計算流體力學(xué)軟件在汽車氣動問題研究中的應(yīng)用

張 楠

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331）

計算流體力學(xué)軟件在汽車氣動問題研究中的應(yīng)用

張 楠

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331）

汽車在行駛過程中受到空氣的作用力，會對汽車運動產(chǎn)生影響。汽車氣動特性的研究是汽車設(shè)計研發(fā)的重要內(nèi)容，隨著計算機技術(shù)與數(shù)值計算方法的發(fā)展，計算流體力學(xué)（CFD）在汽車氣動特性的研究中得到日益廣泛的應(yīng)用，特別是各類計算流體力學(xué)商業(yè)軟件使其參與工程設(shè)計成為可能。文章在介紹計算流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實例對計算流體力學(xué)軟件在汽車氣動問題研究中的應(yīng)用進(jìn)行了探究。

計算流體力學(xué)；汽車；空氣動力學(xué)；數(shù)值模擬

計算流體力學(xué)（CFD）是流體力學(xué)的一個重要分支，它建立在計算機科學(xué)和數(shù)值計算方法發(fā)展的基礎(chǔ)之上，是流體力學(xué)理論分析、計算機科學(xué)及數(shù)值計算方法共同發(fā)展的產(chǎn)物。計算流體力學(xué)以計算機為工具，應(yīng)用多種數(shù)學(xué)方法對流體力學(xué)基本方程進(jìn)行數(shù)值求解和分析。CFD發(fā)展歷史雖然不長，但已廣泛滲透到流體力學(xué)的各個領(lǐng)域，形成了各種不同的數(shù)值解法，主要有限差分方法、有限體積方法和有限元法等。通過使用這些方法，CFD可以對各類流動現(xiàn)象進(jìn)行計算機數(shù)值模擬，從而更加深刻細(xì)致地理解問題產(chǎn)生的機理。同流體力學(xué)實驗研究手段相比較，CFD能夠極大地節(jié)省人力、物力和時間成本，能模擬出實驗無法獲得的流動現(xiàn)象，并為實驗提供指導(dǎo)。CFD與實驗方法相結(jié)合已廣泛應(yīng)用于預(yù)測和控制流體流動性能及各類流體機械的設(shè)計及優(yōu)化之中。

汽車在運動過程中，受到周圍空氣力的作用，在氣動力作用下，既會增加汽車油耗，又會對汽車正常行駛造成影響。由于汽車外形較為復(fù)雜，氣體流動在汽車表面形成多處分離，對汽車外形的氣動特性研究十分困難。傳統(tǒng)的汽車外形設(shè)計以風(fēng)洞實驗研究為主，但實驗成本極高。伴隨CFD方法的不斷發(fā)展，特別是CFD商業(yè)化軟件的推出，利用CFD軟件進(jìn)行汽車氣動性能工程研究成為可能。數(shù)值結(jié)果能夠較為精確地模擬汽車三維外流場，可以幫助設(shè)計人員直觀深入地分析汽車氣動特性，同時相對于實驗手段，CFD軟件可以縮短汽車設(shè)計研發(fā)周期并降低成本。

1 計算流體力學(xué)軟件及汽車氣動特性簡介

CFD軟件在20世紀(jì)70年代誕生于美國，在90年代末至近期在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到真正意義上的廣泛應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)值計算方法的日益成熟，出現(xiàn)了大量基于現(xiàn)有流體力學(xué)理論的商用CFD軟件。商用CFD軟件的推出，使并不擅長CFD理論或精通編程的其他專業(yè)技術(shù)人員能夠進(jìn)行流體力學(xué)計算，使他們可以將主要精力放在研究流體力學(xué)問題的物理本質(zhì)和計算結(jié)果的分析上，于是工程上涉及流體力學(xué)的問題可以得到一定程度的解決。伴隨商業(yè)CFD軟件的改進(jìn)與完善，其處理問題的復(fù)雜性和解決程度正在不斷擴展和深入。目前應(yīng)用比較廣泛的CFD軟件主要有PHOENICS，STAR-CD，CFX 和 Fluent等。

汽車空氣動力學(xué)是根據(jù)汽車車身造型對汽車整體和局部形狀采用實驗或計算的方法進(jìn)行氣動特性研究的學(xué)科，其目的是對車身造型進(jìn)行調(diào)整和完善，使之具有良好的氣動特性?，F(xiàn)代汽車造型設(shè)計不僅要關(guān)注外形的美觀和消費者需求，而且要引入汽車空氣動力學(xué)原理。汽車的氣動特性主要包括以下指標(biāo)：

1.1 空氣阻力系數(shù)

汽車在行駛過程中所受阻力大小是設(shè)計者非常關(guān)心的，它直接影響汽車的經(jīng)濟性指標(biāo)。空氣阻力由汽車表面壓力分布變化引起，而壓力變化與流體動壓有關(guān)，實際作用力又與作用面積成正比。因此可定義無量綱空氣阻力系數(shù)Cd[1]：

其中，F(xiàn)d為空氣阻力，A為迎風(fēng)面積，q為動壓力。

1.2 升力系數(shù)

汽車的流線型外形會產(chǎn)生浮力。如果汽車受到的浮力過大，它對地面的壓力就會減小，地面對車的摩擦力也會相應(yīng)減小，會對行駛安全造成不利影響。所以在減小空氣阻力的同時，也要防止浮力過大。通常在汽車后面裝一個擾流板，通過干擾氣流來避免產(chǎn)生過大浮力。同樣可以定義無量綱升力系數(shù)C1：

其中，F(xiàn)1為空氣阻力，A為參考面積。

1.3 汽車外表面壓力分布

汽車的外表面壓力分布不僅直接影響空氣阻力，還與汽車行駛穩(wěn)定性有直接關(guān)系，其平衡性可作為汽車外形設(shè)計質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。

1.4 汽車三維流場分布

對于汽車外流場，主要指標(biāo)包括速度分布，溫度分布，表面壓力系數(shù)和阻力系數(shù)分布等，這些都直接表征了汽車在行駛過程中與外部空氣的相互作用關(guān)系。此外，現(xiàn)代汽車設(shè)計開始逐步重視車艙內(nèi)流場的狀況，這對改善舒適性有著重要意義。

2 計算流體力學(xué)軟件在汽車氣動特性研究中的應(yīng)用

2.1 汽車氣動特性研究

目前CFD軟件在汽車中的應(yīng)用，絕大部分都集中在對汽車外部流場的模擬上。通過數(shù)值計算獲得上節(jié)所述的主要氣動指標(biāo)，用以了解汽車在運動過程中整體與局部的細(xì)致流動過程。

通常使用CFD研究此類問題，所使用軟件需包括以下三個主要模塊：前處理器、求解器和后處理器。以Fluent軟件為例，Gambit是其前處理器，具有很強的組合建模能力，并能導(dǎo)入其他CFD前處理器或CAD軟件建立的幾何模型；求解過程基于N-S方程，通常采用RANS方法求解，F(xiàn)luent軟件構(gòu)建了豐富的湍流模型用以封閉方程，可根據(jù)算例特點進(jìn)行選擇。在前處理器構(gòu)建或?qū)氲膸缀文Ｐ突A(chǔ)上，設(shè)置適合的初始及邊界條件，并選擇合適的離散格式后，便可進(jìn)行數(shù)值計算；Fluent的后處理模塊具有三維顯示功能和強大的圖形化功能，可以讓研究人員直觀地查看模擬結(jié)果，并根據(jù)定量定性結(jié)果做出分析。其他CFD軟件的求解過程與Fluent基本相同，只是在某些模型所基于的假設(shè)和具體參數(shù)設(shè)置上有所不同，針對不同的問題處理能力也不盡相同。

圖1所示是CFD軟件計算得到的某型汽車外部流場圖。

除定性結(jié)果外，研究人員可能更關(guān)心氣動特性主要指標(biāo)的定量結(jié)果。圖2是利用Fluent計算得到的汽車外表面壓力分布圖，圖中不僅顯示了壓力分布狀況，還能得到具體壓力數(shù)值。圖3是外流場速度矢量圖，同樣可供研究者進(jìn)行定量定性分析，并且通過圖形顯示工具能夠?qū)﹃P(guān)心的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行精細(xì)研究。

利用CFD軟件還能夠獲得阻力系數(shù)、升力系數(shù)等空氣動力學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合車身表面壓力分布、三維流場速度分布等結(jié)果，并通過圖形化功能對結(jié)果的直觀表現(xiàn)，可以對汽車進(jìn)行氣動特性分析。

圖2 汽車外表面壓力分布圖[3]

圖3 外流場速度矢量圖[3]

2.2 汽車會車或并列行駛的氣動問題研究

伴隨道路車輛增多，多臺車輛會車、超車或并列行駛的瞬態(tài)過程中，空氣動力對車輛的作用正在成為一個重要的研究方向。這對研究此類狀態(tài)下汽車行駛與操作穩(wěn)定性具有重要意義。

圖4是轎車與大客車超車時，兩者表面靜壓分布。圖5是轎車與大客車會車時，轎車氣動力系數(shù)的瞬態(tài)變化。通過分析計算結(jié)果，獲得在會車或超車等并列行駛過程中，汽車所受氣動力作用的變化過程。這可以幫助研究人員發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生的操作穩(wěn)定性問題，為改善設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)，有助于提高車輛行駛安全。

圖4 轎車與大客車超車時候的靜壓圖[2]

圖5 轎車與大客車會車時轎車氣動力系數(shù)的瞬態(tài)變化[4]

2.3 汽車相關(guān)氣動問題研究

同外部流場相比，汽車內(nèi)部流場研究更多地關(guān)注駕乘舒適性。通過計算分析車身內(nèi)部的溫度場和速度場，可以為空調(diào)制冷找出關(guān)鍵部位，以便改善制冷效果，提高空調(diào)效率，降低能耗。同時還能指導(dǎo)空調(diào)出風(fēng)口和車艙進(jìn)風(fēng)口位置與車窗及座椅設(shè)計。

CFD在汽車發(fā)動機設(shè)計中也有著廣泛的應(yīng)用前景。通過模擬進(jìn)氣、燃燒、排氣等過程，數(shù)值計算結(jié)果可以為減小進(jìn)排氣阻力、優(yōu)化氣路設(shè)計、提高燃燒效率等提供數(shù)據(jù)依據(jù)。在研究爆燃爆震和預(yù)混燃燒及點火成因方面也有著重要意義。

CFD軟件在航空發(fā)動機研究中有積極貢獻(xiàn)。在汽車油泵和渦輪增壓器等涉及使用葉片的裝置中，可以吸收借鑒航空發(fā)動機葉片研究的經(jīng)驗，用CFD軟件優(yōu)化葉片設(shè)計，以提高效率，降低能耗。

近年來汽車噪聲成為一個新的熱點問題，正在得到更多關(guān)注。利用聲學(xué)分析軟件結(jié)合CFD軟件，對汽車行駛過程及發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生噪聲的機制機理問題研究，已取得了一些有意義的結(jié)果，為汽車外形改進(jìn)設(shè)計及消聲器裝置的設(shè)計與結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了新的研究途徑。

3 CFD軟件應(yīng)用展望

通過以上實例可以看到，CFD軟件通過對各類問題進(jìn)行計算，能夠得到阻力系數(shù)、升力系數(shù)等數(shù)據(jù)以及車身表面壓力分布、三維外流場分布等結(jié)果，并能夠通過軟件的圖形化功能將這些結(jié)果直觀地表現(xiàn)出來，為設(shè)計者提供了汽車氣動特性分析的依據(jù)。商用CFD軟件在汽車設(shè)計與氣動性能改進(jìn)中正得到日益廣泛的應(yīng)用，通過仿真計算所獲得的氣動特性信息將會逐步豐富和可靠。計算機技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)值計算對資源與成本的需求不斷降低，同時能縮短開發(fā)周期，提高汽車制造業(yè)自主設(shè)計能力。在未來的汽車工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，CFD軟件將更多地取代實驗成為設(shè)計研發(fā)的主要手段。

當(dāng)然，由于CFD軟件所基于的一些基本流體力學(xué)問題尚未得到完全的解決，以及真實流場中實際空氣流動的復(fù)雜性，利用軟件計算獲得的流場信息與真實流場不可避免地存在偏差。在現(xiàn)階段CFD軟件仍需要和風(fēng)洞試驗等相結(jié)合，彼此補充以解決空氣動力學(xué)的各種問題。

[1]喻凡，林逸.汽車系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：69-86.

[2]翁志勇，羅紅梅，陳見.計算流體力學(xué)商用軟件及其在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].天津汽車，2008，11：52-55.

[3]薛勁櫓，張兵志，徐國英.Fluent在汽車氣動特性研究中的應(yīng)用[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2009，23(3)：33-37.

[4]李杰，張英朝，張喆，傅立敏.轎車大客車會車時的氣動特性[J].同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，38(2)：278-284.

Application of Computational Fluid Dynamics Software in Research of Aerodynamic Characteristics of Automobiles

ZHANG Nan
(Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

The research of aerodynamic characteristics plays an important role in automobile design.Along with the development of computer technology and numerical calculation method,computational fluid dynamics(CFD)is widely applied in the study of aerodynamic characteristics of automobiles.Nowadays,kinds of CFD softwares are used for engineering design.A brief introduction of CFD is presented.With several simple examples,the application of CFD software in the research of aerodynamic characteristics is illustrated.

computational fluid dynamics;automobile;aerodynamics;numerical simulation

U461.1

A

1674－5787（2011）02－0125－03

2010-12-28

張楠(1981—)，男，河北秦皇島人，博士，重慶電子工程職業(yè)學(xué)院汽車工程系，講師，研究方向為計算流體力學(xué)研究。

責(zé)任編輯 王榮輝