计算流体力学软件在汽车气动问题研究中的应用

张 楠

（重庆电子工程职业学院，重庆401331）

计算流体力学软件在汽车气动问题研究中的应用

张 楠

（重庆电子工程职业学院，重庆401331）

汽车在行驶过程中受到空气的作用力，会对汽车运动产生影响。汽车气动特性的研究是汽车设计研发的重要内容，随着计算机技术与数值计算方法的发展，计算流体力学（CFD）在汽车气动特性的研究中得到日益广泛的应用，特别是各类计算流体力学商业软件使其参与工程设计成为可能。文章在介绍计算流体力学的基础上，结合实例对计算流体力学软件在汽车气动问题研究中的应用进行了探究。

计算流体力学；汽车；空气动力学；数值模拟

计算流体力学（CFD）是流体力学的一个重要分支，它建立在计算机科学和数值计算方法发展的基础之上，是流体力学理论分析、计算机科学及数值计算方法共同发展的产物。计算流体力学以计算机为工具，应用多种数学方法对流体力学基本方程进行数值求解和分析。CFD发展历史虽然不长，但已广泛渗透到流体力学的各个领域，形成了各种不同的数值解法，主要有限差分方法、有限体积方法和有限元法等。通过使用这些方法，CFD可以对各类流动现象进行计算机数值模拟，从而更加深刻细致地理解问题产生的机理。同流体力学实验研究手段相比较，CFD能够极大地节省人力、物力和时间成本，能模拟出实验无法获得的流动现象，并为实验提供指导。CFD与实验方法相结合已广泛应用于预测和控制流体流动性能及各类流体机械的设计及优化之中。

汽车在运动过程中，受到周围空气力的作用，在气动力作用下，既会增加汽车油耗，又会对汽车正常行驶造成影响。由于汽车外形较为复杂，气体流动在汽车表面形成多处分离，对汽车外形的气动特性研究十分困难。传统的汽车外形设计以风洞实验研究为主，但实验成本极高。伴随CFD方法的不断发展，特别是CFD商业化软件的推出，利用CFD软件进行汽车气动性能工程研究成为可能。数值结果能够较为精确地模拟汽车三维外流场，可以帮助设计人员直观深入地分析汽车气动特性，同时相对于实验手段，CFD软件可以缩短汽车设计研发周期并降低成本。

1 计算流体力学软件及汽车气动特性简介

CFD软件在20世纪70年代诞生于美国，在90年代末至近期在工业生产领域中得到真正意义上的广泛应用。随着计算机技术的飞速发展和数值计算方法的日益成熟，出现了大量基于现有流体力学理论的商用CFD软件。商用CFD软件的推出，使并不擅长CFD理论或精通编程的其他专业技术人员能够进行流体力学计算，使他们可以将主要精力放在研究流体力学问题的物理本质和计算结果的分析上，于是工程上涉及流体力学的问题可以得到一定程度的解决。伴随商业CFD软件的改进与完善，其处理问题的复杂性和解决程度正在不断扩展和深入。目前应用比较广泛的CFD软件主要有PHOENICS，STAR-CD，CFX 和 Fluent等。

汽车空气动力学是根据汽车车身造型对汽车整体和局部形状采用实验或计算的方法进行气动特性研究的学科，其目的是对车身造型进行调整和完善，使之具有良好的气动特性。现代汽车造型设计不仅要关注外形的美观和消费者需求，而且要引入汽车空气动力学原理。汽车的气动特性主要包括以下指标：

1.1 空气阻力系数

汽车在行驶过程中所受阻力大小是设计者非常关心的，它直接影响汽车的经济性指标。空气阻力由汽车表面压力分布变化引起，而压力变化与流体动压有关，实际作用力又与作用面积成正比。因此可定义无量纲空气阻力系数Cd[1]：

其中，Fd为空气阻力，A为迎风面积，q为动压力。

1.2 升力系数

汽车的流线型外形会产生浮力。如果汽车受到的浮力过大，它对地面的压力就会减小，地面对车的摩擦力也会相应减小，会对行驶安全造成不利影响。所以在减小空气阻力的同时，也要防止浮力过大。通常在汽车后面装一个扰流板，通过干扰气流来避免产生过大浮力。同样可以定义无量纲升力系数C1：

其中，F1为空气阻力，A为参考面积。

1.3 汽车外表面压力分布

汽车的外表面压力分布不仅直接影响空气阻力，还与汽车行驶稳定性有直接关系，其平衡性可作为汽车外形设计质量的衡量标准之一。

1.4 汽车三维流场分布

对于汽车外流场，主要指标包括速度分布，温度分布，表面压力系数和阻力系数分布等，这些都直接表征了汽车在行驶过程中与外部空气的相互作用关系。此外，现代汽车设计开始逐步重视车舱内流场的状况，这对改善舒适性有着重要意义。

2 计算流体力学软件在汽车气动特性研究中的应用

2.1 汽车气动特性研究

目前CFD软件在汽车中的应用，绝大部分都集中在对汽车外部流场的模拟上。通过数值计算获得上节所述的主要气动指标，用以了解汽车在运动过程中整体与局部的细致流动过程。

通常使用CFD研究此类问题，所使用软件需包括以下三个主要模块：前处理器、求解器和后处理器。以Fluent软件为例，Gambit是其前处理器，具有很强的组合建模能力，并能导入其他CFD前处理器或CAD软件建立的几何模型；求解过程基于N-S方程，通常采用RANS方法求解，Fluent软件构建了丰富的湍流模型用以封闭方程，可根据算例特点进行选择。在前处理器构建或导入的几何模型基础上，设置适合的初始及边界条件，并选择合适的离散格式后，便可进行数值计算；Fluent的后处理模块具有三维显示功能和强大的图形化功能，可以让研究人员直观地查看模拟结果，并根据定量定性结果做出分析。其他CFD软件的求解过程与Fluent基本相同，只是在某些模型所基于的假设和具体参数设置上有所不同，针对不同的问题处理能力也不尽相同。

图1所示是CFD软件计算得到的某型汽车外部流场图。

除定性结果外，研究人员可能更关心气动特性主要指标的定量结果。图2是利用Fluent计算得到的汽车外表面压力分布图，图中不仅显示了压力分布状况，还能得到具体压力数值。图3是外流场速度矢量图，同样可供研究者进行定量定性分析，并且通过图形显示工具能够对关心的细节部分进行精细研究。

利用CFD软件还能够获得阻力系数、升力系数等空气动力学数据，结合车身表面压力分布、三维流场速度分布等结果，并通过图形化功能对结果的直观表现，可以对汽车进行气动特性分析。

图2 汽车外表面压力分布图[3]

图3 外流场速度矢量图[3]

2.2 汽车会车或并列行驶的气动问题研究

伴随道路车辆增多，多台车辆会车、超车或并列行驶的瞬态过程中，空气动力对车辆的作用正在成为一个重要的研究方向。这对研究此类状态下汽车行驶与操作稳定性具有重要意义。

图4是轿车与大客车超车时，两者表面静压分布。图5是轿车与大客车会车时，轿车气动力系数的瞬态变化。通过分析计算结果，获得在会车或超车等并列行驶过程中，汽车所受气动力作用的变化过程。这可以帮助研究人员发现可能产生的操作稳定性问题，为改善设计提供参考数据，有助于提高车辆行驶安全。

图4 轿车与大客车超车时候的静压图[2]

图5 轿车与大客车会车时轿车气动力系数的瞬态变化[4]

2.3 汽车相关气动问题研究

同外部流场相比，汽车内部流场研究更多地关注驾乘舒适性。通过计算分析车身内部的温度场和速度场，可以为空调制冷找出关键部位，以便改善制冷效果，提高空调效率，降低能耗。同时还能指导空调出风口和车舱进风口位置与车窗及座椅设计。

CFD在汽车发动机设计中也有着广泛的应用前景。通过模拟进气、燃烧、排气等过程，数值计算结果可以为减小进排气阻力、优化气路设计、提高燃烧效率等提供数据依据。在研究爆燃爆震和预混燃烧及点火成因方面也有着重要意义。

CFD软件在航空发动机研究中有积极贡献。在汽车油泵和涡轮增压器等涉及使用叶片的装置中，可以吸收借鉴航空发动机叶片研究的经验，用CFD软件优化叶片设计，以提高效率，降低能耗。

近年来汽车噪声成为一个新的热点问题，正在得到更多关注。利用声学分析软件结合CFD软件，对汽车行驶过程及发动机运转过程中产生噪声的机制机理问题研究，已取得了一些有意义的结果，为汽车外形改进设计及消声器装置的设计与结构改进提供了新的研究途径。

3 CFD软件应用展望

通过以上实例可以看到，CFD软件通过对各类问题进行计算，能够得到阻力系数、升力系数等数据以及车身表面压力分布、三维外流场分布等结果，并能够通过软件的图形化功能将这些结果直观地表现出来，为设计者提供了汽车气动特性分析的依据。商用CFD软件在汽车设计与气动性能改进中正得到日益广泛的应用，通过仿真计算所获得的气动特性信息将会逐步丰富和可靠。计算机技术的发展使得数值计算对资源与成本的需求不断降低，同时能缩短开发周期，提高汽车制造业自主设计能力。在未来的汽车工业生产领域中，CFD软件将更多地取代实验成为设计研发的主要手段。

当然，由于CFD软件所基于的一些基本流体力学问题尚未得到完全的解决，以及真实流场中实际空气流动的复杂性，利用软件计算获得的流场信息与真实流场不可避免地存在偏差。在现阶段CFD软件仍需要和风洞试验等相结合，彼此补充以解决空气动力学的各种问题。

[1]喻凡，林逸.汽车系统动力学[M].北京：机械工业出版社，2005：69-86.

[2]翁志勇，罗红梅，陈见.计算流体力学商用软件及其在汽车领域中的应用[J].天津汽车，2008，11：52-55.

[3]薛劲橹，张兵志，徐国英.Fluent在汽车气动特性研究中的应用[J].装甲兵工程学院学报，2009，23(3)：33-37.

[4]李杰，张英朝，张喆，傅立敏.轿车大客车会车时的气动特性[J].同济大学学报（自然科学版），2010，38(2)：278-284.

Application of Computational Fluid Dynamics Software in Research of Aerodynamic Characteristics of Automobiles

ZHANG Nan
(Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

The research of aerodynamic characteristics plays an important role in automobile design.Along with the development of computer technology and numerical calculation method,computational fluid dynamics(CFD)is widely applied in the study of aerodynamic characteristics of automobiles.Nowadays,kinds of CFD softwares are used for engineering design.A brief introduction of CFD is presented.With several simple examples,the application of CFD software in the research of aerodynamic characteristics is illustrated.

computational fluid dynamics;automobile;aerodynamics;numerical simulation

U461.1

A

1674－5787（2011）02－0125－03

2010-12-28

张楠(1981—)，男，河北秦皇岛人，博士，重庆电子工程职业学院汽车工程系，讲师，研究方向为计算流体力学研究。

责任编辑 王荣辉