基于CFD的汽车外流场数值模拟的发展概述

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在传统的汽车空气动力学研究中，大多采用风洞实测的方法，该方法造价高、耗资大，在一般的经济条件下根本无法进行。近年来，随着计算机技术和湍流技术的发展，把原来只能在风洞中进行的试验转化到计算机上来。尽管一般认为试验的可信度高，但是在模型风洞试验中存在着动力相似和几何相似的影响，还要考虑风洞边界条件的影响和湍流、风速、风向、雷诺数等，试验结果要进行换算，而且还存在采集数据的测量误差等问题，尽管试验技术在不断地完善，但是还仍然存在一些问题。道路试验还受到自然条件、交通状况的限制，要得到准确的结果，需要非常谨慎。
随着计算机技术和湍流理论的发展，计算流体力学CFD(Calculation Fluid Dynamics)的方法被运用到汽车空气动力学研究中。汽车外流场数值模拟就是利用数值模拟的方法对汽车行驶中的外流场进行分析，与传统的研究方法结合，有效地改善汽车性能、节约研究资金、提高研究效率。
1 汽车空气动力学研究的内容和意义
汽车车身的外形设计的主要依据是机械工程学、人机工程学和空气动力学。前两者决定了汽车的基本骨架，从内部制约了汽车车身的外形，空气动力学则是来自汽车外形的制约条件。空气动力特性直接影响着汽车的驱动特性、稳定性、操作性、燃油经济性、加速性能和噪声特性等。有的时候甚至直接影响行驶安全。其研究内容有以下几方面：
(1) 汽车行驶中所受气动力和气动力矩可以分解为阻力、升力、侧向力、横摆气动力矩、纵倾气动力矩和侧倾气动力矩6个分量。对汽车性能影响的研究主要是指气动阻力、气动升力、气动侧向力及各气动力矩对汽车操纵稳定性影响的研究，同时也包括了汽车周围压力场的研究、气动力和气动力矩形成机理的研究、空气阻力对汽车动力性和经济性影响的研究等；
(2) 汽车行驶中各部位的流场研究；
(3) 汽车发动机的冷却和车内通风的研究，包括车身表面压力分布的研究、发动机冷却气流和车内通风气流等；
(4) 汽车气动噪声的研究，包括气动噪声形成机理和控制方法的研究等。
空气阻力的研究不仅仅是从提高车辆性能的要求考虑，更重要的是具有重大经济意义。目前世界汽车保有量已达6亿多辆，汽车运输量占总运输量的70%左右。这些车辆在运输中几乎全部采用石油燃料，需消耗世界石油产品的1/4。在长期的开发过程中，人们已经运用多种途径来达到节油的经济目的，如改进燃油品质，用柴油机代替汽油机，采用复合动力装置，采用新型替代燃料及制定先进的标准等办法。但是节能效果最为明显的就是减小汽车的空气阻力、滚动阻力和改善发动机微机控制等方法，因为汽车结构所限，再多的变化与新技术的运用仍然要考虑到减小空气阻力和动力输出。
在汽车性能日趋提高的同时，高等级高品质公路也越来越普遍了，汽车平均车速得以大幅度提高,而当车速较高时，汽车空气阻力迅速增加，当车速大于70km/h时，载货汽车所受空气阻力占行驶阻力的一半以上。减小空气阻力节能，不仅对轿车而且对商用车辆都有很大的意义。若干国产车型的实车风洞实验结果表明：空气阻力普遍比国外同类车高15%~20%。如果能减少这部分气动阻力，我国汽车燃油将降低3.75%~5%，如果按照我国目前汽车保有量1200~1500万辆，仅降低气动阻力2%，年节油量将有几千万升。
2 汽车流场数值模拟的发展及特点
为了克服传统汽车空气动力学研究中的弊端，计算流体力学（CFD）在汽车空气动力学中得到了广泛的应用。因为同试验相比，它具有可预先研究、不受条件（支架的干扰、模型弹性变形）限制、信息丰富、成本低和周期短等特点。在某种意义上，应用CFD研究汽车外流场比理论和试验对流体的运动过程认识得更为深刻、更为细致，不仅可以了解气流运动的结果，而且可以了解整体与局部的细致过程，能得到一些实验手段所得不到（如细微湍流结构）的理解和认识。CFD可以方便灵活地改变初始条件和边界条件，并且可以获得整个流场中任意一点处的详细状况，使得研究流动机理变得方便可能。
汽车流场数值模拟方法也存在一些缺陷，数值模拟需要有合适的数值计算方法。而现有的数值方法都存在收敛性和精度上的不足，有待改进。数值模拟受到计算机速度和容量的限制，对于一些复杂问题，其计算费用比较高。数学模型的简化、计算机的精度以及数值处理的误差都会导致计算结果的不可靠。数值模拟计算过程中很可能出现不稳定性而导致不收敛。因此，还不能用数值模拟完全代替模型试验。
计算流体力学在汽车工程方面的应用最早是从20世纪60年代开始的，主要用于发动机进气及气缸流动的数值模拟、汽车制动等液力系统数值计算及汽车空气动力数值模拟等。80年代初期，计算的对象还限于车身的基本形状，如今已经发展到包括后视镜、扰流板、复杂底板、移动地面、发动机舱、车轮等复杂的车体模拟，横向风稳定性、两车相遇的瞬态空气动力特性等方面的模拟。在精度方面，可以把C■计算精度误差降到5%以内。
汽车空气动力外形设计内容主要是光顺汽车表面形状，消除或控制流动分离和涡流的产生；调整车身迎风面上车头、前窗和背风面上后窗、车

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秋填

不错，还是直接发内容比较好，带附件的时间久了都丢失了