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(shí)代的發(fā)展與社會(huì)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(duì)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(gè)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(chǎng)分析

1.1 車身整體外部流場(chǎng)分析

近年來， 隨著賽車行業(yè)的不斷興起，對(duì)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(bǔ)這一缺陷，越來越多的設(shè)計(jì)師絞盡腦汁。其中，CFD技術(shù)可以對(duì)車身表面的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、氣動(dòng)力以及啟動(dòng)力矩進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，最終得出風(fēng)阻系數(shù)的設(shè)計(jì)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(jì)師SatyanChandra為例，此設(shè)計(jì)師應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)車身外形的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，降低了賽車在戶外的空氣阻力，提高了賽車運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)師則對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：導(dǎo)流罩對(duì)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(chǎng)分析

隨著人民物質(zhì)需求的不斷增加，人們的安全意識(shí)與審美意識(shí)都在不斷地提高。所以，對(duì)于汽車行業(yè)來說，汽車設(shè)計(jì)在保證安全的同時(shí)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(chǎng)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(chǎng)過大。因此，近年來設(shè)計(jì)師的主要改革方向都是針對(duì)于局部套件而進(jìn)行的，人們也越來越希望局部套件對(duì)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(duì)車身附近流場(chǎng)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(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪又加大了車身下部的氣流。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)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(shí)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(dòng)阻力有著一定的聯(lián)系。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)分析

2.1 進(jìn)排氣過程分析

由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動(dòng)具有復(fù)雜、變化性強(qiáng)以及分布不均的特點(diǎn)，所以，一般的方式無法準(zhǔn)確地判斷發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)流道內(nèi)的氣體流動(dòng)、速度以及湍動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)性能（例如：使用壽命、經(jīng)濟(jì)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(chǎng)，具體分析了各種因素對(duì)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(dòng)機(jī)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(jì)是整個(gè)氣道設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。

研究人員對(duì)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(duì)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。研究人員利用CFD技術(shù)對(duì)排氣系統(tǒng)中緊耦合催化轉(zhuǎn)化器、二級(jí)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(dòng)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(fèi)價(jià)格的不斷上漲。促使出現(xiàn)了一些循環(huán)利用性較強(qiáng)，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(qiáng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的工作流程以及內(nèi)部細(xì)節(jié)簡(jiǎn)單化，讓每一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部常用的物理模型、計(jì)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(diǎn)；第二，利用CFD技術(shù)對(duì)噴霧破碎模型的孔式噴嘴流動(dòng)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(duì)針閥偏心時(shí)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(dòng)分布的主要因素在于：入口處的低壓回流區(qū)域。內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有熱環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，這就要求設(shè)計(jì)師必須注重這一特征，根據(jù)這一特征展開設(shè)計(jì)。若發(fā)動(dòng)機(jī)艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理就會(huì)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(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣體流動(dòng)的情況，結(jié)果顯示：導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)。研究人員還計(jì)算了艙內(nèi)的空氣流動(dòng)數(shù)值以及傳熱數(shù)值，對(duì)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(duì)艙內(nèi)冷卻效果的不同影響。

3 結(jié)語

汽車的設(shè)計(jì)與制造是一個(gè)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(shí)運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)可以對(duì)汽車進(jìn)行前衛(wèi)的設(shè)計(jì)，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。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)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(jī)械工程，汽車工程。