論汽車工程領域中CFD技術的應用

摘 要：改革開放以來，隨著時代的發展與社會的進步，汽車作為最重要的交通方式之一，已經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在汽車領域的應用現狀，分析了CFD技術在汽車中的各個領域中的研究情況，指出缺陷并提出相應的改進意見。

關鍵詞：汽車工程；CFD技術；應用

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， 隨著賽車行業的不斷興起，對于賽車的要求也越來越高。傳統的賽車具有穩定性差、操作不靈活等缺陷。為了彌補這一缺陷，越來越多的設計師絞盡腦汁。其中，CFD技術可以對車身表面的壓力場、速度場、氣動力以及啟動力矩進行準確計算，最終得出風阻系數的設計參數。目前，CFD技術已經廣泛應用于汽車行業，以設計師SatyanChandra為例，此設計師應用CFD技術對車身外形的流場進行計算，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定性。設計師高富東利用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數據進行分析，解決了傳統兩棲車在行進過程中誤差不斷加大的缺陷。王新宇等設計師則對流罩狀態、駕駛室與貨箱間距和側防護板的風阻進行分析，研究降低其阻力的方法。實驗結果表明：導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，對于汽車行業來說，汽車設計在保證安全的同時也必須保證外形以及細節的美觀。傳統汽車的整車外流場普遍具有噪聲大、形式復雜的缺陷，而導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，近年來設計師的主要改革方向都是針對于局部套件而進行的，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。相關研究人員利用Fluent軟件分別研究了三種情況：第一，側窗全連接后視鏡基座模型；第二，側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。研究結果表明：門外板連接基座的造型加大了側窗氣流的流通性，同時轉動的車輪又加大了車身下部的氣流。當車輪轉動時，會降低車身附近以及汽車側面與地面的阻力數值。傅立敏通過研究影響汽車外流暢的因素時發現，車輪輻板的面積與孔數跟整車以及車輪的氣動阻力有著一定的聯系。

2 發動機內部流動分析

2.1 進排氣過程分析

由于發動機進排系統內的氣體流動具有復雜、變化性強以及分布不均的特點，所以，一般的方式無法準確地判斷發動機的內部情況。但是利用CFD技術可以準確地模擬出發動機流道內的氣體流動、速度以及湍動能的分布情況。根據研究，不難發現，由于空氣濾清器在發動機內有著不可替代的重要作用，所以其質量的優劣程度也是影響發動機性能（例如：使用壽命、經濟性）的主要因素之一。綜上所述，相關研究人員利用CFD技術研究了空氣濾清器的內部流場，具體分析了各種因素對空氣濾清器的影響規律以及各因素之間的潛在聯系。進氣道也是影響發動機的重要因素之一，其合理性是混合氣體形成、更換的重要環節，其中螺旋進氣道的設計是整個氣道設計的重難點。

研究人員對高升功率柴油機高壓差螺旋進氣道進行了CFD穩態分析，利用分析結果對一維非定常模型進行氣門流通系數修正，根據修正的仿真模型進行改進設計的進氣道具有良好的進氣性能。研究人員利用CFD技術對排氣系統中緊耦合催化轉化器、二級催化轉化器、主消聲器和副消聲器等部件進行數值計算，分析其流動特性，找出各部件排氣背壓的產生原因并改進結構，得到了很好的效果。

2.2 缸內分析

隨著環保理念的深入人心，以及油費價格的不斷上漲。促使出現了一些循環利用性較強，較為環保的新技術。例如：高壓電控噴射、汽油直接噴射等。但是，新技術的產生也要求相關人員必須提高自身的專業素養，增強對發動機內部的工作流程以及細節內部的了解程度。但是，利用CFD技術能夠將發動機的工作流程以及內部細節簡單化，讓每一個工作人員能夠更加顯而易見地明白與了解缸內物體的運動過程、燃油粒子的空間分布、燃燒過程的進展狀況。

相關人員進行了以下三種研究：第一，對發動機內部常用的物理模型、計算方法以及網絡生成技術進行分析，總結其各自的特點；第二，利用CFD技術對噴霧破碎模型的孔式噴嘴流動模型和基于表面波不穩定性理論的WAVE模型、KH-RT模型、HuhGosman模型和LISA模型進行深入分析；第三，對針閥偏心時各噴孔內部空穴的特性進行分析，其結果顯示：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域。內燃機的燃燒過程具有一定的復雜性，相關研究數據表明：內燃機的燃燒模型、CFD技術、湍流特性以及化學特性之間存在著相輔相成的關系。

2.3 艙熱管理分析

發動機艙的內部結構具有熱環境復雜的特點，這就要求設計師必須注重這一特征，根據這一特征展開設計。若發動機艙的內部結構不合理就會出現冷卻空氣不流通、艙內溫度過高的現象。相關研究人員根據Fluent軟件模擬了發動機艙內氣體流動的情況，結果顯示：導致發動機艙過熱的根本原因在于：冷卻氣體的回流。根據這一現象，相關研究人員建議利用增加阻風板的方式，降低艙內的溫度，保證冷卻空氣的正常流動。研究人員還計算了艙內的空氣流動數值以及傳熱數值，對不同大小風扇在艙內的不同情況進行分析，總結排氣窗位置的不同，對艙內冷卻效果的不同影響。

3 結語

汽車的設計與制造是一個系統性的工程，我國的汽車工業應當從基礎制造能力出發通過不斷積累提升自身的基礎制造能力，同時運用先進的計算機技術可以對汽車進行前衛的設計，為汽車的生產提供理論基礎，降低汽車后期的生產成本提升汽車的可靠性。

參考文獻：

[1]董貴楊，譚華，楊自雙，周春華，譚業發.CFD技術在汽車工程領域中的應用研究[J].機械工程與自動化，2014（03）.

[2]周鑄，黃江濤，黃勇，劉剛，陳作斌.CFD技術汽車工程領域的應用、挑戰與發展[J].航空學報，2015（03）.

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。