論汽車工程領(lǐng)域中CFD技術(shù)的應(yīng)用

摘 要：改革開放以來，隨著時代的發(fā)展與社會的進(jìn)步，汽車作為最重要的交通方式之一，已經(jīng)成為家家戶戶必不可少的一部分。綜上所述，本文主要針對物體力學(xué)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了CFD技術(shù)在汽車中的各個領(lǐng)域中的研究情況，指出缺陷并提出相應(yīng)的改進(jìn)意見。

關(guān)鍵詞：汽車工程；CFD技術(shù)；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.135

1 汽車外流場分析

1.1 車身整體外部流場分析

近年來， 隨著賽車行業(yè)的不斷興起，對于賽車的要求也越來越高。傳統(tǒng)的賽車具有穩(wěn)定性差、操作不靈活等缺陷。為了彌補這一缺陷，越來越多的設(shè)計師絞盡腦汁。其中，CFD技術(shù)可以對車身表面的壓力場、速度場、氣動力以及啟動力矩進(jìn)行準(zhǔn)確計算，最終得出風(fēng)阻系數(shù)的設(shè)計參數(shù)。目前，CFD技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)，以設(shè)計師SatyanChandra為例，此設(shè)計師應(yīng)用CFD技術(shù)對車身外形的流場進(jìn)行計算，降低了賽車在戶外的空氣阻力，提高了賽車運行過程中的穩(wěn)定性。設(shè)計師高富東利用RNGK-ε湍流模型、流體體積法（VOF）和壓力隱式算子分割（PISO）算法，對兩棲車車體的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，解決了傳統(tǒng)兩棲車在行進(jìn)過程中誤差不斷加大的缺陷。王新宇等設(shè)計師則對流罩狀態(tài)、駕駛室與貨箱間距和側(cè)防護(hù)板的風(fēng)阻進(jìn)行分析，研究降低其阻力的方法。實驗結(jié)果表明：導(dǎo)流罩對降低帶貨箱的阻力有著不可代替的重要作用。

1.2 汽車局部流場分析

隨著人民物質(zhì)需求的不斷增加，人們的安全意識與審美意識都在不斷地提高。所以，對于汽車行業(yè)來說，汽車設(shè)計在保證安全的同時也必須保證外形以及細(xì)節(jié)的美觀。傳統(tǒng)汽車的整車外流場普遍具有噪聲大、形式復(fù)雜的缺陷，而導(dǎo)致這些缺陷的主要原因在于：車輪、門把手的局部流場過大。因此，近年來設(shè)計師的主要改革方向都是針對于局部套件而進(jìn)行的，人們也越來越希望局部套件對整車性能的影響力度最小化。相關(guān)研究人員利用Fluent軟件分別研究了三種情況：第一，側(cè)窗全連接后視鏡基座模型；第二，側(cè)窗半連接后視鏡及做模型；第三 ，門外板連接后視鏡基座模型；分析了三種情況對車身附近流場的影響情況。研究結(jié)果表明：門外板連接基座的造型加大了側(cè)窗氣流的流通性，同時轉(zhuǎn)動的車輪又加大了車身下部的氣流。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時，會降低車身附近以及汽車側(cè)面與地面的阻力數(shù)值。傅立敏通過研究影響汽車外流暢的因素時發(fā)現(xiàn)，車輪輻板的面積與孔數(shù)跟整車以及車輪的氣動阻力有著一定的聯(lián)系。

2 發(fā)動機內(nèi)部流動分析

2.1 進(jìn)排氣過程分析

由于發(fā)動機進(jìn)排系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動具有復(fù)雜、變化性強以及分布不均的特點，所以，一般的方式無法準(zhǔn)確地判斷發(fā)動機的內(nèi)部情況。但是利用CFD技術(shù)可以準(zhǔn)確地模擬出發(fā)動機流道內(nèi)的氣體流動、速度以及湍動能的分布情況。根據(jù)研究，不難發(fā)現(xiàn)，由于空氣濾清器在發(fā)動機內(nèi)有著不可替代的重要作用，所以其質(zhì)量的優(yōu)劣程度也是影響發(fā)動機性能（例如：使用壽命、經(jīng)濟性）的主要因素之一。綜上所述，相關(guān)研究人員利用CFD技術(shù)研究了空氣濾清器的內(nèi)部流場，具體分析了各種因素對空氣濾清器的影響規(guī)律以及各因素之間的潛在聯(lián)系。進(jìn)氣道也是影響發(fā)動機的重要因素之一，其合理性是混合氣體形成、更換的重要環(huán)節(jié)，其中螺旋進(jìn)氣道的設(shè)計是整個氣道設(shè)計的重難點。

研究人員對高升功率柴油機高壓差螺旋進(jìn)氣道進(jìn)行了CFD穩(wěn)態(tài)分析，利用分析結(jié)果對一維非定常模型進(jìn)行氣門流通系數(shù)修正，根據(jù)修正的仿真模型進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計的進(jìn)氣道具有良好的進(jìn)氣性能。研究人員利用CFD技術(shù)對排氣系統(tǒng)中緊耦合催化轉(zhuǎn)化器、二級催化轉(zhuǎn)化器、主消聲器和副消聲器等部件進(jìn)行數(shù)值計算，分析其流動特性，找出各部件排氣背壓的產(chǎn)生原因并改進(jìn)結(jié)構(gòu)，得到了很好的效果。

2.2 缸內(nèi)分析

隨著環(huán)保理念的深入人心，以及油費價格的不斷上漲。促使出現(xiàn)了一些循環(huán)利用性較強，較為環(huán)保的新技術(shù)。例如：高壓電控噴射、汽油直接噴射等。但是，新技術(shù)的產(chǎn)生也要求相關(guān)人員必須提高自身的專業(yè)素養(yǎng)，增強對發(fā)動機內(nèi)部的工作流程以及細(xì)節(jié)內(nèi)部的了解程度。但是，利用CFD技術(shù)能夠?qū)l(fā)動機的工作流程以及內(nèi)部細(xì)節(jié)簡單化，讓每一個工作人員能夠更加顯而易見地明白與了解缸內(nèi)物體的運動過程、燃油粒子的空間分布、燃燒過程的進(jìn)展?fàn)顩r。

相關(guān)人員進(jìn)行了以下三種研究：第一，對發(fā)動機內(nèi)部常用的物理模型、計算方法以及網(wǎng)絡(luò)生成技術(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)其各自的特點；第二，利用CFD技術(shù)對噴霧破碎模型的孔式噴嘴流動模型和基于表面波不穩(wěn)定性理論的WAVE模型、KH-RT模型、HuhGosman模型和LISA模型進(jìn)行深入分析；第三，對針閥偏心時各噴孔內(nèi)部空穴的特性進(jìn)行分析，其結(jié)果顯示：影響噴孔出口流動分布的主要因素在于：入口處的低壓回流區(qū)域。內(nèi)燃機的燃燒過程具有一定的復(fù)雜性，相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明：內(nèi)燃機的燃燒模型、CFD技術(shù)、湍流特性以及化學(xué)特性之間存在著相輔相成的關(guān)系。

2.3 艙熱管理分析

發(fā)動機艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有熱環(huán)境復(fù)雜的特點，這就要求設(shè)計師必須注重這一特征，根據(jù)這一特征展開設(shè)計。若發(fā)動機艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理就會出現(xiàn)冷卻空氣不流通、艙內(nèi)溫度過高的現(xiàn)象。相關(guān)研究人員根據(jù)Fluent軟件模擬了發(fā)動機艙內(nèi)氣體流動的情況，結(jié)果顯示：導(dǎo)致發(fā)動機艙過熱的根本原因在于：冷卻氣體的回流。根據(jù)這一現(xiàn)象，相關(guān)研究人員建議利用增加阻風(fēng)板的方式，降低艙內(nèi)的溫度，保證冷卻空氣的正常流動。研究人員還計算了艙內(nèi)的空氣流動數(shù)值以及傳熱數(shù)值，對不同大小風(fēng)扇在艙內(nèi)的不同情況進(jìn)行分析，總結(jié)排氣窗位置的不同，對艙內(nèi)冷卻效果的不同影響。

3 結(jié)語

汽車的設(shè)計與制造是一個系統(tǒng)性的工程，我國的汽車工業(yè)應(yīng)當(dāng)從基礎(chǔ)制造能力出發(fā)通過不斷積累提升自身的基礎(chǔ)制造能力，同時運用先進(jìn)的計算機技術(shù)可以對汽車進(jìn)行前衛(wèi)的設(shè)計，為汽車的生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)，降低汽車后期的生產(chǎn)成本提升汽車的可靠性。

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作者簡介：張均紅（1973-），男，湖北紅安人，本科，工程師，研究方向：金屬材料與熱處理，機械工程，汽車工程。