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1、第19卷第4期武 汉 汽 车 工 业 大 学 学 报Vol.19No.41997年8月JOURNALOFWUHANAUTOMOTIVEPOLYTECHNICUNIVERSITYAug.19973计算流体力学进展及其在汽车设计中的应用常思勤 扈圣刚(汽车工程学院)摘 要 分析了计算流体力学的应用前景和应用中的关键问题,并结合具体实例讨论了近年来计算流体力学的进展和计算流体力学在汽车及其零部件设计中的应用。关键词 计算流体力学;计算机模拟;汽车设计;计算机辅助设计中图法分类号U461.10 引 言近年来,随着计算机技术的迅猛发展,结构分析的技
2、术已基本成熟,应用也日趋广泛,而对更为复杂的流动问题的模拟计算也在不断地进展之中,计算流体力学(ComputationalFlu2idDynamics简称CFD)受到了越来越多的重视。多种通用的大型计算软件,如“CFD2000”、“PHOENICS”等,已经商品化,而应用于各个特殊领域解决专门问题的专用化计算软件更是不可胜数,其应用也从最初的航空领域不断地扩展到包括汽车等在内的多个领域。同时,计算流体力学已从定性的分析发展到定量的计算,具备了成为汽车及其零部件设计中的有效工具之一的基本条件,正在逐步成为CAD系统中的一个重要组成部分。通过这种“
3、数值试验”,可以方便地评价、选择多种设计方案,进行优化设计,并大幅度地减少实验室和路试等实体试验研究工作量。在降低设计成本,缩短开发周期以及提高自主开发能力等方面,计算流体力学的应用可以起到重要的作用。发达国家的许多大学与研究机构以及各大汽车公司都已开展了大量的研究工作并已有较多的应用实例,值得引起足够的重视。1CFD应用中的关键问题1.1 对应用于各种具体情况的数学模型的进一步研究描述最一般的流动现象的基本方程是Navier2Stokes方程,但目前方程的直接求解还受到计算机速度与容量的限制而难以实现,而且在一些工程问题中也没有这种必要。因而
4、一般对方程进行一定的简化与处理后再求解。各种简化方法大致可分为3类:a.无粘、线性化的处理。这类方法已较成熟,早期应用也较多,典型的如Panel方法等。这类方法的应用有一定的局限性,例如对有分离流动的区域,如轿车车身的尾部,计算精度明显变差。稿件收到日期:1997204222.3湖北省自然科学基金项目(编号94J075).常思勤,男,42岁,副教授,现从事车辆及其发动机CAD技术方面的教学与研究工作.工作单位:武汉汽车工业大学汽车工程学院,武汉,430070.©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Lt
5、d.Allrightsreserved.第19卷第4期 常思勤等:计算流体力学进展及其在汽车设计中的应用13b.无粘、非线性的处理(Euler方程)。这类方法较上一类方法有了较大的改进,通常是对主流的简化与对壁面附近的边界层的特殊处理相结合,因而又称为偶合方法。要取得较好结果的关键在于对边界层(即附面层)的处理。c.粘性、时间平均的处理。对紊流的Navier2Stokes方程采用时间平均后,出现脉动应力项(雷诺应力),要使控制方程组封闭,必须作出假设,提出紊流模型。目前存在的紊流模型包括了从简单的代数模型(零方程模型)到标准k2E模型
6、(二方程模型)直至复杂的大涡模拟,而k2E模型或其它形式的二方程模型是目前在工程领域中应用最为广泛的紊流模型。但通用的模型迄今还不存在,不同的情况需要不同的紊流模型。选取合适准确的紊流模型,这不仅对计算精度的影响很大,而且计算也十分困难。要做到与实际情况深入相符合的模型还有待于进一步地探讨和研究。此外,还有对具体研究对象的边界条件的处理问题。1.2 对复杂外形的描述以及计算网格划分的进一步研究实际车辆或发动机中零部件的外形复杂,为了使CFD能够实际应用于设计工作中,对计算网格的疏密程度有一定的要求,即为保证计算流场有必要的分辨率与准确度,计算网
7、格点必须达到一定的数量,一般计算网格至少有数万直至数百万个。能方便地生成计算网格以及在设计中方便地修改是能否真正使CFD在设计中得到广泛应用的一个关键,必须进一步研究计算网格自动或半自动的生成方法。1.3 探索更有效的算法以提高精度并降低计算费用对于方程的离散格式和数值算法,基本的方法有:有限差分法、有限容积法和有限元法,及有一定应用局限性的边界元方法。其中有限容积法应用最为广泛,也相对较为成熟。探索更有效的算法以提高精度并降低计算费用是目前研究的重点之一,已出现了一批各具特色的方案与方法,如多重网格法,平均修正技术等。1.4 进一步探索在各方
8、面的应用在扩大应用范围方面,例如CFD在润滑、冷却等方面中的应用,其与传热、燃烧和噪声等研究领域的结合,也需要进一步探索。2CFD的应用现状从80年代
