2.3.4.1　整车陆上风阻计算，可用于方案设计阶段

在产品的方案设计阶段，需要初步了解产品的总体性能，依据此可以对分系统或零部件提出各种接口和性能需求。本节以履带式装甲车辆为例，对坦克装甲车辆车体及相关行动系统进行陆上风阻分析，可以充分了解装甲车辆在路上行进尤其是高速状态下车体周围流线、车体表面受力等，为装甲车辆整体设计及车身结构设计提供良好的基础支撑。

在进行风阻计算时，首先需全面考虑建模及模型清洗过程，边界如何设定及输出关注变量等。本节为减少计算量，默认车体左右对称，仅进行半模建模，建立模型时进行了一定的简化，把履带、主动轮、诱导轮、负重轮进行实心化，并消除细小边界、凸台等，建立的半模如图2-8所示。

按照建立流域的基本要求，建立长22m，高5m，宽5m 的流域，地面与履带底部实体接触，清除部分缝隙等，建立的流域如图2-9所示。图2-10 为装甲车辆镜像后全模型在地面的示意图。

图2-8　车体半模

图2-9　构建的流域

按照总量控制来控制计算量和计算速度，结合局部加密确保计算精度的原则，对履带、负重轮周边进行加密，选取小尺度网格，在车体上选取中尺度网格，并切割出装甲车辆周围局部区域进行周边中尺度网格划分，并划分为体网格，在外部区域采用较大尺度网格。处理后的网格及边界条件如图2- 11所示。

图2-10　镜像后的车体与地面示意图

图2-11　前处理结果

装甲车辆表面网格处理后如图2-12所示。

图2-12　车体及履带等细节加密网格图

按照2.3.3 介绍，在完成网格、边界命名后，将前处理完成的模型导入求解器FLUENT 中，在导入网格后首先进行网格检查及显示，这样可以直观地获得网格的质量信息以及判断相关边界设置是否正确，能有效提高求解准确性和一次成功率，如图2-13所示。

图2-13　网格检查及边界显示

在确认网格质量达到要求后，需要进行边界条件设定、离散模型选择、方程系数调整、计算时残差和关注量的观测设定等，设定后即可进行求解。

求解的过程中残差和关注量会随着计算的进行逐渐绘制出对应的曲线，如图2-14所示。

图2-14　残差和关注量的变化曲线

（a）残差收敛曲线；（b）车体阻力收敛曲线

在计算时残差达到设定的收敛标准或观察关注量长期稳定在特定数值附近，可以判定计算已经收敛，此时可结束计算，保存计算数据文件后进行后处理。

对于方案设计阶段设计人员，除了需要统计车辆行进间正向风阻外，还需要关注车体周边速度矢量图（图2-15），图2-17 展示车体周边高低速流动情况。另外，对于车体表面压力云图也需要重点了解，对于了解车体阻力产生以及通过调整什么部位以降低车体的高速行进时车体阻力会提供极大帮助，如图2-16所示。图2-18所示为压力云图。

图2-15　显示对称面速度矢量图

图2-16　显示车体表面和地面压力云图

图2-17　车体周边速度矢量图

图2-18　车体表面及地面压力云图(www.daowen.com)

观测车体周围迹线图是直观了解车体周围流动的较佳方法，如图2-19所示，显示出的迹线如图2-20所示，分别表示了车体艏部和车体艉部迹线，可以很清楚地得出艏部流线分流稍差，尤其是艏下装甲和底部装甲连接处有一个压缩。车体艉部在上下方向上有两个涡旋，存在大量能量损耗，可以通过优化车体上装甲尾部、底部装甲二者与后装甲连接角度来达到改善目的。

图2-19　迹线显示方法

图2-20　车体艏部和艉部迹线图

本节通过对简化的车体模型在方案设计阶段进行装甲车辆行进间的风阻分析，能够较快地获取车辆高速行进时风压、受力分布的稳定性等，为车辆的减阻设计提供了极好的参考，在两栖车辆水上行进时的减阻优化设计分析上，通过流场仿真计算，能够在不影响车体布置和动力推进的情况下有较大提升，尤其是在越峰点附近，值得读者深入分析探索。

2.3.4.2　导管螺旋桨的计算，可用于工程设计阶段

在工程设计阶段，设计者将会更加关注产品的设计细节以及产品的性能，在性能计算时也更加关注流场的具体变化、流线的分布以及影响产品性能的具体奇异点、压力跳变点等，并由此进行优化设计等。

本节以水上推进用的导管螺旋桨为例说明工程设计阶段流场仿真的应用。

导管螺旋桨为车辆在水上行进时提供前向推力的动力转化装置，由导管、桨叶、支架和旋转轴组成，如图2-21所示，发动机经由传动装置以一定的转速将动力传递给旋转轴，旋转轴带动桨叶，在导管中经过整流后将水流推向后方，产生前向推力。

图2-21　导管螺旋桨构造

对于导管螺旋桨的设计者，关注的是当前转速下导管螺旋桨的消耗功率和产生的推力，并观测流场流动情况、叶片表面所受压力等以进行优化设计。

针对导管螺旋桨的流场仿真，可以将支架简化去除，对整体性能仿真结果影响较小，但可以极大地加快仿真速度。另外，在去除支架后，导管螺旋桨是一个四分的轴对称结构，可以选取包括单桨叶的四分之一结构进行分析，构建四分之一模型需要关注周期面的连续性以及与桨叶的相互干扰作用。本例中采用流场仿真前处理软件Gambit 的叶轮模块构建模型，通过切割桨叶片内、中、外三层位置，使用前缘尾缘线等，构建出的模型如图2-22所示。

图2-22　导管螺旋桨四分之一模型

模型构建完成后，最重要的是根据导管螺旋桨的实际使用工况规划出计算的流域。本节将导管螺旋桨放入敞口的开放的静水环境中，为了消除进出口边界条件设置影响，建立了一个如图2-23所示的流域，包括扩展的进出口流域、裁剪出的进出口壁面和导管内壁边界等。

图2-23　建立的导管螺旋桨流域

建立流域后，完成网格划分，此处网格划分与上一节类似，对导管螺旋桨的桨叶采用小尺度网格，对导管采用较小尺寸网格，经过进出口壁面边界过渡至进出口的较大尺度网格，如图2-23所示。

网格划分完成后，进行求解器、边界条件设定，湍流方程确定，从材料库中选取液态水作为工作介质，进行求解，求解过程与上一节相同，在监控残差和输出流量变化较小时停止计算。

对于导管螺旋桨的设计者来说，除了关注螺旋桨的功率消耗、产生的推力外，可能更加关注此产品是否能进行一定的优化，会否产生汽蚀，表面所受压力是否会导致桨叶的变形等，这些都需要对桨叶表面压力分布进行精确显示，如图2-24所示，即为桨叶压力面和吸力面表面静压分布。

经过计算得知，桨叶压力面表面分布较均匀，但吸力面上有部分较大负压，可能会产生汽蚀，因此设计时应在考虑整体性能的前提下尽量避免此类现象。

图2-25 和图2-26所示为螺旋桨中剖面上的速度矢量和压力云图，通过此两图，设计者可以充分确定导管螺旋桨整体设计的优劣，对设计者进行优化设计具有重要意义。

图2-24　桨叶表面压力分布

图2-25　中剖面速度矢量

图2-26　中剖面静压

本节通过对简化的导管螺旋桨模型在工程设计阶段进行流体仿真，能够较快地获取螺旋桨所产生的推力、所耗功率、桨叶表面压力等数值。

除对导管螺旋桨进行常规的流场分析外，还可以结合高低压分布、气液两相流进行汽蚀分析，充分了解导管螺旋桨在水上高速运转时的失效破坏形式以及如何设计以避免等问题。

在系统级流场仿真中，结合针对整车水上阻力分析，不但可以分析除动力与阻力的匹配，还可以针对螺旋桨与车体行进时流场干扰进行更细致的分析及优化设计，对于两栖车辆系统级整体设计具有重要的参考意义。

流场仿真在坦克装甲车辆的研发设计中，能显著提高设计效率，缩短研制周期，节约研制经费，是现代设计及仿真方法的一个重要组成部分，例如针对车辆高速行进时进行流场仿真，能够计算出车辆行进间风压、受力分布和车辆航行的稳定性等，为车辆的减阻设计提供极好的参考。在两栖车辆水上行进时的减阻优化设计分析上，通过流场仿真计算，能够在不影响车体布置和动力推进的情况下较大提升两栖车辆的航行速度，降低航行阻力，尤其是在速度越峰点附近，可能会产生一个速度飞跃。在一些部件及分系统如散热系统整体效能分析匹配上，可以通过热流场仿真详细了解流域内的速度、压力和迹线分布，为整体设计提升提供极佳参考。流场仿真结合结构分析、动力学分析等可以对坦克装甲车辆进行全面的机械结构方面的多学科仿真，是坦克装甲车辆研发中极其重要的一环，值得读者深入分析探索。