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乘用车空气动力学仿真技术规范（T/CSAE112-2019）
2020-08-28 23:50:20· 来源：中国汽车工程学会汽车空气动力学分会
1 范围本标准用于规范及指导乘用车空气动力学仿真技术以及业内交流。本标准适用于七座（含七座）以下乘用车。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不
1 范围
本标准用于规范及指导乘用车空气动力学仿真技术以及业内交流。
本标准适用于七座（含七座）以下乘用车。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB 3100-1993 国际单位制及应用
GB 3101-1993 有关量、单位和符号的一般原则
Xxxxxxxxxxxx 乘用车空气动力学性能术语和定义
SAE J2966TM Guidelines for Aerodynamic Assessment of Medium and Heavy Commercial Ground Vehicles Using Computational Fluid Dynamics
3 术语和定义
3.1 空气动力学坐标系 Aerodynamic coordinate system
车辆或模型的空气动力学坐标系如图1所示，坐标系原点位于车辆轴距中心线和轮距中心线在地面上投影的交点。
图1 空气动力学坐标系
图2 自由来流速度
3.1 x轴：x axis
x轴正方向为车辆向后，与y轴、z轴形成空气动力学坐标系，如图1所示。
3.2 y轴： y axis
y轴正方向为车辆向右，与x轴、z轴形成空气动力学坐标系，如图1所示。
3.3 z轴： z axis
z轴正方向为车辆向上，与x轴、y轴形成空气动力学坐标系，如图1所示。
3.4 ：车辆速度Vehicle velocity
车辆在x方向的速度矢量，如图2所示
3.6 w：风速Wind velocity
在x-y平面上相对于x方向成θ角，且大小为Vw的风速矢量，如图2所示。
3.7 V∞：自由来流速度Freestream speed
大小相对于车辆速度矢量的风速矢量，，如图2所示。
3.8 ψ：横摆角Yaw angle
车辆行驶方向（-x轴方向）和自由流速度V∞之间的角度，车头向右为正。
3.9 D:气动阻力 Drag
作用在x轴方向的气动力，x方向为正，FX=D。
3.10 S:气动侧向力Side force
作用在y轴方向的气动力，y方向为正，FY=S。
3.11 L:气动升力 Lift
作用在z轴方向的气动力，z方向为正，FZ=L。
3.12 RM:侧倾力矩 Rolling moment
绕x轴的气动力矩，车辆右侧向下（右倾）为正。
3.13 PM:俯仰力矩 Pitching moment
绕y轴的气动力矩，车头抬起为正。
3.14 YM:横摆力矩Yawing moment
绕z轴的气动力矩，车头向右为正。
3.15 CD:阻力系数 Drag coefficient
表征物体与流体发生相对运动时产生的阻力大小，无量纲参数。
3.16 CS:侧向力系数 Lateral force coefficient
表征物体与流体发生相对运动时产生的侧向力大小，无量纲参数。
3.17 CL:升力系数 Lift coefficient
表征物体与流体发生相对运动时产生的升力大小，无量纲参数。
3.18 A:正投影面积Frontal area
车辆在其正前方平行于x方向的光照射下投射到车后垂直于x方向的屏幕上的投影面积。
3.19 WB:轴距 Wheelbase
通过汽车同一侧面相邻两车轮中心，并垂直于汽车纵向对称平面的两垂线之间的距离。
3.20 车辆姿态 Vehicle altitude
根据车辆设计状态及对应的车辆配重而确定的车辆姿态，以轮眉高度Ht表示。
3.21 Ht：轮眉高度 Trim height
车辆水平放置时，轮眉到地面的最大垂直距离。
Htf：前轮眉高度 Front trim height
车辆水平放置时，前轮轮眉到地面的最大垂直距离，如图3所示。
Htr：后轮眉高度 Rear trim height
车辆水平放置时，后轮轮眉到地面的最大垂直距离，如图3所示。
图3 轮眉高度
3.22 计算流体动力学 Computational fluid dynamics（CFD）
一种使用计算机求解流动、传热和相关传递现象的系统分析方法和工具。
3.23 仿真模型 Simulation model
用于进行数值模拟的计算机数字模型。
3.24 流场 Flow field
计算流体介质所占据的空间区域。
3.25 雷诺数 Reynolds number
表征流体惯性力与粘性力的比值大小，无量纲数。Re=ρV∞dc/μ。，dc为一特征长度，通常取整车长度。用以表征流体流动情况，可作为流动特性的判断依据。
3.26 边界层Boundary layer
流体与固体壁面之间因流体粘性力引起的贴附于固体壁面的流体薄层，以0~99%来流速度的梯度层作为边界层的厚度。
3.27 计算域 Simulation domain
在CFD数值模拟过程中参与数值计算的区域，其几何边界一般包括进口、出口和周围壁面。
3.28 加密区域 Refined region
针对仿真流场中的关键或流动复杂区域，进行局部网格加密处理的区域。
3.29 流场进口 Inlet
定义计算域的进口边界上速度、压力、流量或其它相关参数的一种边界条件。主要包括速度进口、压力进口、质量流量进口等条件类型。
3.30 流场出口 Outlet
定义计算域的出口边界上速度、压力、流量或其它相关参数的一种边界条件。主要包括自由流出口、压力出口等类型。
3.31 旋转边界条件 Rotational boundary condition
定义车辆上旋转零部件（如风扇、车轮）的一种边界条件，主要有旋转壁面、运动参考坐标系（MRF）和滑移网格（Sliding mesh）三种设置方法。
3.32 滑移壁面 Slip-wall
滑移壁面的法向速度为零，且压力梯度为零。
3.33 多孔介质 Porous media
CFD仿真中针对具有孔隙形态零部件的近似仿真模型。
3.34 稳态计算 Steady-state simulation
一种近似计算，在数值仿真中把流动视为稳定流动，假设计算域内任意位置的物理量不随时间变化的计算，求解过程中不包含对时间的离散，所求得的是物理量稳定时的状态。
3.35 瞬态计算 Unsteady-state simulation
基于流场中的各项变量随时间改变的前提进行的计算，求解过程中包含对时间的离散，所求得的是物理量随时间发展的过程。
3.36 N-S方程 Navier-Stokes equation
描述牛顿流体动量守恒的运动方程组。
3.37 LBM方法 Lattice-Boltzmann method
对波尔兹曼方程进行离散求解，研究流体力学问题的一种方法。该方法在介于微观和宏观的层面，离散并求解分布函数，进而统计推导出速度、压力、密度等宏观物理量。
3.38 雷诺平均模型 RANS Reynolds Averaged N-S model
工程流体动力计算中使用最为广泛的一种湍流模型，其求解时间均值的N-S方程，其包括模型，k-模型及雷诺应力模型。
k-e模型K-e model
两方程模型，求解湍流动能 k 和湍流耗散率。
标准k-e模型 Standard k-emodel
k-e模型的一种，特点是应用多，计算量适中，有较多数据积累和相当精度，但对于曲率较大、较强压力梯度、有旋问题等复杂流动模拟效果欠佳。
重整化群k-e模型 Renormalization Group k-e model
k-e模型的一种，特点是能模拟射流撞击、分离流、二次流、旋流等中等复杂流动，但要受到旋涡粘性各向同性假设限制。
可实现k-e模型 Realizable k-model
k-e模型的一种，同重整化群k-e模型基本一致，还可以更好地模拟圆孔射流问题，但要受到旋涡粘性各向同性假设限制。
标准k-w模型 Standard k-w model
k-e模型的一种，特点是对于壁面边界层、自由剪切流、低雷诺数流动较好，适用于逆压梯度存在情况下的边界层流动和分离、转捩。
剪切应力传输k-w模型 Shear Stress Transport k-w model
与标准k-w基本一致，由于对壁面距离依赖性强，因此不太适用于自由剪切流。
雷诺应力模型 Reynolds Stress model
是最符合物理解的RANS模型，避免了各向同性的涡粘假设，占用较多的CPU时间和内存，较难收敛，适用于复杂3D流动。
3.39 大涡模拟LES Large eddy simulation
为获取湍流运动的细节，对在空间上滤波获得的大尺度涡运动使用直接数值模拟，而对滤波获得的小尺度涡运动对大尺度涡运动的影响使用亚格子模型模拟的方法。
3.40 分离涡流模拟 DES detached eddy simulation
LES方法与雷诺时均方法的混合，既能有接近于LES的计算精度，又能极大减少对计算节点数量要求。
3.41 交界面 Interface
CFD仿真中不同计算域之间的结合面，或者用来定义车辆上能够进行零厚度处理的零部件。
3.42 Y+ Y Plus
表征边界层中某点到壁面的相对距离，用当地壁面切应力归一化的无量纲数。特指近壁第一层网格节点对应的Y+，用以评估近壁网格法向尺度的大小。，为近壁面节点P到固壁的距离，为壁面切应力。
3.43 速度云图 Velocity contour
表征给定平面上速度场大小的图。
3.44 压力系数 Pressure coefficient
流体动力学中遍布整个流场的相对压力，无量纲数。
3.45 压力系数云图 Pressure coefficient contour
表征给定平面上压力系数大小的图。
3.46 速度矢量云图 Vector contour
表征给定平面上速度矢量大小及方向的图。
3.47 面剪切力 Shear stress
流体沿着壁面运动时，对壁面产生的切向力。
3.48 面剪切力云图 Shear stress contour
表征给定平面上剪切力大小的图。
3.49 等值面 ISO surface
空间中由所有点S=｛（x，y，z）：F（x, y, z）=Ft｝组成的一个曲面。其中，Ft为某一给定值。
4 仿真的内容及流程
4.1 仿真内容
乘用车空气动力学仿真分析是应用CFD软件对车辆周围的流场进行数值模拟，获得车辆在行驶时所受到的气动六分力系数、前舱进气量及相关流场信息。通过对这些参数的分析，评价汽车的气动性能。
4.2 仿真流程
乘用车空气动力学仿真分析常用流程主要包括几何数据准备、仿真模型建模及检查、生成计算节点、求解器设置、仿真求解、仿真分析结果评估、仿真结果输出及分析报告编写8个部分，具体参见附录A。
5 仿真模型建立
5.1 仿真模型建模
坐标系
乘用车空气动力学坐标系如图1所示。
仿真模型建模时采用默认的全局坐标系，对车轮、冷却系统等边界定义坐标系与全局坐标系不一致时，需增加相应的局部坐标系。
单位制
单位制的选择应按照GB3100-1993和GB3101-1993执行。乘用车空气动力学分析建模时推荐采用SI单位制，如表1所示。
仿真模型建模要求
一般要求
在仿真模型建模前，应根据仿真目的、预估计算时间和计算资源制定仿真模型建模方案。使用者可参考特定软件的使用指南或最佳实践进行建模。仿真模型宜按1:1的比例关系建立。仿真模型应准确地表达设计车的几何信息，基本要求有：
a) 乘员舱、发动机、油箱、排气系统的内部空间可进行封闭，将其排除在计算域之外，以提高计算收敛性及节约计算资源。
b) 发动机舱内部气流流动应被模拟，仿真模型中若为传统格栅，建模时格栅处于开启状态。如果为外置式主动栅，则不同工况开启不同，也可能是关闭的。所以，格栅状态根据对应工况处理，符合仿真需求即可。
c) 车辆仿真模型按照设计部门提供的车辆姿态进行建模。
d) 基于N-S方程的软件求解时，在整车模型外部建立长方体计算域，用以模拟风洞试验区域，计算域模型边界示意图，如图4所示。计算域尺寸示意图，如图5所示。推荐计算域尺寸应保证边界不影响车辆周围的流动特性，同时满足在不同横摆角的仿真计算要求。计算域推荐尺寸如表2所示。
e) 在确保分析精度的前提下，可对模型中不影响计算结果的几何细节进行简化，模型的简化应符合以下要求：
1) 去除模型中对气流流动影响小的细小零件，如螺栓、卡扣、垫片、线束等。
2) 整车模型表面对于后视镜区域、A柱区域及侧窗密封条区域，应保留缝隙；对于模型中小于3mm的凹槽和缝隙可以用平滑的曲面补平，但不能存在尖角、干涉、重叠、扭曲的面。
3) 定位孔、螺栓连接孔，可直接密封；乘员舱地板以及前壁板上，有较多连通内外的缝隙或孔洞，根据分析要求进行简化处理，推荐直径大于30mm的孔应保持原有特征。
冷却系统建模要求
冷却系统，如散热器、冷凝器、中冷器（涡轮增压发动机）等，均采用相似的处理方式。如图6所示为散热器的建模方式，将散热器划分为三部分：迎风面、背风面及四周壁面。
车轮建模要求
如需模拟车轮旋转工况，常用的建模方式有2种：
a) 基于N-S方程的软件求解时，轮胎与地面可保持原状态建模，在车轮轮辐周围建立旋转区域的交界面，如图7所示。
b) 基于LBM方法的软件求解时，可按照车轮的数模建模，车轮和地面可以干涉，无需做特殊处理。干涉的尺寸建议在实车上测量轮心到地面的高度。
冷却风扇建模要求
模型中冷却风扇有无扇叶，不同车型风阻计算结果影响不同。推荐冷却风扇设定为静止状态。
5.2 生成计算节点
仿真模型应保证各个重要的局部流场的真实模拟。可根据各自的计算资源等条件，合理设定生成计算节点的尺寸，计算节点规模。
基于N-S方程网格划分要求
a) 整车模型面网格划分以保持原有几何形状为前提，为保持网格重构时的车体几何特征，可主要针对计算域、冷却模块交界面、车体表面的关键特征，生成特征线、设置防接触。面网格推荐尺寸如表3所示。
b) 整车体网格类型有四面体、多面体、切割体，推荐使用切割体网格类型，采用稳态计算时，体网格数目推荐不少于3000万，采用瞬态计算时，体网格数目推荐不少于6000万。
c) 合适的Y+值要依据雷诺数及壁面处理方式来确定。对于可实现的k-湍流模型，车体表面的Y+值应低于300（推荐值是30到100之间）；对于DES湍流模型，车体表面的Y+值约为1。
d) 车体附近的气流受车体的影响会产生速度梯度，设置4级体网格加密区，加密区网格尺寸分别为8mm、16mm、64mm及128mm的加密域控制，如表4所示。图8、图9所示为某轿车加密区域范围示意图。
基于LBM方法计算节点划分要求
a) 对车身壁面的面网格，仅需要能体现面的特征以及贴体度要求,主要通过控制加密区的尺寸来控制求解域，单元尺寸设定推荐值如表5所示。体网格数目推荐不少于1亿。
5.3 物理模型设置
计算方案有稳态计算和瞬态计算两种，采用稳态计算时，常用的湍流模型有k-e模型，k-w模型及雷诺应力模型；采用瞬态计算时，常用的湍流模型有DES湍流模型、LES湍流模型。物理模型设置及使用推荐详见附录B.1。
计算域
a)流场进口（计算域进口）边界条件设置为速度进口，速度大小设置为120km/h，通过湍流强度加特征长度的方式设置湍流属性，湍流强度推荐设置为0.01，特征长度推荐设置为0.001m。
b)流场出口（计算域出口）边界条件设置为压力出口，压力设置为0 Pa，通过湍流强度加特征长度Length的方式设置湍流属性，湍流强度推荐设置为0.01，特征长度推荐设置为0.001m。
c)计算域侧面和顶面推荐设置为滑移壁面或对称边界条件，车后地面及整车都为非滑移壁面。
冷却系统
冷凝器、散热器、中冷器等冷却模块采用多孔介质进行模拟，在多孔介质与主流场之间建立交界面处。并根据冷却系统单体性能试验数据，获得压降与风速之间的关系，从而计算出多孔介质的惯性系数和粘性系数，输入模型。多孔介质的惯性系数和粘性系数求取方法可参见附录B.2。
车轮
车轮旋转的边界条件有三种设置方法，分别是旋转壁面、运动参考坐标系（MRF）和滑移网格（Sliding mesh）。对于稳态计算，推荐轮辋区域设置运动参考坐标系，胎面设置成旋转壁面；对于瞬态计算，推荐轮辋设置成滑移网格，轮胎设置成旋转壁面。
其余
仿真模型其余设定为壁面边界条件。
5.4 求解过程
求解器设置一般要求
a) 在求解计算过程中，若出现计算收敛性较差或发散问题，可通过降低松弛因子提升稳定性。若依旧出现收敛问题，则应检查模型的单元质量和边界条件。
b) 求解计算的过程中，应关注残差值的收敛性和气动力系数的收敛性。
c) 使用者可结合求解软件的最佳实践进行设置。
基于N-S方程求解器设置
基于N-S方程的求解软件，可进行稳态或瞬态求解计算。通过残差监测图和气动阻力系数监测图监测求解情况，需要计算的迭代步数或总时间步依赖于问题本身。
采用稳态求解计算时，风阻系数的结果是随迭代步数变化的曲线，残差值小于10-4，气动阻力系数在最后迭代步数500步内，气动阻力系数的波动值小于0.001，则可视为计算稳定。收敛较好的残差曲线如图10所示，气动阻力系数监控曲线如图11所示。
对于瞬态求解计算，推荐先进行稳态计算，再进行瞬态计算。稳态计算步数及收敛停止判定同稳态计算；进行瞬态计算时，风阻系数的结果是随时间步变化的曲线，需要计算的总时间步依赖于问题本身。推荐计算时间步长设置为0.0005s，根据单个时间步内的收敛情况，调整内迭代步数，计算物理时长建议不小于行驶过2个车长距离的时间。在停止前至少0.5s时长内，气动阻力系数处于周期性稳定波动。计算残差、气动阻力系数监控曲线分别如图12、图13所示。
基于LBM方法求解器设置
基于LBM方法，风阻系数的结果是随时间步变化的曲线，一般采用向后平均的方法来判定结果的收敛以及获取较为合理的分析值，需要计算的总时间步依赖于问题本身。如图14所示，2个flow pass（1个flow pass代表车行驶过2个车长距离的时间）的时间段内，风阻系数的方差梯度在0.001可认为结果收敛。
6 仿真结果后处理
6.1 仿真结果输出
仿真分析可输出拟关注的分析结果，如输出气动六分力系数、前舱进气量及关键仿真信息如仿真车速、迎风面积，如表6所示。
6.2 仿真结果评价方法
速度云图
根据仿真分析结果输出坐标系三个方向的截面速度云图，附录C中图C.1为Y=0截面速度云图。根据车辆周边的速度分布，以及速度梯度变化判断分析结果的有效性。车辆周边流速越高，速度梯度变化越缓，整车阻力呈现减小趋势。
压力系数云图
根据仿真分析结果输出整车表面压力分布云图，附录C中图C.2为车体表面压力云图。减小迎风正压区，增大逆风正压区。迎风面正压越小，逆风面正压越大，整车阻力呈现减小趋势。
速度矢量云图
根据仿真分析结果输出坐标系三个方向的截面速度矢量图，附录C中图C.3为Y=0位置截面速度矢量图，根据矢量图分析整车周围流场结构，获得整车周围涡系形态与分布。减少车辆前部气流分离，加速尾部气流分离，整车阻力呈现减小趋势。
流线
根据仿真分析结果输出整车周围的流线图，附录C中图C.4为车轮附近流线图。流线紧贴整车表面，快速顺畅通过车辆，整车阻力呈现减小趋势。
面剪切力云图
根据仿真分析结果整车壁面剪切应力图，附录C中图C.5为整车表面壁面剪切应力云图。根据剪切应力分布，以及应力梯度变化判断分析结果的有效性。
等值面云图
根据仿真分析结果输出整车总压为零的等值面，附录C中图C.6为整车总压为零的等值面。根据等值面云图获得整车等值面的大小以及分布形态。总压为零等值面反应流动分离区域的大小，总压为零等值面小，整车阻力呈现减小趋势。
阻力系数累积曲线
根据仿真分析结果输出整车风阻系数累积曲线，附录C中图C.7为阻力系数累积曲线。根据阻力系数累计曲线获得整车风阻系数增长趋势，根据风阻系数变化以及增长变化梯度，判断分析结果的有效性。
7 仿真分析报告
7.1 报告一般要求
根据分析对象及分析内容，制定分析报告的名称、编号、分析标准、报告编写人员信息。
7.2 仿真分析模型
对仿真分析模型应对的车辆的制造商、生产年份信息进行说明，记录整车数据的版本，如CAS面版本、机舱、底盘数据状态信息。
7.3 仿真分析软件
记录仿真软件的官方名称、版本信息、软件类型。
7.4 仿真任务概述
对分析任务进行背景介绍，并说明本报告分析的内容及拟关注的分析结果。
7.5 仿真分析过程
对车辆数模信息、模型简化、模型状态、边界条件、求解方式逐个进行必要的说明。
7.6 结果分析与结论
分析结果应至少输出气动六分力系数、前舱进气量及关键仿真信息如仿真车速、迎风面积。根据仿真后处理结果，总结分析结论。对分析对象的空气动力学性能给出客观、综合评定。
7.7 分析报告
仿真分析报告详见附录D。
根据系数a、b及冷却模块厚度等参数，求出多孔介质的惯性阻尼系数和粘性阻尼系数Pv。为冷却模块交界面建立局部坐标系，如图B.2所示。若Z方向为冷却模块进风面的法线方向，则Z方向的惯性阻尼系数为Pi=ma/d，粘性阻尼系数为Pv=nb/d，系数m、n取值以及另外两个方向的惯性阻尼系数和粘性阻尼系数的求取请参考特定软件使用指南求解。
出自：中国汽车工程学会汽车空气动力学分会
中国汽车工程学会标准化技术委员会（CSAE/TC114）
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