面向侧风行驶安全性的车身外流场湍流数值模拟与优化(7)
在侧风作用下的汽车气动特性研究中，数值模拟能够发挥其优势，实现与真实侧风作用下的汽车行驶的流场环境，并能够获得充分的流场信息，从而为分析影响汽车侧风稳定性的原因提供依据。本文将侧风作用下的汽车气动特性数值模拟研究归纳为稳态数值模拟法和动态数值模拟法两类。[1]
2.3本次研究所选方法
本次设计选用数值方法来对汽车外流场进行模拟。具体是运用稳态数值模拟方法。
在汽车行业和机械行业，三文建模所用软件中常用的有catia、ug以及solid works，inventor，caxa，solid edge。本次设计建模选用UG软件，因为UG软件兼容性较好，可以适应不同的数值模拟软件，且界面友好，容易上手。而数值模拟软件选择了ANSYS。ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换。在ANSYS里面能完成流体模拟的模块有两种一种是CFX,一种是FLUENT。本次模拟使用CFX模块。具体步骤如下。
汽车外流场数值模拟的步骤 :
(1) 建立所研究问题的物理模型, 再将其抽象成数学力学模型。
(2) 用 CAD 软件建立汽车形体及三文流场区域, 形成计算区域的 CAD 模型。
(3) 将计算域进行空间网格剖分。
(4) CFD 软件调用前面形成的模型及数据文件。
(5) 确定边界条件, 包括入口与出口处的边界条件、壁面边界条件。边界条件在数学上要满足适定性, 在物理上要具有实际意义。要注意在考虑了相对运动和地面效应等之后的边界条件的确定, 不要矛盾和重复。
(6) 设定具体的求解过程和精度的一些控制参数和条件, 对需要分析的问题进行求解, 结果以数据文件保存。
(7) 进入后处理, 读取计算结果文件, 可以用图形表达出来。观察其结果, 若与真实情况不符则重复上述步骤直到得到满意的数值解。
如图2-8示
图2-8 模拟流程示意图
2.3.1本次研究具体方案
（1）不同侧风方案确定
实际情况下，由于自然界天气变化无常，自然风是随机的，其方向、大小及频率等都在发生无规律的变化。因此，难以精确地描述出风特性及其与汽车相互之间的耦合作用。在研究汽车风噪声领域，主要考虑自然风的频率变化，而对于侧风稳定性的研究，主要考虑侧风的大小和方向的变化。
按照侧向风产生的原因，可以将其分为自然侧风和环境侧风。自然风是地球表面大气无规则流动的自然现象，垂直方向上的大气流动称为对流，水平方向的大气流动形成自然风，其强度和方向有可能是不稳定，随机的。环境风是由于汽车行驶周围的环境导致的，如汽车穿越隧道，行径山脉隘口或峡谷，过桥墩，会车及汽车通过公路两旁有高层建筑群等，都会不同程度得受到环境风所产生的侧向气动力。
按照侧风的强度和方向的变化，上述两种侧风又有稳态和非稳态之分。稳态侧风是指可以用数学函数精确表达其风谱特征的侧风。典型的稳态侧风包含风速为常量、线性、阶跃、正弦波特性变化四种。稳定的空气流动是自然风的一个特例，其风速与时间无关，在自然界中几乎不存在。这种风有利于研究侧风对汽车稳定性影响的规律，在汽车侧风敏感性道路试验或风洞试验中，采用侧风发生器或风机可以模拟这种稳定风。非稳态侧风是指那些大小和方向都是随机变化的，只能借助统计特征来描述其风谱特性的侧风，它是汽车侧风稳定性研究的重点和难点，一般只能通过在实际道路上进行试验的方法来研究。在实际研究中，根据侧风作用的区域和汽车的运动范围，通常视风向不变，侧风大小简化为稳态侧风；如果侧风持续的时间长，作用范围大时，将侧风的作用强度简化为平均和线性变化的稳态侧风模型；如果持续时间短且作用范围小，将作用强度简化为阵风模型。