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    CAE咨询 / Data Area

    12年的专业CAE咨询服务经验,超过1000个项目的丰富经验积累。

    整车CFD分析概述

    发布时间:2013-12-19

    浏览次数:

    • 一、总述行业现状,面临的问题、挑战、机遇等

      1. 行业总述
      计算流体动力(Computational Fluid Dynamics),简称CFD。它综合了计算数学、计算机科学、流体力学、科学可视化等多种学科。自20 世纪70 年代以来,世界各汽车生产厂家基于开发更节能和更高性能的汽车,将原本主要应用于航天航空的风洞技术引入汽车设计,使汽车空气动力学研究得到迅速发展,在很长一段时间,汽车空气动力学的研究主要依赖于试验研究和理论分析。我国的汽车工业长期以来一直落后于汽车工业发达国家,在汽车技术方面也与欧美日等汽车工业发达国家存在很大差距。最近几年随着我国汽车工业的快速发展,在汽车技术方面取得了较大的进步,但汽车空气动力学分析是我国自主研发的瓶颈之一,我国在汽车空气动力学方面的研究起步较晚,目前国内很多科研机构都致力于这方面的研究,随着近年来计算机技术的迅速发展,CFD 数值模拟方法已越来越多地应用到汽车设计多个环节,极大地推动了汽车技术的发展。
      2. 面临的问题、挑战、机遇
      经过几十年来的努力,特别是近几年来,中国汽车工业一直处在高速发展之中,现今已成为国际汽车市场最热的地区,然而在中国加入WTO 之后,中国汽车工业不仅要面对国内汽车企业的竞争,更多的是要承受国外先进汽车企业在技术、理念、管理、营销等方面的强烈冲击。这种冲击表面上是质量和设计理念的冲击,但实质上,技术创新才是这种冲击的核心力量,也是赢得市场竞争的关键。同时我国汽车行业在标准、法律、法规方面也在逐渐完善,《缺陷汽车产品召回管理规定》的实施以及汽车“三包”规定相继出台。如何从技术角度保证产品不出现可靠性事故等缺陷,满足安全要求,不被“召回”是非常关键的。CAE 等模拟计算仿真分析技术作为汽车数字化设计的一项核心技术,近年来已被大多数汽车企业和设计公司所接受并广泛使用。由于CAE 技术的应用可使设计师在产品设计阶段对汽车的结构和性能做出预先评估,因而大大降低了新产品开发的风险,对提高汽车产品质量及缩短开发周期和成本意义重大。同时,CAE 技术可以替代大部分试验。灵活、方便、快捷的特点使CAE 技术能为设计工程师提供大量的仿真试验数据和技术参数(而其中一些数据根本无法或很难通过试验获得),这将有利于设计经验的积累和设计技术的提高。可以说,CAE 技术的应用不仅可以带来产品竞争力的提升,而且也为企业的自主创新带来了新的契机。由于CAE 技术具有诸多优点,通用、丰田、福特等国际汽车业巨头以及一些知名的汽车设计公司都已将其纳入到各自的设计体系中,并根据不同的分析内容分别制定了全面、细致的分析标准和分析流程(一般包括分析目的、建模方法、加载标准、分析步骤和结果评价几个方面),很好地确保了分析的精度和结果的可用性,使之成为整个设计流程中非常重要的一环。
      二、该行业有哪些分析问题?
      汽车周围的流场非常复杂,它存在着显著的分离现象,如:具有大曲面的二维或全三维流动产生的空泡形分离涡,与车身形状有关的尾流结构以及顶部、底部、侧面气流之间产生强烈的相互影响。由于车身底部外形的凹凸及车身附件(如保险杠、门把手、后视镜、天线)等的干扰,这种复杂性进一步增加了。因此,粘性的影响不再局限于车身表面较小的“边界层”范围汽车不能分为几个或多或少相对独立的流场,对汽车周围的流场只能作整体考虑。
      一般的说,汽车总是在有风的道路环境中行驶,汽车的速度和方向一般与风的速度、方向不同。在有侧风的环境下,汽车的尾部及车身周围产生的局部气流分离区是不对称的,所以增加了流场的复杂性。出分离流固有的不稳定性外,由于流态的瞬间变化,又增添了一个时间差。由于车身几何外形的微小变化,均可引起各种分离涡边界层产生变化。发动机及制动器冷却气流、驾驶室内通风气流的作用、把外部流场和内部流场联系起来,使其变得更为复杂。通过车身下部的气流,由于地面的干扰而受阻;车身底部粗糙不平的外形、车轮及路面对汽车周围流场的作用,使车身周围产生了复杂的粘性流。
      在道路行驶环境中,经常出现不同外形、尺寸的汽车会车、超车的现象,致使总流场相互作用的情况经常发生。
      汽车周围的流场存在着气流分离区,使CFD在汽车技术的应用上出现难点。即使把汽车简化成没有任何附件的光滑的表面,按“封闭”分离区及大尾部的外形建立模型,仍存在着难以解决的问题。其难点之一是有关三维分离流可普遍采用的数据欠缺,道路汽车在不稳定侧风环境下气动倒数的典型数值尚未建立,难以精确地估计气动力对瞬间特性的影响。在三维流中产生分离现象的种类是目前尚未解决的问题,控制不同类型的三维流分离产生的因素,分离流的结构运动学,钝体尾流的不稳定性、湍流状态灯。
      采用平均雷诺数下的N-S方程,需要一个与方程组很接近的湍流模型,使方程的解便于修正。为了解决这个问题,在模拟复杂的真实扰流时,不能使用标准混合长度和涡流密度的概念,需要建立高阶扰动流模型。

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