1.了解空氣動(dòng)力學(xué)基本理論，將流體力學(xué)所學(xué)的相關(guān)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中。

    2.了解CFD軟件Fluent的相關(guān)應(yīng)用

    3.了解風(fēng)洞試驗(yàn)基本原理

    4.培養(yǎng)車輛工程專業(yè)學(xué)生相關(guān)的專業(yè)技能

3.實(shí)驗(yàn)過程簡(jiǎn)要概述

    1.首先，用Solidworks進(jìn)行建模對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)要的整理

    2.利用Fluent軟件打開該模型（幾何）然后對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)以及相應(yīng)的對(duì)稱等操作的前處理。

    3.導(dǎo)入網(wǎng)格部分，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，注重網(wǎng)格質(zhì)量，注意網(wǎng)格大小。

    4.進(jìn)入設(shè)置部分，對(duì)相應(yīng)的所有參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，調(diào)整之后進(jìn)入下一步。

    5.進(jìn)入求解步驟，生成各種圖像，生成各種數(shù)據(jù)及相應(yīng)的表格。

    6.進(jìn)入結(jié)果步驟，生成需要的結(jié)果圖片，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

4.實(shí)驗(yàn)操作步驟

4.1小車建模

    首先，利用Catia進(jìn)行建模，建立實(shí)體小車模型（小車外殼）。建立基本的模型如下圖所示：

圖1 Solidworks小車模型 1

    車的各方面長(zhǎng)寬高為4.35m×1.88m×1.2m

    后續(xù)為了仿真方便性，把汽車進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并且由于輪胎和地面相接觸夾角較小，導(dǎo)致輪胎和地面相接觸網(wǎng)格質(zhì)量非常差，所以將輪胎靠近地面處建模成一個(gè)凸臺(tái)，簡(jiǎn)化后模型如下圖所示：

圖2 Ansys spaceclaim轎車

4.2小車幾何形導(dǎo)入

    然后將模型導(dǎo)入Ansys Fluent中的幾何部分，導(dǎo)入后，首先對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的檢查與修復(fù)，由于在之前建模過程中已經(jīng)盡力去除非圓角的部分（也就是說比較尖銳和極端的地方）所以，該過程顯示沒有需要修復(fù)的面，這樣簡(jiǎn)化了操作步驟和時(shí)間。后續(xù)進(jìn)行的過程，只需對(duì)車模的計(jì)算域進(jìn)行一個(gè)處理（設(shè)置計(jì)算域），根據(jù)和老師了解到，老師建議給到的計(jì)算域大小尺寸是：車長(zhǎng)的8-10倍，車寬的10倍，車高的6倍，于是，我將計(jì)算域的大小設(shè)置成了如下數(shù)據(jù)以滿足相應(yīng)的要求，也可以促進(jìn)計(jì)算的準(zhǔn)確性：

   長(zhǎng)寬高為34.8m*18.8m*7.2m

    劃分好相應(yīng)的計(jì)算域之后，由于汽車的高度對(duì)稱性，使得計(jì)算一半的阻力升力等空氣動(dòng)力系數(shù)即可，所以進(jìn)行一個(gè)隱藏操作與剪切，做出如下計(jì)算域。

    最后對(duì)汽車周圍與尾流進(jìn)行boi加密處理，得到的計(jì)算域如下

圖3 小車計(jì)算域

    劃分好之后，進(jìn)行各個(gè)流體域邊界以及小車整體進(jìn)行一個(gè)命名，命名之后才可以進(jìn)行下一步：

圖4小車計(jì)算域命名

4.3 網(wǎng)格劃分與生成設(shè)置

     打開網(wǎng)格相應(yīng)界面，選擇雙精度進(jìn)入界面(雙精度設(shè)置如下圖所示)，進(jìn)入網(wǎng)格劃分界面（Meshing）。

圖5網(wǎng)格精度參數(shù)設(shè)置  

    1. 打開界面之后，按照左圖流程一步一步進(jìn)行相關(guān)的操作，首先導(dǎo)入幾何模型，將上一步在Spaceclaim中所修復(fù)的幾何模型導(dǎo)入進(jìn)來。

    2. 導(dǎo)入之后，添加幾何尺寸，幾何尺寸欄目勾選[Yes]，然后選擇小車（car），然后對(duì)它的幾何尺寸進(jìn)行修正。給予小車合適的[Target Mesh Size],我這里根據(jù)小車尺寸和上網(wǎng)查詢并且優(yōu)化選擇0.03m（如圖6），其次添加boi區(qū)域加密，設(shè)置boi尺寸為0.03m（如圖6）。

    3. 下一步，生成面網(wǎng)格，面網(wǎng)格這里有[MaxSize]和[Minsize]兩種選擇，由于電腦內(nèi)存空間有限，計(jì)量選擇網(wǎng)格不要太小，又要保證其精準(zhǔn)度，于是網(wǎng)格最小的尺寸我將其設(shè)置成0.03m，最大尺寸設(shè)置成0.5m（其中還是有很多不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牡胤剑墙?jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，該組數(shù)據(jù)是保證我的電腦狀況正常的情況下的最好選擇）。然后等待生成即可（如圖7）。

    4. 根據(jù)下一步提示，軟件提醒我要將該表面網(wǎng)格進(jìn)行一個(gè)質(zhì)量的改善以及數(shù)量的改善，于是在面網(wǎng)格質(zhì)量限制那里選擇0.9（如圖8）。

    5. 接下來，描述幾何結(jié)構(gòu)、更新邊界、添加邊界層等步驟選取默認(rèn)數(shù)據(jù)就可以。

    6. 最后進(jìn)行體網(wǎng)格的生成，生成體網(wǎng)格的過程中要注意參數(shù)的設(shè)置，和上面面網(wǎng)格設(shè)置的原則是基本上一致的。其中[Max Cell Length]這個(gè)選項(xiàng)，上網(wǎng)查閱后，根據(jù)尺寸我選擇了0.5m（如圖9）然后生成體網(wǎng)格。

圖6局部尺寸設(shè)置 1

圖7面網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置

圖8改善面網(wǎng)格質(zhì)量

圖9體網(wǎng)格參數(shù)

     對(duì)這些處理完了之后可以進(jìn)行下一步的計(jì)算過程，圖10和圖11兩張圖分別是面網(wǎng)格生成后的示意圖和體網(wǎng)格生成后的示意圖（10和11兩張圖為了更好的區(qū)分我選擇了不同的顏色進(jìn)行表示）

圖10面網(wǎng)格圖

圖11體網(wǎng)格圖

4.4 進(jìn)入計(jì)算參數(shù)設(shè)置

     在進(jìn)入此步驟之前，先對(duì)所生成的網(wǎng)格進(jìn)行一個(gè)描述性的統(tǒng)計(jì)，以此確保網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量如果不達(dá)標(biāo)還需對(duì)上一步進(jìn)行更改和修正（如圖12）。對(duì)網(wǎng)格數(shù)量我也進(jìn)行了描述性統(tǒng)計(jì)（如圖13）     

圖12網(wǎng)格質(zhì)量分析圖

圖13網(wǎng)格數(shù)量分析圖

    1. 點(diǎn)擊上方的顯示網(wǎng)格，將邊選項(xiàng)勾選上，操作后的變化圖如下所示（圖14）。

圖14 設(shè)置初始圖  

    2. 然后對(duì)粘性進(jìn)行更改，參數(shù)如圖15所示。

圖15粘性值修正圖

    3. 材料部分選擇[流體]這一選項(xiàng)，保持默認(rèn)參數(shù)

    4. 選擇邊界條件，對(duì)邊界條件參數(shù)進(jìn)行更改，入口風(fēng)速我在此選用30m/s。（如圖16）然后選擇出口條件，出口速度保持為0，湍流強(qiáng)度等參數(shù)與入口時(shí)同時(shí)設(shè)置成為1。然后對(duì)流場(chǎng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，壓力設(shè)置成大氣壓（101325kPa），溫度常溫不用改變，速度調(diào)整為30m/s。（如圖17）

圖16入口系數(shù)設(shè)置圖

圖17 參考值設(shè)置圖

     進(jìn)行報(bào)告的定義，定義一個(gè)升力系數(shù)報(bào)告（圖18）和一個(gè)阻力系數(shù)的報(bào)告（圖19）。

圖18升力報(bào)告設(shè)置示意圖

圖19阻力報(bào)告參數(shù)設(shè)置示意圖

    5. 生成殘差圖（圖20）、升力報(bào)告圖（圖21）、阻力報(bào)告圖（圖22）。

圖20殘差示意圖

圖21升力報(bào)告圖

圖22阻力報(bào)告示意圖

    6. 然后創(chuàng)建一段范圍內(nèi)的直線，創(chuàng)建以車的中心為對(duì)稱的對(duì)稱面，對(duì)車的一段跡線和整車跡線以及云圖進(jìn)行分析

    7. 生成相應(yīng)的分析圖，一段跡線（如圖23），整車跡線（如圖24），云圖（如圖25），矢量圖（如圖26）

圖23一段跡線                          圖24整車跡線

圖25云圖                               圖26矢量圖

    8. 生成Ansys-Fluent該計(jì)算環(huán)節(jié)電腦自帶的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，截取有用的數(shù)據(jù)。圖27為相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，圖28為一些基本按鍵和邊界條件的基本數(shù)值輸入信息。

圖27相關(guān)參數(shù)設(shè)置  

圖28 邊界條件

4.5 進(jìn)入結(jié)果生成頁面

    1.進(jìn)入結(jié)果界面后，首先設(shè)置Dp計(jì)算方法，首先進(jìn)入[Expressions]界面，進(jìn)行最初值的賦予，新建一個(gè)Dp算法（如圖29）。

圖29Dp算法初設(shè)置

    2.然后進(jìn)行Cp算法的設(shè)置。先創(chuàng)建Cp（圖30），然后進(jìn)入[Variables]，然后在上方選擇Insert選項(xiàng)，然后選擇[Contour]創(chuàng)建后，Location選項(xiàng)里面，選擇[wall-car], [Variables]中選擇[Cp]然后進(jìn)行自定義迭代的次數(shù)和相應(yīng)的范圍，產(chǎn)生如圖31所示的示意圖。

圖30 汽車表面壓力云圖

圖31云圖以及地面分布示意圖

    3.然后重復(fù)上述步驟，只需要將[Location]中的[wall-car]更改成[wall-floor]可以生成地面等壓示意圖（如圖32）。

圖32 地面等壓示意圖

5.實(shí)驗(yàn)總結(jié)和優(yōu)化建議

    從分析圖我們可以清楚的看到：流體流速大的地方壓強(qiáng)小，流速小的地方壓強(qiáng)大。從汽車的前側(cè)和后側(cè)來看，前側(cè)的壓力要明顯小于后側(cè)的壓力。可以很容易的發(fā)現(xiàn)，車的前側(cè)部分迎風(fēng)，所受壓力明顯大于后部分。前側(cè)所受壓力主要呈現(xiàn)紅色、橙色還有黃色這種比較暖的顏色，這表明所受壓力較大。車側(cè)部還有車尾部主要呈現(xiàn)藍(lán)色、青色還有綠色這種比較冷色調(diào)的顏色，這表示所受壓力比較小一點(diǎn)。因此，給出以下優(yōu)化建議：查詢相關(guān)的文獻(xiàn)了解到，空氣阻力對(duì)汽車的油耗影響是非常大的，高速行駛時(shí)，所消耗的燃油主要用來克服空氣阻力。現(xiàn)在的轎車阻力系數(shù)一般都在0.28左右，最低的可以做到0.22實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致符合）。所以我們一般的汽車采用流線型，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，減少成本。在風(fēng)窗處，我們還要盡力減少相關(guān)的凸出物，然后實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。