CFD在汽车空气动力学设计中的应用

难，网格划分能力也不强，它比较适合做二维定常不
可压流场的数值模拟。
由于目前所分析的汽车外形的细节部位越来越
复杂，以及所需要求懈的问题本身的复杂程度，ｃＦＤ
对网格要求、算法精度等都提出了比较高的挑战。
但随着计算机硬件技术和计算流体软件技术的发
展，ｃＦＤ终将能满足日益增长的汽车空气动力学设
计的需要。
参考文献
汽车技术 AUTOMOBILE TECHNOLOGY 2000(10) 11次
参考文献(12条) 1.Mats R Accuracy of Drag Predictions on Cars Using CFD - Effect of Grid Refinement and Turbulence Models 2.Anagnost A DIGTAL PHYSICSTM Analysis of the Morel Body in Ground Proximity 3.Uchida K Aerodynamic Simulations by Using Discontinuous interface Grid and Solution Adaptive Grid Method 4.Aoki K Finite - Volume Simulation of 3 - D Vortical Flow - Fields About Road Vehicles with Various After - Body Configuration 5.Han T Computational Analysis of Three - Dimensional Turbulent Flow Around a Bluff Body in Ground Proximity 1989(09) 6.Jameson Re - Engineering the Design Process Through Computation 1999(01) 7.Pia L CFD as a Tool in Styling Vehicles 1994 8.Dauglass R Perspective: Future Research Directions in Computational Fluid Dynamics 1994(06) 9.Przekwas A Unstructured Adaptive Grid Solution Methodology for Automotive Aerodynamics 10.Horinouchi N Numerical Invesigation of Vehicle Aerodynamics with Overlaid Grid System 11.Han T Flow - Field Simulations of Three Simplified Vehicle Shapes and Comparisons with Experimental Measurements 12.Dhaubhadel M CFD Applications in the Automotive Industry 1996(09)
可以做三维定常或非定常、可压或不可压的层流或
紊流场的数值模拟。相比较而苦，ｃ｝１ｘ精度稍高一
些，ｓＴＡＲ—ｃＤ求解有热交换的内部流动问题的能
力稍强，它们中ＦＬｕＥＮＴ使用最方便。而ＦＬＯＴＲＡＮ
由于是有限元软件ＡＮｓＹｓ中的一个模块，它做一些
耦合场，如流体与固体、声场或电磁场的耦合』’ⅡＪ题能
力比较强，但进行三维复杂几何形体的计算比较困
在汽车领域，ｃＦＤ正成为预测整车外流场和热 万方数据
２加０年第１０期
分布场的有力＿［具。它正在被大量应用于日常汽车 零部件的设计开发中。由于风洞试验中取得整个流
场任意一点处的流动状况非常难。在某些情况下，当
ｃＦＤ求解精度足够时，ｃＦＤ数值模拟可以提供整个
计算域上的流场结构特征的详细信息。只要应用适
ｎｏｗ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓ鲥ｂｌｅ ｆ１０ｗ， ｖ；ｓｃｏｕｓ ｎｏｗ ａｎｄ ｉｎｖｉｓｃｉｄ ｎｏｗ．Ｔｈ。ｇｒｅａｔｅｓｔ ｃｈａｌｌｅ“ｇｅ， ｎｇＩｌｔ ｎｏｗ， ｌｓ ｔ０
ｓｉｍｌｌｌａｔｉｏｎ
ｃ８ｐⅡｂｉｌｉｔｙ蛐ｄ ５Ｐ。ｅｄ ｗｈｅｎ ｓｉｍｕｌａｔｉ“ｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｎｏ”ｐｈｅｎ。ｍｅｒｌａ ａｎｄ ｃｏ叫ｐｌｉｃａｔｅｄ ｆｏｍｌ ａｎｄ ｓＬ瑚ｃｔｕｆｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＣＦＤ ｉｎ ｏｒｄｅｒ
ｃＦＤ最主要的问题在于精度不如风洞试验，但 目前许多大型商业化通用软件已经很好地解决了这 一问题。而某些专用ｃＦＤ软件在解决某些汽车流场 计算时可达到更高精度，在参考文献［３］中计算误差 被限制到±Ｏ．０ｌ。
２ ＣＦＤ数值模拟的步骤
２．１ ｃＦＤ方法介绍 ｃＦＤ方法是对流场的控制方程用计算数学的
算法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值 解的一种方法。
当，ｃＦＤ能够显著地减少原型车风洞试验次数和设 计＋成本，缩短开发周期。
在我们使用商业化ｃＦＤ软件进行汽车空气动
力学数值模拟过程中，国内常见的ｃＦＤ软件，如
ｃＦｘ、ＦＬｕＥＮＴ、ｓＴＡＲ—ｃＤ以及ＦＬＯＴＲＡＮ都可以
对汽车外流场进行较精确的模拟。其中ｃＦｘ、ＦＬｕ—
ＥＮＴ和ｓＴＡＲ—ｃＤ的求解能力及功能都比较强，都
１
’
Ｕｃｈｉｄａ Ｋ ｅｔ ａ１．Ａｅｒｏｄｙｒｌａｍｉｃ Ｓ，ｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｂ，Ｕ ｓｌ“ｇ Ｄｉ８ｃｏｎ—
ｔｉｎｕｏｕ８ ｊｎｔｅ南ｃｅ Ｇ—ｄ ａｎｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ ＡｄａＤｔｌｖｅ Ｃｎｄ
一３一
Ｍｅｔｈｏｄ ＳＡＥ ｐ叩８ｒ ９。７０１４ｌ ８ Ａｎａ如ｏｓｌ Ａ ｅｔ ａ１．ＤｌＧＴＡＬ ＰＨＹＳＩＣ分”Ａｎａｌｙｓｊｓ ０ｆ ｔｈｅ Ｍｏ咒ｌ
与风洞试验相反，ｃＦＤ精度比不上风洞试验， 但却几乎克服了它的所有局限性。目前，ｃＦＤ可以 分析从层流到湍流、定常到非定常、不可压到可压、 无粘到有粘的几乎所有的流动现象。ｃＡＤ技术与 ｃＦＤ的结台可以使得新车型的空气动力学设计周
期大大缩短。由于ｃＦＤ可以方便灵活地改变初始条 件、边界条件以及几何边界条件，并且可以获得整个 流场任意点处的详细信息，使得研究清楚流动机理 变得可行。对某种车型的空气动力性能优选更加快 速有效。
Ｐ脚ｓ ｔｏ哪ｋｅ ＣＦＤ ｇｅｔ １）ｅ【ｔｅｒ ８ｐｐｌｉｃａ６０ｎ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔ唧ｃｔｉｖｅ ｄ幅ｉｇＩＩ
【摘要】计算流体力学（ｃＦＤ）正大量应用于汽车的开发过程中，它的出现将减少传统所需的风洞试验次数。目
前，ｃＦＤ可以分析从层流到湍流、定常到非定常、不可压到可压、无粘到有粘的几乎所有的流动现象。为了使得ｃＦＤ
ｃｏｍｐｕｔａｄｏｎａｌ ｎｕｊｄ ＤｙｒＬ蚰ｉｃｓ．Ｊ０ｕｍａｌ ｏｆ Ｆｌｕｊｄｓ Ｅｎ舀ｎｅｅｒ
ｊ“岛１ｈｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ岫ＡＳＭＥ，１９９４（６）
Ｐｉａ Ｌ ＣＦＤ ａｓ ａ Ｔ抽ｌｉｎ ｓｔｙｌｉ“ｇ Ｖｅｈｌｃｋｓ．Ｓ∞ｏｎｄ ＣＦＤＳ ｉｎ—
ｔｅｍａｔｉｏｎａｌ Ｕｓｅｒ Ｃｏｒ血咒ｎｃｅ．１９９４．９
ｔｙ ＡＩＡＡ Ｊｏｕｍａｌ，１９８９｛９）
６ Ａｏｋｉ Ｋ ｅｔ ａ１．ｒｉｎｉｔｅ—Ｖｏｌｕｍｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ３一Ｄ Ｖｏｎｉｃａｌ
Ａｎ” Ｆｌ。ｗ—ｎｅｌｄｓ Ａｂｏｕｔ Ｒｏａｄ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｗｊｔｈ Ｖａｄｏｕｓ
Ｂ０ｄｙ Ｃｏｎ丘ｇｌｌ嘣ｉｏｎ．ＳＡＥ ｐ８Ｐｅ。９３１８９６
·综 述·
ＣＦＤ在汽车空气动力学设计中的应用★
吉林工业大学 沈俊傅立敏
长春汽车研究所 范士杰
【Ａｂｓ喇】ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｃｏ唧． ｎｕｉｄ ｄｖｎａｍｉｃｓ（ｃＦＤ）ｉｓ ｎｏｗ ｗｉｄｅｌｖ ｕｓｅｄ ｉｎ ｌｌｌｅ ｎｕｔｏｍｏｔ；ｗ ｄｅ代Ｉｏ邮ｅｎｔ
ｗｈｊｃｈ ｗｉｌｌ
ｉⅡｃ黜【ｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ（。ａｎ ｈｃ Ｈｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＣＦＤ，ｓｕｃｈ ａ８ ｓⅡｔ圳ｌｉｎｅ玎ｄｗ ａｎｄ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｎｏｗ，ｓｔｅａｄｙ ｎｏｗ ８ｎｄ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｎ。ｗ，ｉｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂＩｅ
重要而有效的工具加以利用。内燃机的燃烧过程很 大程度上受燃料与空气混合程度的影响，这种混合 是一种复杂的瞬态流动。目前绝大多数ｃＦＤ商用软 件均可以解决此问题，它们均提供有求解多元混合 流动的模块，且计算精度均较高。图４是发动机人口 处的流动状况图。燃料与空气的混合过程取决于人 口和气阀参数、喷油正时、喷雾锥角和雾化尺度等 参数，而燃烧过程与所使用的湍流模型和液滴蒸发 模型有关，这些因素都可以用ｃＦＤ软件来分析解 决。图５是某进气冲程的气缸内速度矢量分布图。
★国家自然科学基金资助课题，批准号：１９６７２０２１。
万方数据
２０００年第ｌｏ期
万方数据
综述 清楚，湍流模型一般采用标准的ｘ—ｓ模型。算法方 面，现在正在进行直接数值模拟（Ｉ）Ｎｓ），大涡模拟 （ＬＥｓ）和雷诺应力模型（ＲｓＭ）等的研究”，”。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
４ ＣＦＤ在汽车其它领域的应用 在内燃机的设计和开发中，ｃＦＤ已被作为一种
ｓｕｒｅｍｅⅡ虹．姐Ｅ ｐａｐｅｒ ｙ叫Ｏ，ｂ １１ Ｈｗｉｎ叫ｄ矗Ｎ ｅｔ“．ＮｕⅡ吼ｉｃＢｌ Ｉ州ｅ吕ｉ蝉ｋｎ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ
Ａｅ阳ｄｖｎ唧ｉｃｓ ｗ汕ｏｖｅ山ｉｄ Ｇ埘ＳｙｓＩｅｍ．ＳＡＥ Ｐ８Ｐｅ。９５０６２８
１２ Ｐｒ∞ｋｗ鹊Ａ ｅｔ ａ１．Ｕｎ８ｔｎ】ｃｔｕｒｅｄ ＡｄａＰｔｉ札Ｃ＾ｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ
汽车空气动力学研究主要有两种方法，一种是 进行风洞试验；另一种是利用ｃＦＤ程序进行数值模 拟。传统的风洞试验结果一般可靠性比较高，但由 于它有许多局限性，如风洞试验成本高、周期长、需 要制作一系列油泥模型等，阻碍了它在汽车设计中 的应用。另外，在风洞试验时，我们只能在有限个截 面和其上有限个点处测得速度、压力和温度值，而 不可能获得整个流场中任意点的详细信息。为了观 测整车的流场结构，只能依靠一些定性手段，如烟 流法、油膜法和丝带法。要精确研究某些复杂流动 现象，如层流向湍流的转变、拖拽涡形成与发展、尾 部涡系结构等，测出这些流动的流场参数，测量截 面选取很大程度上依靠经验，这样使得精确研究这 些复杂流动及其机理变得非常困难。
控制所有流体流动的基本定律是：质量守恒定 律、动量守恒定律和能量守恒定律。由它们可以分 别导出连续性方程、动量方程（叉称纳维尔一斯托克 斯方程）和能量方程。由它们可以联立得到纳维尔 一斯托克斯方程组，简称为Ｎ—Ｓ方程组。Ｎ—Ｓ方 程组是流体流动所需遵守的普遍规律。
计算数学中，将具体的流场控制方程分为３类： 椭圆型、抛物型和双曲型方程。椭圆型方程与时间 变量无关，仅与空间变量的二次导数项有关，一般用
Ｂ０ｄｙ ｉｎ Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｍｘｉｍｉｔｙ ＳＡＥ ｐａ严‘９７０１３９
Ｄ‘ａｇｆ喇ｃｔｉｏｎｓ ９
ＭⅡ把Ｒ ｅｔ ａ１．Ａｃｃｕｍｃｙ ｏｆ
０ｎ Ｃａｒｓ ＵｓｉＩｌｇ
ＣＦＤ—Ｅ盯ｅｃｔ ｏｆ嘶ｄ Ｒ胡ｎｅｍｅｎｔ蛐ｄ仙Ｉｌｌｅ咖Ｍ０ｄ’
ｅＩｓ ＳＡＥ ｐＢｐｅｒ ９６０６８ｌ
万方数据 １０ Ｈａｎ Ｔ ｅｔ ａ１．Ｆ１０ｗ—Ｆｉｅｌｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ０ｆ Ｔｈｒｅｅ ｓｉｍｐｌｍｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｈａｐｅｓ趼ｄ Ｃ锄ｐ８ｄ∞雎ｗｉｔｌｌ Ｅ１ｐｅｒｉｍｅｎｌａｌ Ｍｅａ－
ＤｈａｕｂｈＨｄｅｌ Ｍ．ＣＦＤ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｎｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ＡｕｔｏｍｏＥｉｖｅ Ｉｎｄｕｓ— ｔｒｙ Ｊｏｕｒｎａｌ ０ｆ Ｆ１ｕｉｄｓ Ｅ“ｇｉｎｅｅ五ｎｇ，Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ０ｆ ｔｈｅ ＡＳＭＥ， １９９６ｆ９ｌ
Ｄａｕｄａｓｓ Ｒ ｅｔ ａｌ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ：Ｆｕｔｕｒｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｉｎ
图５ 进气冲程气缸内速度矢量分布图
另外，在汽车室内气候调节、暖气、通风空调系 统的设计中也大量使用ｃＦＤ软件来帮助分析“］。在 发动机冷却、排气系统的设计中，ｃＦＤ分析结果也 被大量地使用”－”。在汽车制冷风扇的叶片设计以及 液力变矩器、油泵和盘式制动器的冷却系统的设计 中也大量地使用了ｃＦＤ分析结果。 ５ 结论
Ｊ嘲０ⅡＲｅ—Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉ“ｇ 。
ｔｈｅ Ｄｅ８ｉｌ；１１ Ｐｍｃｅｓｓ Ｔｈｍｕｇｌｌ
ＣｏｍＤｕｔａｔｉｏｎ．Ｊｏｕｒｎ鲥０ｆ Ａｉｍ珊，１９９９（１）
５
Ｈａｎ Ｔ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ａｎ由ｓ诘ｏｆ Ｔｈｒｃｅ—Ｄｉｍｅｎｓｉｎｎａｔ
Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ Ｆｌｏｗ Ａｍｕｎｄ ａ ＢｌｕⅡＢｏｄｖ ｉｎ Ｇｒ州ｎｄ Ｐｒｏｘｉｍｉ—
更好地应用于交互设计过程中，目前最大的挑战是提高ｃＦＤ模拟复杂流动现象以及复杂几何形体的能力和模拟速
度。
Ｔｏｐｉｃ ｗｏｒ．１ｓ：Ｆｌｕｉｄ ｄｙ曲ｍｉｃｓ，ＣａＩｃｕＩａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，Ｓｉｍｕｌａ廿ｏｎ，ＡｐｐＩｉｃａｔｉ蚰 主题词：流体力学计算方法模拟应用
１ 前言
ｃＦＤ是计算流体动力学（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａＩ ｎｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）的英文名称的简写。在过去的十几年中， 随着计算机技术的发展，ｃＦＤ被越来越多的应用到 了汽车设计中。
Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ａｕｔ０咖血ｅ Ａｅｒｏｄｙｎ啪ｉｃｓ．ＳＡＥ ｐ８ｐｅ。
９７０１４２
（责任编辑部旭辉）
修改稿收到日期为２０００年８月２０日。
CFD在汽车空气动力学设计中的应用
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
沈俊， 傅立敏， 范士杰 沈俊,傅立敏(吉林工业大学)， 范士杰(长春汽车研究所)