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CFD技术进展及其在汽车设计的应用

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摘要:计算流体力学是流体力学的一个分支,在整个流体力学中的地位也十分突出。现代汽车技术随着科学技术的不断革新和进步,与以前相比汽车整体结构变得越发复杂,在汽车综合性能研发中,空气动力特征起着重要作用。计算流体力学正被大量应用于现代汽车开发过程,它的应用将使传统所需的风洞试验次数大大减少,降低设计成本,缩短研发周期。本文着重介绍了目前国内CFD技术(计算流体动力学)的发展现状,以及基于CFD技术在汽车整车设计方面的应用,并对计算流体力学的发展和应用进行了综述,对其发展趋势做了探讨。

关键词:计算流体力学;汽车设计;空气动力学

一、引言

近年来,随着计算机技术的迅猛发展,结构分析的技术已基本成熟,应用也日趋广泛,而对更为复杂的流动问题的模拟计算也在不断地进展之中,计算流体力学(ComputationalFlu-idDynamics简称CFD)在汽车设计的多个环节中受到广泛关注[1]。传统的汽车空气动力学研究分为实验和理论两种方法,风洞实验测试的方法耗资大,成本高,对于经济相对一般的企业和研发单位根本无法进行。随着计算机技术的进步和模拟软件的日趋成熟及计算流体力学的发展,部分复杂、需要进行风洞实验的就可以通过电脑进行数值模拟[2]。CFD可用于研究环绕汽车的流场,来评定车身结构的噪声、空气动力学性能、空调系统和发动机内的气体流动情况等性能。模拟计算不需要实车或模型,只需在计算机上对相关实验进行模拟分析,节省了大量的试验经费。通过模拟可对实验结果和相应数据进行预测分析,得到三维流场的详细信息,供设计部门参考,为修改设计方案提供佐证。随着商用车开发水平的不断提高,相关的空气动力学问题,例如汽车的动力性、经济性、操纵稳定性等方面提出了更高要求[3]。

二、CFD仿真的概念和特点

CFD模拟就是为得到更加准确地进出流场的宏观现象,从而对气流的运动进行微观描述的现象。质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律三大定律组成一切流体运动的基本定律。由这三大定律分别导出连续性方程、动量方程(即纳维尔-斯托克斯方程)和能量方程,联立可得到纳维尔-斯托克斯方程组,简称N-S方程组[4]。流体流动所遵守的普遍规律便是纳维尔-斯托克斯方程组。通过对N-S方程组求解,得出流场的速度、温度、压力等物理量分布状况。汽车空气动力学模拟仿真是借助电脑将计算流体力学应用于汽车空气动力学研究的一种方法,即将设计的产品进行模仿风洞实验的状况,并运用数值分析方法计算模拟汽车结构的空气动力学问题,为获得良好的汽车外形造型提供科学依据。与风洞实验相比,汽车空气动力学现代模拟仿真不仅节省研发时间和费用,还有以下特点[5]。1.便于与CAD、CAM系统相衔接。

2.计算机模拟不受风洞条件和自身能力的限制(如洞壁干扰和实验阶段的阻塞效应以及研发经费短缺等),计算机仿真可以模拟真实风洞环境并可将模拟空间做得很大,用以清除所受的限制[6]。

3.经过计算机模拟以及解流体力学方程组,可获得比真实风洞试验更多的信息,有的信息更是目前实验难以测量和解释的。

三、CFD的应用现状

随着现代科学技术水平的不断提高,各个行业及领域均得到快速发展。在这样的环境背景下,新技术的出现势必会对计算流体力学提出新的标准和要求,但是这也为计算流体力学的进一步发展带来了新的机遇[7]。同时,计算机技术的日渐成熟也为计算流体力学的快速发展注入了新的活力。经过短短的十余年,其应用已涉及汽车车身设计、汽车内部空间的空调与通风、发动机内部的气体流动以及冷却系、汽车液力变矩器、废气涡轮增压器中的压气机和涡轮的叶轮与蜗壳等中的流动现象的研究与计算,同时进一步发展到研究汽车与发动机中传热、燃烧以及预测噪声强度与模具设计等相关的问题。比如,汽车发动机运转过程以及气道内的流动模拟,汽车发动机的重要部件之一是进、排气道,其优劣程度将直接影响到汽车的经济性、动力性等,在倡导节能环保的新时代下,如果有害物质排放过高,在与其他产品竞争时将处于劣势地位。运用CFD技术对气道内气体流动状况进行模拟分析,获得更加准确的气道内压力、流速等参数的变化规律,便于建立气道结构与其变化规律以及相关特征(包括流量系数、涡流比等)的关系,为科研人员设计与改进提供科学依据。随着科学技术的发展与进步,CFD在飞行器流场计算、旋翼计算、发动机内流计算、导弹投放、水下流体力学、汽车造型设计等方面获得大量关注与应用。这表明CFD技术在解决工程实际问题方面具有举足轻重的实用价值。

四、CFD在汽车领域中的应用

计算流体力学在汽车领域中的应用,主要集中于汽车外流场的数值模拟计算。CFD软件是进行车型空气动力学性能选优的重要工具,在对车身设计中发挥着重要作用。使用CFD技术对整车前端造型将有很大帮助。汽车行驶中,整车前端部位受到很大的迎风阻力,这对空气动力性产生较大影响。计算流体力学对顶盖外形设计也有帮助。对车身外部流场的分布状况分析得出,在整车尾部容易形成涡流,但当车身顶盖外形呈鼓状时,气流可平稳通过,因此在整车设计时,要运用CFD技术进行车身模拟计算分析,得出最优车身结构,避免涡流形成。模拟表明,纵向曲率在适当范围内可以使气流平顺地通过汽车底盘与地面的间隙,从而减少气流的阻塞程度以及汽车的阻力和升力。汽车高速行驶时易滑移,严重时会将汽车掀翻,因此运用CFD技术分析车身外流场的分布状况,设计出合理有效的扰流板方案,其能有效减少升力,增加轮胎的附着力,使汽车在高速时平稳行驶。

五、展望

现如今,计算机模拟技术的发展日新月异,CFD技术被广泛地应用到汽车综合性能研发设计的诸多领域,但仍存在需要进一步解决的问题。CFD技术在汽车整车结构及零部件设计中得到广泛应用,在研发中节约成本,缩短研发周期,设计效果得到优化,具有更加科学的实验数据,使汽车在较短时间内进入整车制造与分析评估阶段。随着科学技术的发展,CFD技术会成为汽车研发的重要工具。

参考文献:

[1]董贵杨,谭华,杨自双,周春华,谭业发.CFD技术在汽车工程领域中的应用研究[J].机械工程与自动化,2013:219-221.

[2]庞永.计算机分析在汽车工业中的应用———计算流体力学、有限元分析和动态模拟是汽车工程师的必备工具[J].轻型汽车技术,1998:24-30.

[3]刘晓波,华祖林,何国建.计算流体力学的科学计算可视化研究进展[J].水动力学研究与进展(A辑),2004:120-125.

[4]李翠萍,李建华,吴宁宁,张绍龙.基于CFD的FSAE赛车车身优化设计[J].机械设计,2014:70-73.

[5]常思勤.汽车发动机气道流动模拟的数学模型与数值算法[J].武汉汽车工业大学学报,1996:3-7.

[6]蔡荣泉.船舶计算流体力学的发展与应用[J].船舶,2002:8-13.

[7]杨楠山,史立地,张月.计算流体力学的发展探究[J].科技经济导刊,2017:66.

作者:张树玲;张燕然;张波;朱学军 单位:宁夏大学

汽车与新动力杂志责任编辑:张雨    阅读:人次

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