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外空气动力学及气动噪声


气动性能分析是从空气动力学角度分析汽车动力性、经济性和操作稳定性,各大汽车厂商都致力于降低空气阻力、改善气流升力。这也是风洞技术最早引入汽车设计的研究方向,更是CFD数值模拟方法在汽车设计中最成熟的应用方向。
  

ANSYS CFD数值模拟方法与传统的风洞试验相比,不再局限于测量有限个点处的空气流动属性,而是直接获得整车附近完整空间的流动属性,从而可以让设计者获知一些复杂的空气流动现象,为气动减阻、降噪等问题提供帮助,而这正是传统风洞试验无法详细获知的。



车身附近的流线图



车身表面的压力分布云图及车身附近的湍流动能等值面图



空气动力学


汽车空气动力学是研究汽车在流场中所受到的以阻力为主的包括升力、侧向力的三个气动力及其相应的力矩(即六分力)的作用。汽车的空气动力特性对汽车的动力性、燃油经济性和操纵稳定性都有着直接的影响。


空气动力学领域的应用案例:Volvo XC60空气动力学性能优化


基于数十年在空气动力学领域的工程仿真经验和软件使用的最佳实践,ANSYS开发了一套用于空气动力学性能优化的标准仿真流程。这套标准流程构建在ANSYS Workbench平台下,其主要内容包括:

1.在ANSYS Fluent中进行前处理网格生成及流场仿真计算时的最佳实践

2.使用HPC高性能计算功能来缩短仿真计算的时间

3.在原车型的基础上,使用RBF Morph进行汽车外形的参数化改变

4.使用DesignXplorer以整车的气动阻力降低作为优化目标,对外形的变化参数进行优化分析
  

Volvo公司使用ANSYS的这套标准仿真流程,实现了对XC60车型的空气动力学性能优化仿真。
  

Volvo公司针对XC60原车外形设定了4处可以进行参数化变动的变量,并在变量的设计空间内定义了50个设计点进行DOE分析,最终通过优化算法得到了在设计空间内的最优气动外形设计方案,这套仿真流程有着极强的工程实用价值。



使用RBF Morph,实现对原车外形的参数化变形,共定义了4个参数化变量。


左:车尾两侧角度;    右:车顶后段下倾角度


左:座舱后部角度;   右:前端扰流板角度


使用DesignXplorer,定义设计空间,对4个参数化变量进行寻优。




原车型受到的气动阻力为388.01 N,经过优化分析后的气动阻力为372.30N,降低了约4%的气动阻力。



原车型



优化后



气动噪声


汽车的噪声水平是其重要性能参数之一,是影响车内舒适性的主要因素。气动噪声是由于气流流过车体表面引起的气流压力扰动产生,它起因于气体内部的脉动质量源(单极子噪声源)、作用力的空间梯度(偶极子噪声源)和应力张量的变化(四极子噪声源)。


气动噪声领域的应用案例:克莱斯勒外后视镜降噪仿真


克莱斯勒使用ANSYS Fluent的CAA模型,对比了两款不同的后视镜造型在侧窗打开时驾驶员和乘客的左右耳感受到的气动噪声。
  

改进的外后视镜设计相比原始设计带来了13分贝的噪声值降低,提升了驾驶舒适性。



计算模型



运行速度60mph、偏航角5度时的截面压力云图和速度云图



使用不同湍流模型计算的噪声结果



后视镜原始设计和改进设计的气动噪声结果


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