基于CFD的空氣動力特性分析與優(yōu)化

ainet.cn 2009年03月01日

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車身開發(fā)與車內(nèi)外的氣流的分析密切相關(guān)，如車身的外形決定了汽車的外流場形態(tài)，從而決定了汽車風(fēng)阻的大小，前部進風(fēng)口是否合理決定了發(fā)動機散熱效果。近年來，繼結(jié)構(gòu)有限元分析（FEM）成功地應(yīng)用于汽車產(chǎn)品開發(fā)之后，CFD分析也越來越多地應(yīng)用于車身開發(fā)過程中。汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的好壞影響到各出風(fēng)口的風(fēng)量分配是否合理以及調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量的能力，機艙流動狀況直接影響散熱的效果，等等。CFD分析可以用計算機模擬的方法，在設(shè)計的前期對上述問題給出及時的預(yù)測，對設(shè)計進行改進優(yōu)化，如果在設(shè)計階段不能及時發(fā)現(xiàn)這些問題，到定型投產(chǎn)后再改設(shè)計，將造成成本和周期上的巨大浪費，市場的損失更是無可挽回的。

CFD分析的原理是計算流體力學(xué)，大部分CFD軟件利用有限體積法求解流體力學(xué)的N-S方程組（非線性方程組），給出流場中所關(guān)心的結(jié)果。在高檔微機上可以進行，在多CPU機器上并行計算，效率會有明顯提高。CFD分析不需要實體樣車，可以得到比試驗更詳盡的結(jié)果。一汽技術(shù)中心近5年來在車身外流、內(nèi)流方面進行了大量的CFD分析，為設(shè)計提供了科學(xué)的依據(jù)。本文就幾個主要方面作一簡要介紹。

2. 整車空氣動力特性分析與優(yōu)化

2.1 乘用車氣動力特性分析

隨著市場競爭的日趨激烈，乘用車的外形設(shè)計受到越來越多的重視，現(xiàn)代轎車的風(fēng)阻（氣動阻力系數(shù)）越來越小。

一汽技術(shù)中心近年來在車身開發(fā)中多次成功完成了CFD分析，對阻力系數(shù)等進行了預(yù)測，與風(fēng)洞試驗的誤差可至5%左右。分析所用的數(shù)字模型可以來自對油泥模型的測量，如果在外形設(shè)計中采用了計算機輔助造型(CAS)，也可以直接由造型軟件輸出，與CAS聯(lián)動。如果已有車身有限元分析的數(shù)字模型，經(jīng)過補充，也可以作為CFD分析的原始數(shù)據(jù)。CFD軟件采用Fluent，硬件為多CPU高性能計算機。圖1 為M6轎車CFD分析所得的流場。

圖1

2.2 商用車氣動力特性分析

商用車市場的競爭要求廠家不斷降低油耗，提高其運輸能力，降低其氣動阻力系數(shù)是一個重要途徑。商用車通常不具有很好的流線型，因此提高其氣動性能的潛力更大。一汽技術(shù)中心以CFD分析為手段，對平頭車駕駛室外形的氣動優(yōu)化進行了系列研究，對各部位分解，分別研究其對減阻的貢獻（參見圖2）。

圖2

對于產(chǎn)品車，通過適當(dāng)加裝導(dǎo)流罩、導(dǎo)流板等措施，可以大幅度降低其阻力系數(shù)。圖3為某產(chǎn)品車加裝導(dǎo)流罩后CFD分析的結(jié)果。計算表明，加導(dǎo)流罩后，阻力系數(shù)可降低15－20%。

圖3

3. 空調(diào)系統(tǒng)流動分析

為保證空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計合理，對空調(diào)系統(tǒng)進行CFD分析是經(jīng)濟有效的手段?？照{(diào)系統(tǒng)氣流的走向為：風(fēng)機→三箱總成→風(fēng)道→各出風(fēng)口。如果其中某個部分的設(shè)計不合理，可能導(dǎo)致各出風(fēng)口風(fēng)量差異過大、制冷/制熱風(fēng)量不合理等問題?？照{(diào)系統(tǒng)CFD分析可分為風(fēng)機特性分析、三箱/風(fēng)道流動分析兩大類。對風(fēng)機的CFD分析可以給出其特性曲線，并可對殼體提出改進建議。對三箱/風(fēng)道的流動分析可以給用各出風(fēng)口風(fēng)量分配的比例關(guān)系，從而及時對設(shè)計做出調(diào)整。圖4、圖5分別為一汽技術(shù)中心對空調(diào)風(fēng)機和三箱/風(fēng)道CFD分析的結(jié)果，通過分析，對原設(shè)計進行了改進，提高了設(shè)計質(zhì)量。