董貴楊，譚 華，楊自雙，周春華，譚業(yè)發(fā)

（解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007）

1 汽車外流場分析

隨著近年來計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，CFD數(shù)值模擬方法已越來越多地應用到汽車設(shè)計的多個環(huán)節(jié)，極大地推動了汽車技術(shù)的發(fā)展。

1.1 車身整體外部流場分析

通過汽車車身整體外流場的CFD計算，可以得到車身表面的壓力場、速度場、氣動力和氣動力矩，進而得出風阻系數(shù)等一系列設(shè)計參數(shù)。

Satyan Chandra等［1］運用CFD對一級方程式賽車車身外流場進行模擬分析，改進了尾翼設(shè)計，使賽車下壓力與空氣阻力得到良好調(diào)節(jié)，增加了賽車的高速穩(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，運用Fl uent軟件對某型兩棲車車體繞流場進行三維瞬態(tài)數(shù)值計算，得到繞流場的速度與壓力分布、阻力和興波特性，解決了以往由于忽略興波特性導致數(shù)值計算結(jié)果隨航速提高誤差不斷增大的問題。王新宇等［3］運用CFD研究了導流罩狀態(tài)、駕駛室與貨箱間距和側(cè)防護板對風阻的影響，并分析其減阻機理，研究表明：帶貨箱的商用車加裝導流罩可以起到明顯的減阻作用。

1.2 汽車局部流場分析

車輪、門把手及擾流板等部件的局部流場使得整車外流場變得更加復雜，其中一些部件又是產(chǎn)生氣動噪聲的主要來源，因此人們越來越重視汽車局部套件對整車性能影響的研究。

劉力等［4］運用Fl uent軟件對側(cè)窗全連接、半連接和門外板連接3種形式后視鏡基座模型的表面及附近空間區(qū)域的流場及寬頻帶噪聲進行了對比分析，結(jié)果表明：門外板連接的基座造型能夠加強側(cè)窗附近氣流的通順性；轉(zhuǎn)動的車輪使車體下部的氣流變得更加復雜，車輪相關(guān)的氣動阻力值在整車的氣動總阻力中占30%左右；車輪轉(zhuǎn)動對整車流場特別是對汽車前后輪周圍、汽車側(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］研究了車輪輻板造型對汽車外流場的影響，通過對車腔內(nèi)以及車身底部的壓力等值線和渦量等流場特性的分析，得出輻板上的開孔個數(shù)和面積與車輪氣動阻力及整車氣動阻力系數(shù)的關(guān)系。

1.3 復數(shù)車輛行駛狀況流場分析

復數(shù)車輛行駛的車輛操縱穩(wěn)定性直接影響行駛安全，包括會車、超車及隊列行駛3種狀態(tài)，是一個瞬態(tài)過程。徐國英等［6］對汽車迎面會車過程進行了仿真研究，根據(jù)會車時壓力場分布情況分析流場特性對氣動特性的影響，得到了側(cè)向力和橫擺力矩隨間距和速度的變化情況，進而分析了其對汽車行駛穩(wěn)定性的影響。傅立敏等［7］利用動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)了車輛超車過程的三維流場數(shù)值仿真，揭示了兩車外部流場相互干擾的流動特性，分析了相對速度和橫向間距對車輛氣動特性的影響，進一步研究了兩車縱向相對位置對車輛氣動特性的影響規(guī)律以及氣動力對汽車行駛穩(wěn)定性的影響。王靖宇等［8］研究了隊列行駛汽車車間距離變化時的空氣動力特性以及隊列中車輛數(shù)目、車型對阻力系數(shù)的影響，研究表明：隊列行駛車輛隨車間距離的縮短其阻力值降低；隨著隊列中車輛數(shù)目的增加，平均阻力系數(shù)降低20%～30%。

2 發(fā)動機內(nèi)部流動分析

2.1 進排氣過程分析

發(fā)動機進排氣系統(tǒng)內(nèi)氣體流動非常復雜，瞬變性強，分布不均勻且其內(nèi)流系統(tǒng)的運動對發(fā)動機性能的影響很大。CFD數(shù)值模擬方法可以獲得流道內(nèi)氣體流動壓力、速度及湍動能分布情況。

空氣濾清器作為發(fā)動機的重要進氣組件，其性能優(yōu)劣會影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和使用壽命。李佳等［9］應用CFD仿真計算空氣濾清器內(nèi)部流場，研究了濾紙的材質(zhì)、尺寸和褶數(shù)等各因素對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制。進氣道的合理設(shè)計是決定混合氣形成、充量更換和燃燒過程優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而螺旋進氣道由不規(guī)則曲面構(gòu)成，形狀非常復雜，是進氣道設(shè)計的難點。孫利魏等［10］對高升功率柴油機高壓差螺旋進氣道進行了CFD穩(wěn)態(tài)分析，利用分析結(jié)果對一維非定常模型進行氣門流通系數(shù)修正，根據(jù)修正的仿真模型進行改進設(shè)計的進氣道具有良好的進氣性能。谷芳等［11］利用CFD技術(shù)對排氣系統(tǒng)中緊耦合催化轉(zhuǎn)化器、二級催化轉(zhuǎn)化器、主消聲器和副消聲器等部件進行數(shù)值計算，分析其流動特性，找出各部件排氣背壓的產(chǎn)生原因并改進結(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與傳熱的計算流體力學模型，應用Fl uent軟件完成三維數(shù)值分析，得到了坦克排氣流場與溫度場的詳細分布特性和外界環(huán)境溫度與風速對排氣的影響，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)動機的燃油經(jīng)濟性和排放的要求不斷提高，促進了一些新技術(shù)的相繼出現(xiàn)，如高壓電控噴射、預噴射、汽油直接噴射和廢氣再循環(huán)等。這些技術(shù)需要人們對發(fā)動機的工作過程及發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過程有更深層次的認識。CFD技術(shù)為研究人員更好地了解缸內(nèi)流體的運動過程、湍流參數(shù)的變化、燃油粒子的空間分布、燃燒過程的進展狀況、傳熱過程以及缸內(nèi)溫度場的分布情況提供可能。

清華大學許元默等［13］研究了發(fā)動機缸內(nèi)數(shù)值模擬中常用的物理模型、計算方法及網(wǎng)格生成技術(shù)，并分析了各模型的應用特點。史春濤等［14］研究了噴霧破碎模型的孔式噴嘴流動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模型以及它們在CFD軟件中的應用。何志霞等［15］研究了針閥偏心時各噴孔內(nèi)部空穴的流動特性，結(jié)果表明噴孔入口處的低壓回流區(qū)對噴孔出口的流動分布影響較大。內(nèi)燃機燃燒是非常復雜的湍流燃燒過程，CFD模擬的準確性依賴于燃燒模型的正確選擇，而燃燒模型的準確性又依賴于對湍流特性及各種燃料燃燒化學特性的了解，史春濤等［16］研究了內(nèi)燃機燃燒模型的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.3 艙熱管理分析

發(fā)動機艙內(nèi)的氣體流動狀態(tài)和熱環(huán)境十分復雜，如果發(fā)動機艙內(nèi)的各部件布置不合理會阻礙冷卻空氣的流動，最終引起艙內(nèi)溫度偏高。張坤等［17］運用Fl uent軟件對發(fā)動機艙內(nèi)的氣體流動進行三維仿真，發(fā)現(xiàn)冷卻氣體回流是導致發(fā)動機艙過熱的根本原因，并提出添加阻風板的改進方案，有效地改善了該車型發(fā)動機艙內(nèi)冷卻氣體的流動，解決了艙內(nèi)溫度過高的問題。王憲成等［18］建立了電傳動裝甲車動力艙內(nèi)空氣流動與傳熱計算的物理模型和數(shù)學模型，對不同風扇流量下的動力艙內(nèi)空氣流場進行了三維數(shù)值模擬與分析，并分析排氣窗位置對艙內(nèi)部件冷卻效果的影響。

2.4 冷卻系統(tǒng)分析

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中流動與傳熱現(xiàn)象的數(shù)值模擬是發(fā)動機設(shè)計的一個重要問題。田曉虎等［19］應用Fl uent軟件對汽車百葉窗翅片式熱交換器空氣側(cè)的流場、壓力場和溫度場進行了模擬研究，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對翅片換熱和流動性能的影響。黃小輝等［20］建立了裝甲車輛冷卻風道空氣湍流流動與傳熱的CFD計算模型，將其應用于車輛冷卻風道設(shè)計中，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)動機冷卻系統(tǒng)中的流動與傳熱問題，包括水套單相流及氣液兩相流流動、流固耦合傳熱、一維與三維聯(lián)合模擬等該領(lǐng)域熱點內(nèi)容。夏冬生等［22］應用動網(wǎng)格技術(shù)和兩相混合流體完整空化湍流模型，對某型柴油機氣缸套主推側(cè)的冷卻水空化流進行非定常數(shù)值模擬。

3 空調(diào)系統(tǒng)性能模擬分析

L.Ye對雙空調(diào)系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)的流動控制進行優(yōu)化，把溫度調(diào)節(jié)控制裝置膨脹值作為改進汽車空調(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對汽車空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器總成進行數(shù)值模擬，改進了系統(tǒng)的設(shè)計。Christopher J.Seeton等人則是對蒸發(fā)器系統(tǒng)中蒸發(fā)器芯體的結(jié)構(gòu)和性能進行了分析［25］。汽車空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部流動和傳熱規(guī)律較為復雜，僅靠實驗測試很難達到精確設(shè)計的目的，而CFD數(shù)值模擬可以比較快捷、準確及直觀地反映汽車空調(diào)系統(tǒng)中的流動狀況，很容易在流場分析中發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的問題并及時改進。

4 風噪聲

降低氣動噪聲已成為乘用車NVH研究的重要內(nèi)容，對其進行計算流體力學和計算氣動聲學分析具有重要意義。洪四華等［26］采用大渦模擬模型計算后視鏡的瞬態(tài)外流場，應用Light hill－Curle聲學理論和F W－H聲學模型預測了其噪聲特性。陳書明等［27］基于統(tǒng)計能量分析（SEA）原理分析預測車外噪聲，建立車身結(jié)構(gòu)和車外聲腔子系統(tǒng)的車外噪聲分析預測SEA模型，對車外噪聲進行了分析預測。

5 展望

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)越來越多地應用到汽車研發(fā)設(shè)計中的諸多領(lǐng)域，但仍存在需進一步解決的問題：

（1）深入研究CFD的前處理技術(shù)。汽車工程領(lǐng)域中幾何模型及其復雜，礙于目前網(wǎng)格前處理工具的局限性，只能簡化甚至忽略很多部件才能生成合理的計算網(wǎng)格，這種失真在很大程度上影響了數(shù)值模擬的準確性。

（2）完善豐富各種物理化學模型。目前，針對排放、燃燒和燃油噴霧等方面的各種物理化學模型還需進一步完善。

（3）改進CFD的計算方法。目前，計算速度的提高更多依賴于計算機速度的提高，而計算方法的改進所帶來的計算時間的縮短效果并不明顯，先進的CFD技術(shù)應具備較高的求解精度和求解速度。

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