CFD技術(shù)在汽車(chē)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(chē)外流場(chǎng)分析

隨著近年來(lái)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(lái)越多地應(yīng)用到汽車(chē)設(shè)計(jì)的多個(gè)環(huán)節(jié)，極大地推動(dòng)了汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展。

1.1 車(chē)身整體外部流場(chǎng)分析

通過(guò)汽車(chē)車(chē)身整體外流場(chǎng)的CFD計(jì)算，可以得到車(chē)身表面的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、氣動(dòng)力和氣動(dòng)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(duì)一級(jí)方程式賽車(chē)車(chē)身外流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，改進(jìn)了尾翼設(shè)計(jì)，使賽車(chē)下壓力與空氣阻力得到良好調(diào)節(jié)，增加了賽車(chē)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(duì)某型兩棲車(chē)車(chē)體繞流場(chǎng)進(jìn)行三維瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算，得到繞流場(chǎng)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(wèn)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(duì)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(chē)加裝導(dǎo)流罩可以起到明顯的減阻作用。

1.2 汽車(chē)局部流場(chǎng)分析

車(chē)輪、門(mén)把手及擾流板等部件的局部流場(chǎng)使得整車(chē)外流場(chǎng)變得更加復(fù)雜，其中一些部件又是產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的主要來(lái)源，因此人們?cè)絹?lái)越重視汽車(chē)局部套件對(duì)整車(chē)性能影響的研究。

劉力等［4］運(yùn)用Fl uent軟件對(duì)側(cè)窗全連接、半連接和門(mén)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(chǎng)及寬頻帶噪聲進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：門(mén)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(dòng)的車(chē)輪使車(chē)體下部的氣流變得更加復(fù)雜，車(chē)輪相關(guān)的氣動(dòng)阻力值在整車(chē)的氣動(dòng)總阻力中占30%左右；車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)整車(chē)流場(chǎng)特別是對(duì)汽車(chē)前后輪周?chē)?、汽?chē)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(chē)輪輻板造型對(duì)汽車(chē)外流場(chǎng)的影響，通過(guò)對(duì)車(chē)腔內(nèi)以及車(chē)身底部的壓力等值線和渦量等流場(chǎng)特性的分析，得出輻板上的開(kāi)孔個(gè)數(shù)和面積與車(chē)輪氣動(dòng)阻力及整車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)的關(guān)系。

1.3 復(fù)數(shù)車(chē)輛行駛狀況流場(chǎng)分析

復(fù)數(shù)車(chē)輛行駛的車(chē)輛操縱穩(wěn)定性直接影響行駛安全，包括會(huì)車(chē)、超車(chē)及隊(duì)列行駛3種狀態(tài)，是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程。徐國(guó)英等［6］對(duì)汽車(chē)迎面會(huì)車(chē)過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，根據(jù)會(huì)車(chē)時(shí)壓力場(chǎng)分布情況分析流場(chǎng)特性對(duì)氣動(dòng)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(duì)汽車(chē)行駛穩(wěn)定性的影響。傅立敏等［7］利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛超車(chē)過(guò)程的三維流場(chǎng)數(shù)值仿真，揭示了兩車(chē)外部流場(chǎng)相互干擾的流動(dòng)特性，分析了相對(duì)速度和橫向間距對(duì)車(chē)輛氣動(dòng)特性的影響，進(jìn)一步研究了兩車(chē)縱向相對(duì)位置對(duì)車(chē)輛氣動(dòng)特性的影響規(guī)律以及氣動(dòng)力對(duì)汽車(chē)行駛穩(wěn)定性的影響。王靖宇等［8］研究了隊(duì)列行駛汽車(chē)車(chē)間距離變化時(shí)的空氣動(dòng)力特性以及隊(duì)列中車(chē)輛數(shù)目、車(chē)型對(duì)阻力系數(shù)的影響，研究表明：隊(duì)列行駛車(chē)輛隨車(chē)間距離的縮短其阻力值降低；隨著隊(duì)列中車(chē)輛數(shù)目的增加，平均阻力系數(shù)降低20%～30%。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)分析

2.1 進(jìn)排氣過(guò)程分析

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)內(nèi)氣體流動(dòng)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(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)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(dòng)壓力、速度及湍動(dòng)能分布情況。

空氣濾清器作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要進(jìn)氣組件，其性能優(yōu)劣會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(chǎng)，研究了濾紙的材質(zhì)、尺寸和褶數(shù)等各因素對(duì)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(guò)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(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(mén)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(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。畢小平等［12］建立了坦克排氣流動(dòng)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(chǎng)與溫度場(chǎng)的詳細(xì)分布特性和外界環(huán)境溫度與風(fēng)速對(duì)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(dòng)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程及發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程有更深層次的認(rèn)識(shí)。CFD技術(shù)為研究人員更好地了解缸內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、湍流參數(shù)的變化、燃油粒子的空間分布、燃燒過(guò)程的進(jìn)展?fàn)顩r、傳熱過(guò)程以及缸內(nèi)溫度場(chǎng)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(dòng)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(dòng)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?cè)贑FD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(dòng)特性，結(jié)果表明噴孔入口處的低壓回流區(qū)對(duì)噴孔出口的流動(dòng)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(guò)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(duì)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(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣體流動(dòng)狀態(tài)和熱環(huán)境十分復(fù)雜，如果發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的各部件布置不合理會(huì)阻礙冷卻空氣的流動(dòng)，最終引起艙內(nèi)溫度偏高。張坤等［17］運(yùn)用Fl uent軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的氣體流動(dòng)進(jìn)行三維仿真，發(fā)現(xiàn)冷卻氣體回流是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙過(guò)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(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)冷卻氣體的流動(dòng)，解決了艙內(nèi)溫度過(guò)高的問(wèn)題。王憲成等［18］建立了電傳動(dòng)裝甲車(chē)動(dòng)力艙內(nèi)空氣流動(dòng)與傳熱計(jì)算的物理模型和數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同風(fēng)扇流量下的動(dòng)力艙內(nèi)空氣流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬與分析，并分析排氣窗位置對(duì)艙內(nèi)部件冷卻效果的影響。

2.4 冷卻系統(tǒng)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的數(shù)值模擬是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。田曉虎等［19］應(yīng)用Fl uent軟件對(duì)汽車(chē)百葉窗翅片式熱交換器空氣側(cè)的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)翅片換熱和流動(dòng)性能的影響。黃小輝等［20］建立了裝甲車(chē)輛冷卻風(fēng)道空氣湍流流動(dòng)與傳熱的CFD計(jì)算模型，將其應(yīng)用于車(chē)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(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題，包括水套單相流及氣液兩相流流動(dòng)、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(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和兩相混合流體完整空化湍流模型，對(duì)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(duì)雙空調(diào)系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)的流動(dòng)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(chē)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(duì)汽車(chē)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(duì)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(chē)空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)和傳熱規(guī)律較為復(fù)雜，僅靠實(shí)驗(yàn)測(cè)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(chē)空調(diào)系統(tǒng)中的流動(dòng)狀況，很容易在流場(chǎng)分析中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題并及時(shí)改進(jìn)。

4 風(fēng)噪聲

降低氣動(dòng)噪聲已成為乘用車(chē)NVH研究的重要內(nèi)容，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)和計(jì)算氣動(dòng)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(chǎng)，應(yīng)用Light hill－Curle聲學(xué)理論和F W－H聲學(xué)模型預(yù)測(cè)了其噪聲特性。陳書(shū)明等［27］基于統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）原理分析預(yù)測(cè)車(chē)外噪聲，建立車(chē)身結(jié)構(gòu)和車(chē)外聲腔子系統(tǒng)的車(chē)外噪聲分析預(yù)測(cè)SEA模型，對(duì)車(chē)外噪聲進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)。

5 展望

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用到汽車(chē)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(wèn)題：

（1）深入研究CFD的前處理技術(shù)。汽車(chē)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(jiǎn)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(duì)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(lái)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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