论汽车工程领域中CFD技术的应用

摘 要：改革开放以来，随着时代的发展与社会的进步，汽车作为最重要的交通方式之一，已经成为家家户户必不可少的一部分。综上所述，本文主要针对物体力学在汽车领域的应用现状，分析了CFD技术在汽车中的各个领域中的研究情况，指出缺陷并提出相应的改进意见。

关键词：汽车工程；CFD技术；应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.135

1 汽车外流场分析

1.1 车身整体外部流場分析

近年来， 随着赛车行业的不断兴起，对于赛车的要求也越来越高。传统的赛车具有稳定性差、操作不灵活等缺陷。为了弥补这一缺陷，越来越多的设计师绞尽脑汁。其中，CFD技术可以对车身表面的压力场、速度场、气动力以及启动力矩进行准确计算，最终得出风阻系数的设计参数。目前，CFD技术已经广泛应用于汽车行业，以设计师SatyanChandra为例，此设计师应用CFD技术对车身外形的流场进行计算，降低了赛车在户外的空气阻力，提高了赛车运行过程中的稳定性。设计师高富东利用RNGK-ε湍流模型、流体体积法（VOF）和压力隐式算子分割（PISO）算法，对两栖车车体的相关数据进行分析，解决了传统两栖车在行进过程中误差不断加大的缺陷。王新宇等设计师则对流罩状态、驾驶室与货箱间距和侧防护板的风阻进行分析，研究降低其阻力的方法。实验结果表明：导流罩对降低带货箱的阻力有着不可代替的重要作用。

1.2 汽车局部流场分析

随着人民物质需求的不断增加，人们的安全意识与审美意识都在不断地提高。所以，对于汽车行业来说，汽车设计在保证安全的同时也必须保证外形以及细节的美观。传统汽车的整车外流场普遍具有噪声大、形式复杂的缺陷，而导致这些缺陷的主要原因在于：车轮、门把手的局部流场过大。因此，近年来设计师的主要改革方向都是针对于局部套件而进行的，人们也越来越希望局部套件对整车性能的影响力度最小化。相关研究人员利用Fluent软件分别研究了三种情况：第一，侧窗全连接后视镜基座模型；第二，侧窗半连接后视镜及做模型；第三 ，门外板连接后视镜基座模型；分析了三种情况对车身附近流场的影响情况。研究结果表明：门外板连接基座的造型加大了侧窗气流的流通性，同时转动的车轮又加大了车身下部的气流。当车轮转动时，会降低车身附近以及汽车侧面与地面的阻力数值。傅立敏通过研究影响汽车外流畅的因素时发现，车轮辐板的面积与孔数跟整车以及车轮的气动阻力有着一定的联系。

2 发动机内部流动分析

2.1 进排气过程分析

由于发动机进排系统内的气体流动具有复杂、变化性强以及分布不均的特点，所以，一般的方式无法准确地判断发动机的内部情况。但是利用CFD技术可以准确地模拟出发动机流道内的气体流动、速度以及湍动能的分布情况。根据研究，不难发现，由于空气滤清器在发动机内有着不可替代的重要作用，所以其质量的优劣程度也是影响发动机性能（例如：使用寿命、经济性）的主要因素之一。综上所述，相关研究人员利用CFD技术研究了空气滤清器的内部流场，具体分析了各种因素对空气滤清器的影响规律以及各因素之间的潜在联系。进气道也是影响发动机的重要因素之一，其合理性是混合气体形成、更换的重要环节，其中螺旋进气道的设计是整个气道设计的重难点。

研究人员对高升功率柴油机高压差螺旋进气道进行了CFD稳态分析，利用分析结果对一维非定常模型进行气门流通系数修正，根据修正的仿真模型进行改进设计的进气道具有良好的进气性能。研究人员利用CFD技术对排气系统中紧耦合催化转化器、二级催化转化器、主消声器和副消声器等部件进行数值计算，分析其流动特性，找出各部件排气背压的产生原因并改进结构，得到了很好的效果。

2.2 缸内分析

随着环保理念的深入人心，以及油费价格的不断上涨。促使出现了一些循环利用性较强，较为环保的新技术。例如：高压电控喷射、汽油直接喷射等。但是，新技术的产生也要求相关人员必须提高自身的专业素养，增强对发动机内部的工作流程以及细节内部的了解程度。但是，利用CFD技术能够将发动机的工作流程以及内部细节简单化，让每一个工作人员能够更加显而易见地明白与了解缸内物体的运动过程、燃油粒子的空间分布、燃烧过程的进展状况。

相关人员进行了以下三种研究：第一，对发动机内部常用的物理模型、计算方法以及网络生成技术进行分析，总结其各自的特点；第二，利用CFD技术对喷雾破碎模型的孔式喷嘴流动模型和基于表面波不稳定性理论的WAVE模型、KH-RT模型、HuhGosman模型和LISA模型进行深入分析；第三，对针阀偏心时各喷孔内部空穴的特性进行分析，其结果显示：影响喷孔出口流动分布的主要因素在于：入口处的低压回流区域。内燃机的燃烧过程具有一定的复杂性，相关研究数据表明：内燃机的燃烧模型、CFD技术、湍流特性以及化学特性之间存在着相辅相成的关系。

2.3 舱热管理分析

发动机舱的内部结构具有热环境复杂的特点，这就要求设计师必须注重这一特征，根据这一特征展开设计。若发动机舱的内部结构不合理就会出现冷却空气不流通、舱内温度过高的现象。相关研究人员根据Fluent软件模拟了发动机舱内气体流动的情况，结果显示：导致发动机舱过热的根本原因在于：冷却气体的回流。根据这一现象，相关研究人员建议利用增加阻风板的方式，降低舱内的温度，保证冷却空气的正常流动。研究人员还计算了舱内的空气流动数值以及传热数值，对不同大小风扇在舱内的不同情况进行分析，总结排气窗位置的不同，对舱内冷却效果的不同影响。

3 结语

汽车的设计与制造是一个系统性的工程，我国的汽车工业应当从基础制造能力出发通过不断积累提升自身的基础制造能力，同时运用先进的计算机技术可以对汽车进行前卫的设计，为汽车的生产提供理论基础，降低汽车后期的生产成本提升汽车的可靠性。

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，2014（03）.

[2]周铸，黄江涛，黄勇，刘刚，陈作斌.CFD技术汽车工程领域的应用、挑战与发展[J].航空学报，2015（03）.

作者简介：张均红（1973-），男，湖北红安人，本科，工程师，研究方向：金属材料与热处理，机械工程，汽车工程。