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技术领域

本发明涉及计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)技术领域， 具体地，涉及一种基于CFD技术优化车体外形的分析方法。

背景技术

车身的流线型的好坏不能忽视，因为它直接影响车的油耗。汽车风阻系数与安全 性与风阻有关的气动力学特性方面，车身设计除了必须符合流线型，还要兼顾底盘顺 畅的空气流动，风阻系数对于车辆的稳定性和安全性有密不可分的关系。流线型的车 身是最理想的气动力学结构，可以减少纵向空气阻力，还可以减轻侧风对汽车的影响， 尤其是在汽车高速行驶状态下，可以产生强大的向下空气压力，确保了汽车的高速稳 定性和安全性。

目前，国内未见有基于CFD技术优化车体导流罩的发明专利公开，但在汽车设 计相关企业内部，存在基于CFD技术优化车体导流罩的现象。但皆涉及使用复杂的 全英文FLUENT或Star CD等软件进行求解，前处理需要一种专门划网络的软件，例 如GAMBIT和后处理又要使用一种专门软件，如Tecplot，这样一来模拟分析流程非 常复杂和繁琐，对工程技术人员的技术背景和英文水平要求极高。而且，这些CFD 技术的应用，未涉及到如何用一种直观简单方便快捷的软件来高效率模拟车体导流 罩，以便优化汽车外形结构的方法。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在操作过程复杂、适用范 围小和可靠性低等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于CFD技术优化车体外形的分 析方法，以实现操作过程简单、适用范围广和可靠性高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于CFD技术优化车体外形 的分析方法，包括：

a、基于待处理的车体外形，进行CFD前处理；

b、基于CFD前处理的结果，进行CFD求解；

c、基于CFD求解的结果，进行CFD后处理。

进一步地，所述步骤a，具体包括：

(1)确定模拟汽车外形的简化模型；

(2)初始设置及边界条件设置；

(3)网格划分。

进一步地，所述步骤⑴，进一步包括：

使用SolidWorks软件CAD模块，根据所需对整车建立三维结构，并根据求解需 要进行整个模型进行简化处理：

①对建立的三维结构表面的小圆角进行去除处理，并对建立的三维结构表面的小 尖角进行平滑处理；

②对建立的三维结构中车体外入口和出口进行封闭处理；

③对建立的三维结构中理论上没有空气流经的部位进行封闭处理。

进一步地，所述步骤⑵，进一步包括：

使用SolidWorks软件CFD模块Flow Simulation插件，根据所需模拟的车体外形 实际情况，选择分析类型、定义流经汽车外气体的物理性质、设置边界条件和流场初 始化；

定义求解目标、设置收敛因子。

进一步地，所述步骤⑶，进一步包括：

按车体外部结构具体情况划分，将狭小通道、间隙及要观察位置的网格细化，在 整个汽车外空间划分结构化网格。

进一步地，所述步骤b，具体包括：

经过对包含风阻系数定义、风速、壁面边界条件的相关参数进行设置，开始迭代 运算，系统会根据当定义的求解目标值的稳定性判断收敛情况。

进一步地，所述步骤c，具体包括：

对CFD求解的结果进行分析，应用后处理观察汽车外空气流动场，以流体在汽 车外的速度均匀性、速度切片云图、压力切片云图、流线轨迹、背压来综合预测车体 风阻情况。

本发明各实施例的基于CFD技术优化车体外形的分析方法，由于包括：a、基于 待处理的车体外形，进行CFD前处理；b、基于CFD前处理的结果，进行CFD求解； c、基于CFD求解的结果，进行CFD后处理；从而可以克服现有技术中操作过程复杂、 适用范围小和可靠性低的缺陷，以实现操作过程简单、适用范围广和可靠性高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实 施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明中前处理结果，(a)项目1(无导流)，(b)项目2(导流I)，(c)项 目3(导流II，将项目2的导流罩前置500mm)；图1(a)为本发明中一辆没有导流罩 的车体简化模型；(b)在(a)的基础了，加了一个导流罩；(c)在(b)的基础上把导流 罩整体前置500mm；

图2为本发明中车体表面压力云图，(a)项目1(无导流)-级别数10，(b)项目1 (无导流)-级别数100，(c)项目2(导流I)-级别数10，(d)项目2(导流I)-级别数 100，(e)项目3(导流II)-级别数10，(f)项目3(导流II)-级别数100；

图3为本发明中流场中的速度云图(取中面)，(a)项目1(无导流)-级别数20， (b)项目1(无导流)-级别数100，(c)项目2(导流I)-级别数20，(d)项目2(导流I) -级别数100，(e)项目3(导流II)-级别数20，(f)项目3(导流II)-级别数100；

图4为本发明中流场中的速度流线图，(a)项目1(无导流)-级别数100，(b)项目 2(导流I)-级别数100，(c)项目2(导流II)-级别数100；

图5为本发明中风阻系数对比，(a)项目1(无导流)，(b)项目2(导流I)，(c) 项目3(导流II)；

图6为本发明中风阻力对比，(a)项目1(无导流)，(b)项目2(导流I)，(c)项 目3(导流II)。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-驾驶室；2-前保险杠；3-遮阳板；4-导流罩；5-车厢。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1-图6所示，提供了一种基于CFD技术优化车体外形 的分析方法，可以克服现有技术中直接进行理样机风洞实验成本高昂、反复实际操作 过程复杂等缺陷，以实现操作过程简单、适用范围广和可靠性高的优点。

本发明的技术方案，属车用零部件设计领域，也可属于计算机软件分析领域，特 别是提出了一种基于CFD技术分析汽车外形效果的模拟分析，主要应用于车体导流 罩的选择、整车风阻系数预测、汽车外形结构设计等。

本发明的技术方案，基于先进CFD技术对汽车外流场预测和验证，再通过样机 进行实验检测，最终定型，实现了减少物理样机的制作次数和成本，缩短了产品开发 的周期，还提高了产品的综合性能与质量，充分体现了运用CFD技术分析优势，在 汽车行业，具有实用性。

本发明的技术方案，涉及一种基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics， 简称CFD)技术对汽车外形结构选择的模拟分析方法，尤其针对汽车行业常见的两种 催化体，各向同性及单向催化体，进行选择。需要先对车体外形进行三维建模，再应 用CFD软件(本发明以SolidWorks Flow Simulation软件为例)对车体外的流体构建 网格，根据实际情况定义气体物理性质、设置初始条件和边界条件，求解后，应用后 处理观察汽车外空气流动场，以流体在汽车外的速度均匀性、速度切片云图、压力切 片云图、流线轨迹、背压来综合预测车体风阻情况。

本发明的技术方案，采用CFD技术模拟汽车外气流情况，预测汽车外净化效果 来判断催化体及汽车外形总体设计的合理性，利用分析、比较和评价，选出最优方式， 可改善设计，指导现场净化效果的设置，对设计不当的地方提出修改意见。

本发明的技术方案，可预测了车体外形的背压、并可直观地观察到催化体内流体 的分布，可间接反映出催化体对汽车尾气的净化效率，以便于在实际中，对不同排放 要求的车型，选择合适的催化体。

本发明的技术方案，仅需要使用一款软件——SolidWorks，首先使用其CAD模块 进行三维建模，再使用其CFD模块进行前处理(结构简化、网格划分)、求解器计 算、后处理(速度场、压力场及均匀性分析)，操作简单快捷。

本发明的技术方案，包括：

a、基于待处理的车体外形，进行CFD前处理；步骤a，具体包括：

(1)确定模拟汽车外形的简化模型；步骤⑴，进一步包括：

使用SolidWorks软件CAD模块，根据所需对车体外形建立三维结构，并根据求 解CFD前处理需要，对车体外形的三维结构进行简化：①对表面的小圆角进行了去 除处理、小尖角进行平滑处理；②对车体外入口和出口进行封闭处理；③对原则上没 有空气流经的部位进行封闭处理等。在图1中，该待模拟汽车包括驾驶室(如驾驶室 1)，设在驾驶室前方的前保险杠(如前保险杠2)，设在驾驶室前窗中部的遮阳板(如 遮阳板3)，设在驾驶室顶部的导流罩(如导流罩4)，以及设在驾驶室后方的车厢 (如车厢5)。

(2)定义计算域；步骤⑵，进一步包括：

使用SolidWorks软件CFD模块Flow Simulation插件，根据所需模拟的实际情况， 将分析类型定义为外部，流体选择为空气，设置边界条件和流场初始化；

定义求解目标、设置收敛因子。

(3)初始设置及边界条件设置；步骤⑶，进一步包括：

按车体外部结构具体情况划分，将狭小通道、间隙及要观察位置的网格细化，在 整个汽车外空间划分结构化网格。

(4)网格划分；

b、基于CFD前处理的结果，进行CFD求解；步骤b，具体包括：

经过相关参数设置后，开始迭代运算，系统会根据当定义的求解目标值的稳定性 判断收敛情况。这里，相关参数设置可以包括：(1)固体区与流体区物性参数均设 为常数；(2)流动为定常流动中的湍流；(3)忽略车体外表面的摩擦阻力；(4) 忽略流体温度的影响。

c、基于CFD求解的结果，进行CFD后处理；步骤c，具体包括：

对结果进行分析，应用后处理观察汽车外空气流动场，以流体在汽车外的速度均 匀性、速度切片云图、压力切片云图、流线轨迹、背压来综合预测车体风阻情况。

具体地，本发明的技术方案，提供了一种基于CFD技术的汽车外形结构优化模 拟分析方法；采用SolidWorks软件实现气流在车体外模拟，可协助预测汽车外形的 净化效果；详细步骤如下：

1)CFD前处理

(1)确定模拟汽车外形的简化模型(使用SolidWorks软件CAD模块)，根据所 需对整车建立三维结构，并根据求解需要进行简化；

(2)初始设置及边界条件设置(使用SolidWorks软件CFD模块Flow Simulation 插件)，根据所需模拟的汽车外实际情况，选择分析类型、定义流经汽车外气体的物 理性质、设置边界条件和流场初始化。定义求解目标、设置收敛因子。

(3)网格划分

按汽车外结构具体情况划分，将狭小通道、间隙及要观察位置的网格细化，在整 个汽车外空间划分结构化网格。

2)CFD求解

经过相关参数设置后，可开始迭代运算，系统会根据当定义的求解目标值的稳定 性判断收敛情况，一般认识本步计算与上一步计算值相差小于一个微小值(通常是 10^-5)时，可认为求解达到收敛。

3)CFD后处理

即结果分析，应用后处理观察汽车外空气流动场，以流体在汽车外的速度均匀性、 速度切片云图、压力切片云图、流线轨迹、背压来综合预测车体风阻情况。

本发明采用CFD技术模拟汽车外气流情况，预测汽车外净化效果来判断催化体 及汽车外形总体设计的合理性，利用分析、比较和评价，选出最优方式，可改善设计， 指导现场净化效果的设置，对设计不当的地方提出修改意见。

本发明可预测了车体外形的背压、并可直观地观察到催化体内流体的分布，可间 接反映出催化体对汽车尾气的净化效率，以便于在实际中，对不同排放要求的车型， 选择合适的催化体。

更具体地，本发明的基于CFD技术分析汽车外形净化效果的方法，包括以下步 骤：

S1：建立汽车外形三维模型；

S2：确定汽车外形进口和出口的具体设置；

S3：确定网格划分设置；

S4：设定其他边界条件和初始条件；

S5：求解；

S6：后处理，根据s1-s5的设置求解收敛后，可通过模拟计算出有毒气体在汽车 外的扩散路径、速度分布、浓度场分布等，以流体在汽车外的速度均匀性、速度切片 云图、压力切片云图、流线轨迹、背压来综合预测车体风阻情况。

本发明采用CFD技术模拟汽车外气流情况，预测汽车外净化效果来判断催化体 及汽车外形总体设计的合理性，利用分析、比较和评价，选出最优方式，可改善设计， 指导现场净化效果的设置，对设计不当的地方提出修改意见。

S7：综合判断所有指标是否合理，若是，则可确定净化效果的设计方案；

S8：若否，则根据预测情况对汽车外三维模型进行修改调整，重新设计汽车外结 构和净化效果，并返回步骤S 1进行重新建模。

S9：对比从多个设计方案，选出最佳，确定并输出汽车外净化效果的最终方案。

与现有的技术相比，本发明的技术方案带来的优点或有益效果：

⑴本方法集前处理、求解、后处理于一体，避免了之前用三种软件分开处理的繁 琐流程，不再像原来那么复杂繁琐，大大节约时间。

⑵本方法的网格处理可直接根据计算域内的流体所存在空间生成，无需进行空间 逆向建流体的三维模型，大大节约时间。

⑶本方法的后处理比已公开的方法更直观，后处理的展示，流体可与实物结构模 型共同展示，无需逆向思维观察，方便无CFD经验的人理解，通俗易懂。

⑷目前暂未有基于CFD技术优化车体外形的分析方法的专利公开。

入口边界：入口速度30m/s(考虑到车速在100km/h情况下，约为27m/s，按黄 贵东老师，其也设入口速度为30m/s)；出口边界：压力出口边界；地面、顶面、侧 面：壁面边界。

注：虽然项目2的网络总数大于项目1，但项目2的计算时间与迭代次数都小于 项目1，说明依其结构画出的网络比较流畅。表中项目2(导流I)是导流罩原始设计， 项目3(导流II)是导流罩前置500mm的设计。

在表1中，项目4中进行进一步优化处理的理想的情况是：若想把风阻降到最低， 是需要不断地优化，更改结构的，如：项目2是对项目1的改进，项目3是对项目2 的改进，可能还能往下改进，但要看现实中的时间和精力。举个例子，可能前置497mm 可能比500mm更好。

1.5风阻系数定义式

风阻系数的定义式：C_t＝2F_t/ρU²S；式中，F_t是风速方向上作用在实体上的 气动阻力，S为实体正面投影面积，ρ是空气密度，U为车速。

计算结果，经过迭代计算得到结果如下：

2.1车体表面压力云图，参见图2。

注：级别数指生成云图时的层次，层次高(即级别数高)，则过滤流畅，但不方 便设计洞察，各有利弊。

2.2流场速度云图(取中面)，参见图3。

2.3汽车流线图(3D)，参见图4。

2.4风组系数，参见图5。

2.5迎风阻力，参见图6。

注：表2中项目1的风阻力和风阻系数为从迭代1000-1500次之间取平均值，项 目2的风阻力和风阻系数为从迭代200-454次之间取平均值，项目3因收敛好，曲面 在收敛前一直呈下降趋势，取最后5次迭代取平均值，依据均由图5、图6由稳定计 算数据中取得。

参见图5和图6，可以得出以下结论：

(1)项目1(无导流)、项目2(导流I)、项目3(导流II)的迎风阻力依次由 2358N降低至2111N，再降低至1761N，风阻系数由0.784降低至0.689，再降低至 0.571。

(2)由上可知，导流罩的加入，确实起到了降低风阻的作用，且通过优化结构， 可进一步降低风阻。而结构优化的方向，导流罩的外形设计(如图6所示)应尽量符 合无导流时的流线轨迹。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依 然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等 同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。