CFD技術(shù)進(jìn)展及其在汽車設(shè)計的應(yīng)用范文

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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(jìn)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(yàn)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(jìn)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)

一、引言

近年來，隨著計算機(jī)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(jìn)展之中，計算流體力學(xué)（ComputationalFlu-idDynamics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(shí)驗(yàn)和理論兩種方法，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測試的方法耗資大，成本高，對于經(jīng)濟(jì)相對一般的企業(yè)和研發(fā)單位根本無法進(jìn)行。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)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(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的就可以通過電腦進(jìn)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(jī)內(nèi)的氣體流動情況等性能。模擬計算不需要實(shí)車或模型，只需在計算機(jī)上對相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，節(jié)省了大量的試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。通過模擬可對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)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(diǎn)

CFD模擬就是為得到更加準(zhǔn)確地進(jìn)出流場的宏觀現(xiàn)象，從而對氣流的運(yùn)動進(jìn)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(yùn)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(jìn)行模仿風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的狀況，并運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(fèi)用，還有以下特點(diǎn)[5]。1.便于與CAD、CAM系統(tǒng)相銜接。

2.計算機(jī)模擬不受風(fēng)洞條件和自身能力的限制（如洞壁干擾和實(shí)驗(yàn)階段的阻塞效應(yīng)以及研發(fā)經(jīng)費(fèi)短缺等），計算機(jī)仿真可以模擬真實(shí)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(jī)模擬以及解流體力學(xué)方程組，可獲得比真實(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)更多的信息，有的信息更是目前實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步發(fā)展帶來了新的機(jī)遇[7]。同時，計算機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)一步發(fā)展到研究汽車與發(fā)動機(jī)中傳熱、燃燒以及預(yù)測噪聲強(qiáng)度與模具設(shè)計等相關(guān)的問題。比如，汽車發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程以及氣道內(nèi)的流動模擬，汽車發(fā)動機(jī)的重要部件之一是進(jìn)、排氣道，其優(yōu)劣程度將直接影響到汽車的經(jīng)濟(jì)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(yùn)用CFD技術(shù)對氣道內(nèi)氣體流動狀況進(jìn)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(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，CFD在飛行器流場計算、旋翼計算、發(fā)動機(jī)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(shí)際問題方面具有舉足輕重的實(shí)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(jìn)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(yùn)用CFD技術(shù)進(jìn)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(yùn)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(jī)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(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使汽車在較短時間內(nèi)進(jìn)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(xiàn)：

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作者：張樹玲；張燕然；張波；朱學(xué)軍 單位：寧夏大學(xué)