面向侧风行驶安全性的车身外流场湍流数值模拟与优化(9)
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。
3.侧风作用下汽车外流场的数值模拟
3.1侧风模拟方法
车辆在行驶过程中遇到侧风的情形如图3-1所示。图中v1为侧向风速，v2为车辆的行驶速度，vR为车速与侧向风速的合成速度，α为横摆角。对于侧风状态下车辆气动特性分析的计算方法一般可分为2类。 图3-1 侧风示意图
(1)“偏车” 即根据不同的车速和侧风风速计算得出相对应的横摆角α，在建模时，将车辆模型偏转相应的角度α，如图3-1(a)所示(这里称为‘方法一’)。在这种情况下，车辆模型与y轴的夹角为α，入口速度的大小应为车速与侧向风速的合成速度vR，方向沿y轴负向。
(2)“偏风” 改变v1和v2，用于模拟轿车行驶时受到各种大小不同、方向垂直于轿车纵向对称平面的侧风影响状况。即在模型建立时不偏转车辆模型的角度，而在入口和左壁面(侧风作用面)的条件设置时根据车速和侧风风速的大小、方向进行相应设置。对于这种计算方法，在入口和左壁面条件设置时又有2种方式。一种是入口速度的大小设置为相对应的车速v2：，方向为y轴负向，左壁面速度设置为相对应的侧风速度v1．，方向为x轴正向p1(如图3-2(b)所示，称为‘方法二’)。另一种是入口速度和左壁面速度大小均为车速v2：与侧向风速v1的合成速度vR，速度方向与车辆模型间的夹角为α(如图3-2(c)所示，称为‘方法三’)。
（a）方法一计算域示意图
（b）方法二计算域示意图
（c）方法三计算域示意图
图3-2 三种方法计算域示意图
综合研究侧风模拟方法文献[8]的结果及实际情况，本文选择第三种方法，运用合成风来进行本次设计的汽车外流场数值模拟。侧风设置如图3-3所示，根据表2-1中侧风参数分别做不同风速下数值模拟。
图3-3 本次数值模拟侧风引入示意图
3.2侧风作用下汽车外流场模拟过程
3.2.1模型建立
本文采用UG建模软件通过曲面成型，按照1：1的比例建立模型。为了避免汽车外部配件等对车身流场的干扰，同时减小计算量，保证计算可行性，本文所用的汽车模型忽略了后视镜、门把手、雨水槽、排气管等外凸装置和复杂曲面，省去轮胎简化了车身底部，没有考虑小尺度的凹凸不平，只选取了大尺度的高低凹凸，见图 3-4。简化车身模型长 L 为5627mm，宽 W 为 2190mm，高 H 为 1850mm