科普 | CFD——瑕不掩瑜，美而智慧

CFD是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）的简称，是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。目前CFD技术已经广泛应用于汽车空气动力学领域，在开发前期对汽车设计方案进行高效率的分析优化，在开发后期对试验提供指导，节省试验所需的人力、物力和时间。虽然CFD功能强大，但依然存在着一些亟待解决的问题。本期作者将带您了解“瑕不掩瑜，美而智慧”的CFD。

CFD之 “瑕”

由于空气动力学本身的非线性和复杂性，空气动力学存在的湍流问题成为CFD最不能解决的问题，从而影响到CFD的计算精度。

什么是“湍流”呢？

湍流是流体的一种流动状态。当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流；当流速加快时，各层之间出现干扰，层流被破坏，流场中出现许多小漩涡，这时的流体不规则运动，甚至有垂直于流动方向的速度分量，这种运动称为湍流。

据说湍流问题是低速宏观条件下最后一个能拿诺贝尔奖的领域，而且湍流并没有公认的严格的定义，这也从侧面说明了湍流问题的复杂性。

对于湍流，由于没有完整的理论模型，只能依靠经验公式来修正和补充。经验公式通常根据风洞试验数据来拟合，但由于雷诺数效应、洞壁干扰、约束系统等干扰因素的影响（一些成熟风洞已对部分干扰进行了修正），试验数据本身也存在一定的偏差。

当然，湍流理论模型不完善只是湍流问题之一，之二则是湍流所需的计算规模。

那么湍流的计算规模到底有多大呢？

首先考虑时间上的复杂性，湍流的产生、发展、消失非常快，如果直接求解，时间步长上必然需要足够精细。第二考虑空间上的复杂性，流动问题一个特点是局部细节会严重影响整体流动，所以在空间离散上也必须足够精细，也就是说网格必须足够小足够多。

由于时间和空间的双重复杂性，导致湍流的数值模拟计算量大到无法接受。至少目前，这样大规模的并行计算，还属于相对稀缺性资源。

对于汽车空气动力学来说，除了湍流问题，车辆几何模型的复杂性以及当前CFD前处理技术的局限性，CFD工程师们不得不简化甚至忽略很多部件才能生成合理的计算网格，这种失真也一定程度上影响了CFD模拟的准确性。

CFD之 “智”

虽然CFD存在着一些尚未解决的问题，但通过CFD进行产品开发设计确实可以节省大量的人力、物力和时间。

在汽车领域，CFD属于正向设计使用的工具，在汽车开发中主要扮演着辅助指导的角色。

当前单个车型的开发累计需要进行几千小时的CFD仿真和几百小时的风洞试验。

2013年初，Mercedes-Benz CLA凭借0.23的低Cd值横空出世，成为世界上空气动力学性能最佳的四门豪华轿车。CLA的开发经历了230000核时的CFD仿真，却只进行了1000小时的传统风洞试验。

CFD的最大优势正在于可以将虚拟风洞分析和计算工作提前至在造型设计和工程设计阶段，通过对设计方案进行高效率的分析优化，确定方案的可行性及合理性，从而节省了大量的时间和金钱。

毕竟，在“虚拟”世界得到“试验”结果要比“真实”世界快得多。

整车外流场分析

通过CFD对整车外流场进行分析，可以得到车身表面的压力场、速度场、气动力和气动力矩，进而得出风阻系数等一系列设计参数。

对后视镜、门把手、扰流板等部件的局部流场进行CFD分析也非常重要，其中一些部件也是产生风噪的主要来源，通过CFD分析可以有效进行风噪声预测。

通过CFD对会车、超车及队列行驶等特殊行驶状态车辆的瞬态过程进行模拟分析，可以探索车辆瞬态行驶时的气动特性以及对车辆行驶稳定性的影响。

发动机和空调系统流场分析

发动机舱内的气体流动状态和热环境十分复杂，采用CFD进行机舱热管理分析可实现机舱内各部件的合理布置避免对冷却空气流动的影响，另外，也可采用CFD对发动机冷却系统中流动与传热现象进行数值模拟。

通过CFD可以获取发动机进排气系统内气流分布和特性，有效避免气流分布不均、流动受限等问题对发动机性能造成影响。

通过CFD可以快速准确的反映汽车空调系统内部流动，研究传热规律，实现对空调系统的精确设计的目的。

结语

幸运的是，随着CFD技术的快速发展，CFD的计算速度和精度都得到极大的提升，CFD也越来越受到车企的广泛认可和依赖。

美国GM公司承认，在GM概念车PNGV（Cd值仅为0.16）的开发中使用了多种CFD新技术。

参加美国 Indy-Car赛事的Rahal品牌则声明：Rahal 赛车前轮升力的CFD仿真结果与基于试验的结果完全一致，并且表示在后续车型的开发中还会大量使用CFD技术。

因此，我们有理由相信：未来CFD一定会呈现更多惊喜，而CFD之“智”将造福人类汽车工业。