歷程曲線
（b）氣動(dòng)升力時(shí)間歷程曲線
圖 4 氣動(dòng)力時(shí)間收斂曲線
圖4（a）為阻力隨時(shí)間收斂曲線，取無(wú)明顯波動(dòng)的0.08s~0.11s時(shí)間段的數(shù)據(jù)做平均，可得SUV受到的阻力為558N，結(jié)合車輛正投影面積，得風(fēng)阻系數(shù)為0.317，處于主流SUV風(fēng)阻系數(shù)0.30~0.40范圍區(qū)間內(nèi)。
圖4（b）為升力隨時(shí)間收斂曲線，同樣取無(wú)明顯波動(dòng)的0.08s~0.11s時(shí)間段的數(shù)據(jù)做平均，可得SUV受到的阻力為188N，則升力系數(shù)為0.101。
從速度流線分布和速度矢量分布可知：車后部有較大流動(dòng)分離區(qū)。車頂后緣的導(dǎo)流板，超出車身的延伸段向后向下構(gòu)型，氣流經(jīng)導(dǎo)流板后繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，并發(fā)生分離；車尾部下方的上翹構(gòu)型，使得從車底流經(jīng)氣流方向向上偏移。車后的分離區(qū)域，由于構(gòu)型優(yōu)化而減小，然而尾流區(qū)仍然延伸到了車后約三分之一個(gè)車位的距離；車頂導(dǎo)流板有效地使上部分離區(qū)域控制在后窗的范圍，后窗的斜向后傾斜設(shè)計(jì)也限制了渦流向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而減小了渦流大小，在后床上的這片低速區(qū)，是長(zhǎng)時(shí)間行駛后，后窗積灰程度明顯高于前窗的主要原因；車底輪胎區(qū)域出現(xiàn)了流線分布，有渦流區(qū)，也是車行風(fēng)阻的一部分。
圖 5 橫向流線分布(車頭局部)
橫向流線檢視區(qū)域設(shè)在輪眉水平高度。車前側(cè)面到前輪輪眉部分，流線大致呈向上繞流，過(guò)輪眉后向下流動(dòng)，由于上方有側(cè)后視鏡，所以流線將通過(guò)輪眉及后視鏡之間較狹窄的區(qū)域，流速有一個(gè)明顯升高，推測(cè)將加劇后視鏡后的渦流脈動(dòng)，使得行駛噪聲加大，后續(xù)應(yīng)對(duì)此處做具體聲場(chǎng)分析，關(guān)注噪聲成因。
橫向流線分布更為清晰地顯示了車尾部的大渦流區(qū)域；車底盤件雖然沒(méi)有進(jìn)行有效包附，然而車底流線分布卻并未出現(xiàn)大面積紊亂以及渦流，僅在后輪后方有明顯的流動(dòng)分離區(qū)域；氣流流過(guò)車底后，經(jīng)車底擴(kuò)散向后排出，與車輛側(cè)面繞行過(guò)來(lái)的氣流在車后形成的渦流相結(jié)合，造成向車輛行駛方向相反行進(jìn)的下洗流。
圖 6 車底橫向流線分布(車尾局部)
3. 結(jié)論
Aries軟件基于分子動(dòng)力學(xué)原理，可對(duì)車輛等內(nèi)部構(gòu)型復(fù)雜精密的器械結(jié)構(gòu)，做全時(shí)域流場(chǎng)分析，定制化的虛擬數(shù)值風(fēng)洞模塊可對(duì)現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境做到全建模，且支持全細(xì)節(jié)模型直接導(dǎo)入仿真，使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)車輛細(xì)節(jié)時(shí)，如后視鏡，車頂后緣導(dǎo)流板，車底盤包附構(gòu)建等，可與車輛整體一起做模擬，全面分析該細(xì)節(jié)對(duì)整車設(shè)計(jì)的影響。
經(jīng)研究，某SUV，風(fēng)阻系數(shù)為0.317，處于主流SUV風(fēng)阻系數(shù)范圍之內(nèi)，車輛細(xì)節(jié)分析符合設(shè)計(jì)初衷：
1. 車頂導(dǎo)流板起到減小分離區(qū)域的作用；
2. 車底盤布局，使流線分布整齊，沒(méi)有大的分離區(qū)域，并未大幅度增加風(fēng)阻；

3. 輪胎仍需增加擋風(fēng)板來(lái)阻斷氣流穿過(guò)形成渦流，而增大風(fēng)阻。
由于基于高階的控制方程，玻璃表面的聲壓結(jié)果得以保存下來(lái)，結(jié)果無(wú)需通過(guò)聲類比方法進(jìn)行聲源模擬，便可以直接進(jìn)行聲場(chǎng)分析。

參考文獻(xiàn)：
[1] 谷正氣. 汽車空氣動(dòng)力學(xué)[M]. 人民交通出版社, 2005
[2] 沈俊, 傅立敏, 黎妹紅等. CFD軟件及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 汽車研究與開(kāi)發(fā), 2000,(5):40-43
[3] 沈俊, 傅立敏, 范士杰，CFD在汽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 汽車技術(shù), 2000 ,(10):1-4
[4] 于萍. 工程流體力學(xué)[M].科學(xué)出版社.
[5] HARRIS, STEWART. An introduction to the theory ofthe Boltzmann equation[M]. Dover Books, 1971. 
[6] WALTER G. VINCENI. Introduction to Physical gasdynamics[M]. Krieger Publishing, 1965.
[7] 沈青. 稀薄氣體動(dòng)力學(xué)[M]. 國(guó)防工業(yè)出版社.
[8] 張克鵬. 基于PowerFlow的某重型牽引車外流場(chǎng)數(shù)值分析[J], 汽車工程師, 2013, (5):25-28
[9] 潘小衛(wèi), 谷正氣, 何憶斌等, F1賽車氣動(dòng)特性的CFD仿真和試驗(yàn)研究[J], 汽車工程, 2009, 31(3):274-277
[10] 李明, 沈伋等, 格子-玻爾茲曼方法在艦面流暢計(jì)算中的應(yīng)用[J], 飛機(jī)設(shè)計(jì), 2017, 37(2):11-14
 
 
分享到：
 
反對(duì) 0 舉報(bào) 0 收藏 0 評(píng)論 0
滬ICP備11026917號(hào)-25