汽车设计中的空气动力学CAE仿真分析应用前景

　　我们常常看到一些汽车的宣传语中出没着“符合汽车空气动力学的设计”、“空气动力性能优异”、“出色的空气动力学性能”等相关字眼，这是因为在如今的汽车设计中，空气动力有着很大影响因素。汽车空气动力学在学术上属于低速空气动力学，主要研究空气的流动性及温度等作用，对于普通家用汽车而言，拥有优秀空气动力设计的汽车会更安静更省油，速度更快，所以你才会在广告中看到类似的宣传语言。

　　汽车空气动力学的原理

　　当一个物体穿过空气时，会使周围的空气发生位移，同时该物体会受到重力(gravity)和阻力(drag)的影响，因此阻力会由固体穿过流质(比如空气或水)的过程中产生。当物体加速时，其速度和阻力同时增加，速度越快，阻力越大，也就是说车速越快的话车身所面临的空气阻力越强，而且是以成倍的速率增长，最终阻力将与重量相等达到一个平衡点，此时物体将无法继续加速。

　　由于空气动力对汽车发动机冷却、驾驶室通风和空调内流、汽车空气动力噪声、车身表面覆盖件的振动甚至刮水器的性能各方面有重要影响，所以汽车设计开发过程中进行空气动力学分析从而优化汽车曲线、尺寸、部件过渡等来减少空气阻力系数是很有必要的。

　　汽车空气动力学分析即通过CFD技术模拟汽车行驶与空气产生相对运动时，汽车周围空气流动情况与汽车动力相互影响。

　　汽车的空气动力学问题主要分内流和外流两种情况，整车空气动力特性属于外流，空调系统、车室内流动等属于内流。传统的研究方式为风洞试验，进行风洞试验必须有实车或模型，费用高、周期长，由于没有汽车专用风洞，需去四川进行试验，使试验研究受到很大的限制。另外，各种状态的三维流场的详细情况在实验中也很难观察到。

　　CFD(计算流体力学)软件引入了CFD模拟计算能力。模拟计算不需要实车或模型，节省大量试验经费，可在开发的前期进行预测，可随时对设计方案进行修改，并可得到三维流场的详细信息，供设计部门参考。

　　CFD模拟计算的原理与软件

　　汽车空气动力学问题属于流体力学范畴，汽车的运动速度为每秒几十米，此时空气应视为不可压流体。通常将汽车的内外流动按三维不可压粘性流动处理，考虑到其外形的复杂，流动多处分离，应按湍流求解。由于汽车外形的复杂性，使建模和计算具有相当的难度。工程上一般采用湍流模型，通常可以满足工程上的要求，所需的资源又可以承受。更精密的湍流模型虽然可以提高计算精度，但所需的硬件与时间资源很高。

　　目前的商用CFD软件大都采用有限体积法求解，将求解区域划分成几十万到上千万个小体积，将微分方程组离散成代数方程组，迭代求解，也称为有限元分析，在汽车CAE行业最出名的软件便是Hypermesh。

　　随着汽车工业的发展，空气动力学已经逐渐成为一个重要的设计环节。优秀的空气动力学设计不但可以达到高效节能的目的，还能够减少噪音、提高车辆的平顺性和行驶稳定性，提供更强的安全保障。如今，它已经不是航空航天领域的专利，而是现代汽车工业设计必不可少的元素之一。

　　汽车空气动力学CAE应用，目前已经开展整车空气动力特性、附加装置空气动力学性能、车身空调系统流动特性等问题的模拟计算，在新产品开发阶段中得到应用，对产品性能给出预测，为产品开发提供了有力的支持。空气动力学模拟计算作为CAE的一个方面，正在逐渐走进设计，在产品开发中发挥愈来愈大的作用。作为专业的汽车设计公司，华锐欣程提供包括汽车空气动力学仿真分析在内的全面的汽车CAE分析服务。