CFD技術(shù)進展及其在汽車設(shè)計中的應(yīng)用

張樹玲　張燕然　張波　朱學(xué)軍

摘要：計算流體力學(xué)是流體力學(xué)的一個分支，在整個流體力學(xué)中的地位也十分突出。現(xiàn)代汽車技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新和進步，與以前相比汽車整體結(jié)構(gòu)變得越發(fā)復(fù)雜，在汽車綜合性能研發(fā)中，空氣動力特征起著重要作用。計算流體力學(xué)正被大量應(yīng)用于現(xiàn)代汽車開發(fā)過程，它的應(yīng)用將使傳統(tǒng)所需的風(fēng)洞試驗次數(shù)大大減少，降低設(shè)計成本，縮短研發(fā)周期。本文著重介紹了目前國內(nèi)CFD技術(shù)（計算流體動力學(xué)）的發(fā)展現(xiàn)狀，以及基于CFD技術(shù)在汽車整車設(shè)計方面的應(yīng)用，并對計算流體力學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用進行了綜述，對其發(fā)展趨勢做了探討。

關(guān)鍵詞：計算流體力學(xué)；汽車設(shè)計；空氣動力學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）37-0279-02

一、引言

近年來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，結(jié)構(gòu)分析的技術(shù)已基本成熟，應(yīng)用也日趨廣泛，而對更為復(fù)雜的流動問題的模擬計算也在不斷地進展之中，計算流體力學(xué)（Computational Flu-id Dynamics簡稱CFD）在汽車設(shè)計的多個環(huán)節(jié)中受到廣泛關(guān)注[1]。傳統(tǒng)的汽車空氣動力學(xué)研究分為實驗和理論兩種方法，風(fēng)洞實驗測試的方法耗資大，成本高，對于經(jīng)濟相對一般的企業(yè)和研發(fā)單位根本無法進行。隨著計算機技術(shù)的進步和模擬軟件的日趨成熟及計算流體力學(xué)的發(fā)展，部分復(fù)雜、需要進行風(fēng)洞實驗的就可以通過電腦進行數(shù)值模擬[2]。CFD可用于研究環(huán)繞汽車的流場，來評定車身結(jié)構(gòu)的噪聲、空氣動力學(xué)性能、空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)動機內(nèi)的氣體流動情況等性能。模擬計算不需要實車或模型，只需在計算機上對相關(guān)實驗進行模擬分析，節(jié)省了大量的試驗經(jīng)費。通過模擬可對實驗結(jié)果和相應(yīng)數(shù)據(jù)進行預(yù)測分析，得到三維流場的詳細(xì)信息，供設(shè)計部門參考，為修改設(shè)計方案提供佐證。隨著商用車開發(fā)水平的不斷提高，相關(guān)的空氣動力學(xué)問題，例如汽車的動力性、經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性等方面提出了更高要求[3]。

二、CFD仿真的概念和特點

CFD模擬就是為得到更加準(zhǔn)確地進出流場的宏觀現(xiàn)象，從而對氣流的運動進行微觀描述的現(xiàn)象。質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律三大定律組成一切流體運動的基本定律。由這三大定律分別導(dǎo)出連續(xù)性方程、動量方程（即納維爾-斯托克斯方程）和能量方程，聯(lián)立可得到納維爾-斯托克斯方程組，簡稱N-S方程組[4]。流體流動所遵守的普遍規(guī)律便是納維爾-斯托克斯方程組。通過對N-S方程組求解，得出流場的速度、溫度、壓力等物理量分布狀況。

汽車空氣動力學(xué)模擬仿真是借助電腦將計算流體力學(xué)應(yīng)用于汽車空氣動力學(xué)研究的一種方法，即將設(shè)計的產(chǎn)品進行模仿風(fēng)洞實驗的狀況，并運用數(shù)值分析方法計算模擬汽車結(jié)構(gòu)的空氣動力學(xué)問題，為獲得良好的汽車外形造型提供科學(xué)依據(jù)。與風(fēng)洞實驗相比，汽車空氣動力學(xué)現(xiàn)代模擬仿真不僅節(jié)省研發(fā)時間和費用，還有以下特點[5]。

1.便于與CAD、CAM系統(tǒng)相銜接。

2.計算機模擬不受風(fēng)洞條件和自身能力的限制（如洞壁干擾和實驗階段的阻塞效應(yīng)以及研發(fā)經(jīng)費短缺等），計算機仿真可以模擬真實風(fēng)洞環(huán)境并可將模擬空間做得很大，用以清除所受的限制[6]。

3.經(jīng)過計算機模擬以及解流體力學(xué)方程組，可獲得比真實風(fēng)洞試驗更多的信息，有的信息更是目前實驗難以測量和解釋的。

三、CFD的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，各個行業(yè)及領(lǐng)域均得到快速發(fā)展。在這樣的環(huán)境背景下，新技術(shù)的出現(xiàn)勢必會對計算流體力學(xué)提出新的標(biāo)準(zhǔn)和要求，但是這也為計算流體力學(xué)的進一步發(fā)展帶來了新的機遇[7]。同時，計算機技術(shù)的日漸成熟也為計算流體力學(xué)的快速發(fā)展注入了新的活力。經(jīng)過短短的十余年，其應(yīng)用已涉及汽車車身設(shè)計、汽車內(nèi)部空間的空調(diào)與通風(fēng)、發(fā)動機內(nèi)部的氣體流動以及冷卻系、汽車液力變矩器、廢氣渦輪增壓器中的壓氣機和渦輪的葉輪與蝸殼等中的流動現(xiàn)象的研究與計算，同時進一步發(fā)展到研究汽車與發(fā)動機中傳熱、燃燒以及預(yù)測噪聲強度與模具設(shè)計等相關(guān)的問題。

比如，汽車發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程以及氣道內(nèi)的流動模擬，汽車發(fā)動機的重要部件之一是進、排氣道，其優(yōu)劣程度將直接影響到汽車的經(jīng)濟性、動力性等，在倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的新時代下，如果有害物質(zhì)排放過高，在與其他產(chǎn)品競爭時將處于劣勢地位。運用CFD技術(shù)對氣道內(nèi)氣體流動狀況進行模擬分析，獲得更加準(zhǔn)確的氣道內(nèi)壓力、流速等參數(shù)的變化規(guī)律，便于建立氣道結(jié)構(gòu)與其變化規(guī)律以及相關(guān)特征（包括流量系數(shù)、渦流比等）的關(guān)系，為科研人員設(shè)計與改進提供科學(xué)依據(jù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進步，CFD在飛行器流場計算、旋翼計算、發(fā)動機內(nèi)流計算、導(dǎo)彈投放、水下流體力學(xué)、汽車造型設(shè)計等方面獲得大量關(guān)注與應(yīng)用。這表明CFD技術(shù)在解決工程實際問題方面具有舉足輕重的實用價值。

四、CFD在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用

計算流體力學(xué)在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要集中于汽車外流場的數(shù)值模擬計算。CFD軟件是進行車型空氣動力學(xué)性能選優(yōu)的重要工具，在對車身設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。

使用CFD技術(shù)對整車前端造型將有很大幫助。汽車行駛中，整車前端部位受到很大的迎風(fēng)阻力，這對空氣動力性產(chǎn)生較大影響。計算流體力學(xué)對頂蓋外形設(shè)計也有幫助。對車身外部流場的分布狀況分析得出，在整車尾部容易形成渦流，但當(dāng)車身頂蓋外形呈鼓狀時，氣流可平穩(wěn)通過，因此在整車設(shè)計時，要運用CFD技術(shù)進行車身模擬計算分析，得出最優(yōu)車身結(jié)構(gòu)，避免渦流形成。模擬表明，縱向曲率在適當(dāng)范圍內(nèi)可以使氣流平順地通過汽車底盤與地面的間隙，從而減少氣流的阻塞程度以及汽車的阻力和升力。汽車高速行駛時易滑移，嚴(yán)重時會將汽車掀翻，因此運用CFD技術(shù)分析車身外流場的分布狀況，設(shè)計出合理有效的擾流板方案，其能有效減少升力，增加輪胎的附著力，使汽車在高速時平穩(wěn)行駛。

五、展望

現(xiàn)如今，計算機模擬技術(shù)的發(fā)展日新月異，CFD技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到汽車綜合性能研發(fā)設(shè)計的諸多領(lǐng)域，但仍存在需要進一步解決的問題。CFD技術(shù)在汽車整車結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，在研發(fā)中節(jié)約成本，縮短研發(fā)周期，設(shè)計效果得到優(yōu)化，具有更加科學(xué)的實驗數(shù)據(jù)，使汽車在較短時間內(nèi)進入整車制造與分析評估階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)會成為汽車研發(fā)的重要工具。

參考文獻：

[1]董貴楊，譚華，楊自雙，周春華，譚業(yè)發(fā).CFD技術(shù)在汽車工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究[J].機械工程與自動化，2013：219-221.

[2]龐永.計算機分析在汽車工業(yè)中的應(yīng)用——計算流體力學(xué)、有限元分析和動態(tài)模擬是汽車工程師的必備工具[J].輕型汽車技術(shù)，1998：24-30.

[3]劉曉波，華祖林，何國建.計算流體力學(xué)的科學(xué)計算可視化研究進展[J].水動力學(xué)研究與進展（A輯），2004：120-125.

[4]李翠萍，李建華，吳寧寧，張紹龍.基于CFD的FSAE賽車車身優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計，2014：70-73.

[5]常思勤.汽車發(fā)動機氣道流動模擬的數(shù)學(xué)模型與數(shù)值算法[J].武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1996：3-7.

[6]蔡榮泉.船舶計算流體力學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用[J].船舶，2002：8-13.

[7]楊楠山，史立地，張月.計算流體力學(xué)的發(fā)展探究[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2017：66.