CFD技術(shù)在汽車工程領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

董貴楊，譚 華，楊自雙，周春華，譚業(yè)發(fā)

（解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

1 汽車外流場分析

隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，CFD數(shù)值模擬方法已越來越多地應(yīng)用到汽車設(shè)計(jì)的多個(gè)環(huán)節(jié)，極大地推動了汽車技術(shù)的發(fā)展。

1.1 車身整體外部流場分析

通過汽車車身整體外流場的CFD計(jì)算，可以得到車身表面的壓力場、速度場、氣動力和氣動力矩，進(jìn)而得出風(fēng)阻系數(shù)等一系列設(shè)計(jì)參數(shù)。

Satyan Chandra等［1］運(yùn)用CFD對一級方程式賽車車身外流場進(jìn)行模擬分析，改進(jìn)了尾翼設(shè)計(jì)，使賽車下壓力與空氣阻力得到良好調(diào)節(jié)，增加了賽車的高速穩(wěn)定性和操控性。高富東等［2］采用RNG k－ε湍流模型、流體體積法（VOF）和壓力隱式算子分割（PISO）算法，運(yùn)用Fl uent軟件對某型兩棲車車體繞流場進(jìn)行三維瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算，得到繞流場的速度與壓力分布、阻力和興波特性，解決了以往由于忽略興波特性導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算結(jié)果隨航速提高誤差不斷增大的問題。王新宇等［3］運(yùn)用CFD研究了導(dǎo)流罩狀態(tài)、駕駛室與貨箱間距和側(cè)防護(hù)板對風(fēng)阻的影響，并分析其減阻機(jī)理，研究表明：帶貨箱的商用車加裝導(dǎo)流罩可以起到明顯的減阻作用。

1.2 汽車局部流場分析

車輪、門把手及擾流板等部件的局部流場使得整車外流場變得更加復(fù)雜，其中一些部件又是產(chǎn)生氣動噪聲的主要來源，因此人們越來越重視汽車局部套件對整車性能影響的研究。

劉力等［4］運(yùn)用Fl uent軟件對側(cè)窗全連接、半連接和門外板連接3種形式后視鏡基座模型的表面及附近空間區(qū)域的流場及寬頻帶噪聲進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：門外板連接的基座造型能夠加強(qiáng)側(cè)窗附近氣流的通順性；轉(zhuǎn)動的車輪使車體下部的氣流變得更加復(fù)雜，車輪相關(guān)的氣動阻力值在整車的氣動總阻力中占30%左右；車輪轉(zhuǎn)動對整車流場特別是對汽車前后輪周圍、汽車側(cè)面和底面有很大的影響，阻力系數(shù)和升力系數(shù)比靜止情況下低。傅立敏等［5］研究了車輪輻板造型對汽車外流場的影響，通過對車腔內(nèi)以及車身底部的壓力等值線和渦量等流場特性的分析，得出輻板上的開孔個(gè)數(shù)和面積與車輪氣動阻力及整車氣動阻力系數(shù)的關(guān)系。

1.3 復(fù)數(shù)車輛行駛狀況流場分析

復(fù)數(shù)車輛行駛的車輛操縱穩(wěn)定性直接影響行駛安全，包括會車、超車及隊(duì)列行駛3種狀態(tài)，是一個(gè)瞬態(tài)過程。徐國英等［6］對汽車迎面會車過程進(jìn)行了仿真研究，根據(jù)會車時(shí)壓力場分布情況分析流場特性對氣動特性的影響，得到了側(cè)向力和橫擺力矩隨間距和速度的變化情況，進(jìn)而分析了其對汽車行駛穩(wěn)定性的影響。傅立敏等［7］利用動網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車輛超車過程的三維流場數(shù)值仿真，揭示了兩車外部流場相互干擾的流動特性，分析了相對速度和橫向間距對車輛氣動特性的影響，進(jìn)一步研究了兩車縱向相對位置對車輛氣動特性的影響規(guī)律以及氣動力對汽車行駛穩(wěn)定性的影響。王靖宇等［8］研究了隊(duì)列行駛汽車車間距離變化時(shí)的空氣動力特性以及隊(duì)列中車輛數(shù)目、車型對阻力系數(shù)的影響，研究表明：隊(duì)列行駛車輛隨車間距離的縮短其阻力值降低；隨著隊(duì)列中車輛數(shù)目的增加，平均阻力系數(shù)降低20%～30%。

2 發(fā)動機(jī)內(nèi)部流動分析

2.1 進(jìn)排氣過程分析

發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)內(nèi)氣體流動非常復(fù)雜，瞬變性強(qiáng)，分布不均勻且其內(nèi)流系統(tǒng)的運(yùn)動對發(fā)動機(jī)性能的影響很大。CFD數(shù)值模擬方法可以獲得流道內(nèi)氣體流動壓力、速度及湍動能分布情況。

空氣濾清器作為發(fā)動機(jī)的重要進(jìn)氣組件，其性能優(yōu)劣會影響發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和使用壽命。李佳等［9］應(yīng)用CFD仿真計(jì)算空氣濾清器內(nèi)部流場，研究了濾紙的材質(zhì)、尺寸和褶數(shù)等各因素對空氣濾清器性能的影響規(guī)律以及各因素間的耦合作用機(jī)制。進(jìn)氣道的合理設(shè)計(jì)是決定混合氣形成、充量更換和燃燒過程優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而螺旋進(jìn)氣道由不規(guī)則曲面構(gòu)成，形狀非常復(fù)雜，是進(jìn)氣道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。孫利魏等［10］對高升功率柴油機(jī)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(jì)的進(jìn)氣道具有良好的進(jìn)氣性能。谷芳等［11］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(jì)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。畢小平等［12］建立了坦克排氣流動與傳熱的計(jì)算流體力學(xué)模型，應(yīng)用Fl uent軟件完成三維數(shù)值分析，得到了坦克排氣流場與溫度場的詳細(xì)分布特性和外界環(huán)境溫度與風(fēng)速對排氣的影響，為坦克排氣紅外輻射特征的研究提供了依據(jù)。

2.2 缸內(nèi)分析

發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放的要求不斷提高，促進(jìn)了一些新技術(shù)的相繼出現(xiàn)，如高壓電控噴射、預(yù)噴射、汽油直接噴射和廢氣再循環(huán)等。這些技術(shù)需要人們對發(fā)動機(jī)的工作過程及發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程有更深層次的認(rèn)識。CFD技術(shù)為研究人員更好地了解缸內(nèi)流體的運(yùn)動過程、湍流參數(shù)的變化、燃油粒子的空間分布、燃燒過程的進(jìn)展?fàn)顩r、傳熱過程以及缸內(nèi)溫度場的分布情況提供可能。

清華大學(xué)許元默等［13］研究了發(fā)動機(jī)缸內(nèi)數(shù)值模擬中常用的物理模型、計(jì)算方法及網(wǎng)格生成技術(shù)，并分析了各模型的應(yīng)用特點(diǎn)。史春濤等［14］研究了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、Huh Gos man模型和LISA模型以及它們在CFD軟件中的應(yīng)用。何志霞等［15］研究了針閥偏心時(shí)各噴孔內(nèi)部空穴的流動特性，結(jié)果表明噴孔入口處的低壓回流區(qū)對噴孔出口的流動分布影響較大。內(nèi)燃機(jī)燃燒是非常復(fù)雜的湍流燃燒過程，CFD模擬的準(zhǔn)確性依賴于燃燒模型的正確選擇，而燃燒模型的準(zhǔn)確性又依賴于對湍流特性及各種燃料燃燒化學(xué)特性的了解，史春濤等［16］研究了內(nèi)燃機(jī)燃燒模型的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.3 艙熱管理分析

發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的氣體流動狀態(tài)和熱環(huán)境十分復(fù)雜，如果發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的各部件布置不合理會阻礙冷卻空氣的流動，最終引起艙內(nèi)溫度偏高。張坤等［17］運(yùn)用Fl uent軟件對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的氣體流動進(jìn)行三維仿真，發(fā)現(xiàn)冷卻氣體回流是導(dǎo)致發(fā)動機(jī)艙過熱的根本原因，并提出添加阻風(fēng)板的改進(jìn)方案，有效地改善了該車型發(fā)動機(jī)艙內(nèi)冷卻氣體的流動，解決了艙內(nèi)溫度過高的問題。王憲成等［18］建立了電傳動裝甲車動力艙內(nèi)空氣流動與傳熱計(jì)算的物理模型和數(shù)學(xué)模型，對不同風(fēng)扇流量下的動力艙內(nèi)空氣流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬與分析，并分析排氣窗位置對艙內(nèi)部件冷卻效果的影響。

2.4 冷卻系統(tǒng)分析

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中流動與傳熱現(xiàn)象的數(shù)值模擬是發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題。田曉虎等［19］應(yīng)用Fl uent軟件對汽車百葉窗翅片式熱交換器空氣側(cè)的流場、壓力場和溫度場進(jìn)行了模擬研究，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對翅片換熱和流動性能的影響。黃小輝等［20］建立了裝甲車輛冷卻風(fēng)道空氣湍流流動與傳熱的CFD計(jì)算模型，將其應(yīng)用于車輛冷卻風(fēng)道設(shè)計(jì)中，取得了較好的效果。于秀敏等［21］利用數(shù)值模擬技術(shù)研究發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中的流動與傳熱問題，包括水套單相流及氣液兩相流流動、流固耦合傳熱、一維與三維聯(lián)合模擬等該領(lǐng)域熱點(diǎn)內(nèi)容。夏冬生等［22］應(yīng)用動網(wǎng)格技術(shù)和兩相混合流體完整空化湍流模型，對某型柴油機(jī)氣缸套主推側(cè)的冷卻水空化流進(jìn)行非定常數(shù)值模擬。

3 空調(diào)系統(tǒng)性能模擬分析

L.Ye對雙空調(diào)系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)的流動控制進(jìn)行優(yōu)化，把溫度調(diào)節(jié)控制裝置膨脹值作為改進(jìn)汽車空調(diào)系統(tǒng)有效控制和最大制冷率的關(guān)鍵因素［23］。于福義［24］利用Fluent對汽車空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器總成進(jìn)行數(shù)值模擬，改進(jìn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。Christopher J.Seeton等人則是對蒸發(fā)器系統(tǒng)中蒸發(fā)器芯體的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了分析［25］。汽車空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部流動和傳熱規(guī)律較為復(fù)雜，僅靠實(shí)驗(yàn)測試很難達(dá)到精確設(shè)計(jì)的目的，而CFD數(shù)值模擬可以比較快捷、準(zhǔn)確及直觀地反映汽車空調(diào)系統(tǒng)中的流動狀況，很容易在流場分析中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問題并及時(shí)改進(jìn)。

4 風(fēng)噪聲

降低氣動噪聲已成為乘用車NVH研究的重要內(nèi)容，對其進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算氣動聲學(xué)分析具有重要意義。洪四華等［26］采用大渦模擬模型計(jì)算后視鏡的瞬態(tài)外流場，應(yīng)用Light hill－Curle聲學(xué)理論和F W－H聲學(xué)模型預(yù)測了其噪聲特性。陳書明等［27］基于統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）原理分析預(yù)測車外噪聲，建立車身結(jié)構(gòu)和車外聲腔子系統(tǒng)的車外噪聲分析預(yù)測SEA模型，對車外噪聲進(jìn)行了分析預(yù)測。

5 展望

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)越來越多地應(yīng)用到汽車研發(fā)設(shè)計(jì)中的諸多領(lǐng)域，但仍存在需進(jìn)一步解決的問題：

（1）深入研究CFD的前處理技術(shù)。汽車工程領(lǐng)域中幾何模型及其復(fù)雜，礙于目前網(wǎng)格前處理工具的局限性，只能簡化甚至忽略很多部件才能生成合理的計(jì)算網(wǎng)格，這種失真在很大程度上影響了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

（2）完善豐富各種物理化學(xué)模型。目前，針對排放、燃燒和燃油噴霧等方面的各種物理化學(xué)模型還需進(jìn)一步完善。

（3）改進(jìn)CFD的計(jì)算方法。目前，計(jì)算速度的提高更多依賴于計(jì)算機(jī)速度的提高，而計(jì)算方法的改進(jìn)所帶來的計(jì)算時(shí)間的縮短效果并不明顯，先進(jìn)的CFD技術(shù)應(yīng)具備較高的求解精度和求解速度。

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