CFD技術進展及其在汽車設計中的應用

張樹玲　張燕然　張波　朱學軍

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

關鍵詞：計算流體力學；汽車設計；空氣動力學

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

一、引言

近年來，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，結構分析的技術已基本成熟，應用也日趨廣泛，而對更為復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（Computational Flu-id Dynamics簡稱CFD）在汽車設計的多個環(huán)節(jié)中受到廣泛關注[1]。傳統(tǒng)的汽車空氣動力學研究分為實驗和理論兩種方法，風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。隨著計算機技術的進步和模擬軟件的日趨成熟及計算流體力學的發(fā)展，部分復雜、需要進行風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，來評定車身結構的噪聲、空氣動力學性能、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果和相應數(shù)據(jù)進行預測分析，得到三維流場的詳細信息，供設計部門參考，為修改設計方案提供佐證。隨著商用車開發(fā)水平的不斷提高，相關的空氣動力學問題，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。

汽車空氣動力學模擬仿真是借助電腦將計算流體力學應用于汽車空氣動力學研究的一種方法，即將設計的產(chǎn)品進行模仿風洞實驗的狀況，并運用數(shù)值分析方法計算模擬汽車結構的空氣動力學問題，為獲得良好的汽車外形造型提供科學依據(jù)。與風洞實驗相比，汽車空氣動力學現(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以及研發(fā)經(jīng)費短缺等），計算機仿真可以模擬真實風洞環(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方程組，可獲得比真實風洞試驗更多的信息，有的信息更是目前實驗難以測量和解釋的。

三、CFD的應用現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代科學技術水平的不斷提高，各個行業(yè)及領域均得到快速發(fā)展。在這樣的環(huán)境背景下，新技術的出現(xiàn)勢必會對計算流體力學提出新的標準和要求，但是這也為計算流體力學的進一步發(fā)展帶來了新的機遇[7]。同時，計算機技術的日漸成熟也為計算流體力學的快速發(fā)展注入了新的活力。經(jīng)過短短的十余年，其應用已涉及汽車車身設計、汽車內(nèi)部空間的空調(diào)與通風、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、燃燒以及預測噪聲強度與模具設計等相關的問題。

比如，汽車發(fā)動機運轉過程以及氣道內(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，在倡導節(jié)能環(huán)保的新時代下，如果有害物質排放過高，在與其他產(chǎn)品競爭時將處于劣勢地位。運用CFD技術對氣道內(nèi)氣體流動狀況進行模擬分析，獲得更加準確的氣道內(nèi)壓力、流速等參數(shù)的變化規(guī)律，便于建立氣道結構與其變化規(guī)律以及相關特征（包括流量系數(shù)、渦流比等）的關系，為科研人員設計與改進提供科學依據(jù)。

隨著科學技術的發(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、導彈投放、水下流體力學、汽車造型設計等方面獲得大量關注與應用。這表明CFD技術在解決工程實際問題方面具有舉足輕重的實用價值。

四、CFD在汽車領域中的應用

計算流體力學在汽車領域中的應用，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性能選優(yōu)的重要工具，在對車身設計中發(fā)揮著重要作用。

使用CFD技術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阻力，這對空氣動力性產(chǎn)生較大影響。計算流體力學對頂蓋外形設計也有幫助。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，但當車身頂蓋外形呈鼓狀時，氣流可平穩(wěn)通過，因此在整車設計時，要運用CFD技術進行車身模擬計算分析，得出最優(yōu)車身結構，避免渦流形成。模擬表明，縱向曲率在適當范圍內(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，嚴重時會將汽車掀翻，因此運用CFD技術分析車身外流場的分布狀況，設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，計算機模擬技術的發(fā)展日新月異，CFD技術被廣泛地應用到汽車綜合性能研發(fā)設計的諸多領域，但仍存在需要進一步解決的問題。CFD技術在汽車整車結構及零部件設計中得到廣泛應用，在研發(fā)中節(jié)約成本，縮短研發(fā)周期，設計效果得到優(yōu)化，具有更加科學的實驗數(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。隨著科學技術的發(fā)展，CFD技術會成為汽車研發(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技術在汽車工程領域中的應用研究[J].機械工程與自動化，2013：219-221.

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

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