汽车CFD仿真中的一维与三维，哪个更有意思，哪个更牛逼？

对于汽车行业的CFDer来说，一维仿真与三维仿真是我们工作中经常用到的仿真方法。也许很多人会困惑，什么是一维仿真，什么是三维仿真？为什么要CFD仿真要分成一维和三维，他们各有什么特点？对于菜鸟入门来说哪个更好？实际研发中哪个作用更大？本周我们就来聊聊CFD的一维与三维仿真。

首先解释下什么是一维与三维的CFD仿真。一维仿真，代表变量只沿着一个空间方向变化，而在与这个方向垂直的面上均认为相等。三维仿真，则是变量在空间三个方向上都会发生变化。以一根直管道为例，认为管道每个横截面上流速均相等，只考虑流速随管道长度方向的变化就是一维仿真，同时考虑流速随长度方向以及横截面上各个半径方向都发生变化，则是三维仿真。

从现在比较流行的V模型开发流程中可以比较容易看出一维与三维CFD仿真之间的关系。 在V流程左边是虚拟开发阶段，V流程右边是试验验证阶段，而一维和三维仿真则主要是在虚拟开发阶段发挥作用。一维仿真侧重于系统级分析，对应于V流程中的整车级分析，系统以及子系统分析，重点在于性能分析，进行关键零部件的选型与匹配，在项目前期，将整车目标分解至各个零部件，对关键零部件提出具体的性能要求。而三维仿真则侧重于零部件级别详细的开发，侧重于流场详细结构的优化。

上面讲起来有些抽象，举几个比较实际的例子吧。

（1）整车冷却系统仿真。一维仿真侧重于冷却系统各个部件之间的匹配，会在一维模型中搭建冷却系统回路的各个部件模型，分析散热器的散热能力是否满足要求，格栅风量是否足够，冷却风扇是否匹配，冷却水泵是否满足要求，最终关注冷却水温是否满足开发要求，若不满足要求，则从系统层面提供优化方案。另外也可以对冷却系统的控制策略提供一些优化意见，比如风扇和水泵的控制等等。三维仿真则会搭建整车的详细模型，重点分析格栅开口大小是否合适，会关注冷却模块风量用于一维冷却系统分析，关注机舱流场是否合理，怠速工况是否存在回流。另外三维整车仿真还有非常重要的一大块是分析排气管周边零部件是否存在热害风险，是否能够满足耐温极限。如果存在问题，则要从具体结构或者布置上提出优化建议。

2整车空调系统仿真。一维空调系统仿真需要搭建包含蒸发器、冷凝器、膨胀阀、压缩机四大件以及乘员舱模型，分析乘员舱降温采暖过程是否满足开发要求，也会关注空调高低压是否在合理范围，四大件性能是否匹配等。对于混动或者纯电车型，一维空调系统仿真也可以用于chiller控制策略的仿真，为混动冷却系统控制策略优化提供建议。而三维空调系统仿真主要是针对乘员舱流场、温度场以及人体表面舒适性的分析。需要搭建整车乘员舱的详细模型，分析除霜性能，吹面、吹脚模式流场和管道压降是否满足要求，人体表面舒适性情况等。重点对管道压损，空调出风口设计进行优化。

（3）发动机系统。一维发动机系统仿真侧重于对发动机性能进行分析，包括动力性（扭矩）、经济性（油耗）和排放。可以对进排气正时，喷油规律进行优化，可以对涡轮增压器进行匹配，可以分析缸内的燃烧过程，分析缸内PV曲线以及燃烧放热率，还可以分析进气流量，作为三维仿真的入口边界，分析排气流量温度，缸体散热量等。三维发动机仿真则侧重于具体结构的优化，比如进排气管道的结构优化，关注进排气压力分布是否均匀，气道及缸内燃烧室结构优化，关注缸内流动阻力，涡流及滚流比等。优化冷却水套设计，关注机体温度分布是否合理，优化燃油喷射过程，关注喷雾发展是否合理，是否对排放产生不利影响等。

通过以上这几个具体例子的讲解，大家应该对一维以及三维分析有了大致的了解。其实很多时候，一维和三维仿真也是相互影响的，可以相互提供对方的边界条件或者反应参数，有时候还需要进行联合仿真。比如发动机一维仿真可以为三维仿真提供进气流量进气温度等的边界条件，而三维仿真可以为一维仿真提供对流换热系数等信息。另外很多涉及化学反应的参数需要在一维仿真中进行标定，标定完成后再用于三维的仿真。

下面看看一维和三维仿真各自有什么特点呢？一维仿真的优点是建模简单，计算速度快，入门上手比较方便，缺点是比较依赖于测试数据，模型需要标定，而在整车研发过程中，会有很多测试数据无法提供，此时进行一维仿真，更多的是依赖于部门研发的数据积累以及个人的仿真经验。简单概括来说，一维仿真属于算起来比较简单，要算准比较麻烦的类型。而三维仿真相对来说入门会麻烦一些，因为涉及到网格划分，这块的入门是需要有一定的实际操作经验积累的。就仿真分析任务来说，三维仿真会相对复杂一些，因为网格划分的工作量会比较大，而如果计算发散，这个调试过程也会是一件很头疼的事情。

对比一维和三维仿真，一维仿真需要理解系统本身的东西更多，牵涉的知识面也会更广，比如你要了解系统原理，各个部件的意义以及作用，布置关系，控制策略等等，而三维仿真则更多的是关注局部本身，你需要有较强的优化能力对结构进行合理的优化，技能主要在于网格划分的技巧以及面对问题时候的结构优化能力。

对于两者在研发中所起的作用，我觉得维度不同无法进行简单的比较。两者在研发过程中都起到了非常重要的作用，只是侧重点不同。一维侧重于系统级分析，关注的是零部件之间的匹配关系，三维侧重于部件级仿真，关注的是部件本身结构的设计是否合理。如果非要说哪个更重要，个人观点觉得一维仿真更加基础，考虑的层次也相对更高一些，在项目前期就需要介入进行需求分解，可能从整个项目层面考虑所起的作用更大些。

当然最终作为一个CFD仿真工程师，最理想的是一维和三维全能，既能在系统层面的高度对整个系统有总体的认识和把握，又能在部件层面的深度对具体零部件的结构和性能有足够的分析能力，这样可以完成整个仿真过程的闭环。对个人技术发展来说，无论在广度和深度上都有较深的理解，对于个人仿真技术提升以及研发本身的理解是非常有利的。

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