FLUENT阻力系数和升力系数计算案例

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1 前言

    阻力系数，指的是物体（如飞机、导弹、汽车）所受到的阻力与气流动压和参考面积之比，是一个无量纲量。升力系数，指物体所受到的升力与气流动压和参考面积的乘积之比，也是一个无量纲量。今天，我们做一个非常经典的简化小车模型的阻力系数和升力系数计算案例。

2 建模与网格

    建立如下的Ahmed模型，圆角面为迎风面，本案例取尾部的倾斜角为25°。该问题为外流场计算，整个计算域取长度8L（气流方向），宽度和高度各2L，另外迎风面与上游入口距离2L。

    鉴于模型的对称性，本案例只建立一半模型，采用FLUENT meshing模块划分多面体网格，对Ahmed模型的壁面网格进行细化，同时边界层网格取15层，网格节点数约263万，最小正交质量0.2。

3 边界条件与求解设置

    本案例采用SST k-ω湍流模型。

    按如下设置边界条件，入口采用速度入口边界，速度25m/s；出口采用压力出口，表压为0Pa；计算域的顶部、底部、侧边和对称面均采用对称边界条件，这在外流场计算中是常用的设置方式，但是要注意计算域边界的选取要离分析对象足够远，这里底部的对称条件模拟了风洞地板上的滚动路面；Ahmed模型的壁面均采用无滑移壁面边界。

    压力-速度耦合采用SIMPLE算法，动量、湍动能和湍流耗散率的离散均采用二阶迎风格式。

    本案例计算阻力系数和升力系数，根据相关定义，需要设置如下参考值。其中，面积采用模型在x方向即风场方向上的投影面积，但是本案例采用了对称模型，因此计算的阻力和升力都是全模型的一半，故参考面积也应为整模型的一半。

    设置两个监视器，分别监测阻力系数和升力系数（壁面区域选择Ahmed模型所有面），以判断收敛性。

    其他设置采用默认即可，从入口初始化，稳态计算。

4计算结果

    首先，我们看一下阻力系数和升力系数的监视结果，可以看出经过约200次迭代计算后达到收敛。

    观察对称面上的速度和压力分布，可以看出模型迎风面的压力最大，模型尾部的速度非常小，这个区域存在两个涡流，这可以从下图的速度矢量上看出来。

    再看一下对称面上的湍流强度和湍动能分布，可以看出分布在尾部的湍流强度和湍动能显著高于其他区域。

    接下来对Ahmed模型进行受力分析，计算如下，x方向为阻力，z方向为升力，注意建模时需要对应好坐标。该报表的阻力系数与升力系数和监视器监测的结果是一致的，也可以将前面的总受力除以参考面积和参考动压的乘积即可得到相应的系数。

    本案例的阻力系数和升力系数计算结果同参考文献结果对比如下。

    另外，各个面的阻力系数贡献如下，注意建模时需要对这些面各自单独命名，不然没法单独计算。

参考文献

[1] A CFD and Experimental Study of an Ahmed Reference Model

[2] Comparisons between CFD and experimental results for a simplified car model in wall proximity

[3] CFD Study of Flow over a Simplified Car (Ahmed Body) Using Different Turbulence Models