摘 要

CFD软件自二十世纪八十年代诞生以来，由于其独特的优势在汽车动力学上得到了越来越广泛的应用。汽车CFD方法的实质就是将汽车车身外表面和外流场进行网格划分，将这些偏微分方程或积分方程变成大型代数方程组，然后采用适当的矩阵代数算法通过计算机数值计算出汽车外部流场的近似数值解，再用图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，这样就可以直观的确定汽车的气动性与参数。由此可见，汽车CFD方法对于预测和改进汽车的气动性能，以及对于指导设计汽车产品都具有重要的意义。本课题将从汽车建模开始，对汽车外表面和外流场进行网格划分，然后设置计算参数，进行数值仿真，再将计算结果可视化，最后得出汽车行驶速度对汽车空气动力学性能的影响，达到学习目的。

关键词: CFD 汽车 外流场 数值模拟

Abstract

Since its birth in the 1980s, CFD software has gained more and more extensive applications in automotive dynamics due to its unique advantages. The essence of the automotive CFD method is to mesh the exterior and exterior flow fields of the car body, transform these partial differential equations or integral equations into large-scale algebraic equations, and then use an appropriate matrix algebra algorithm to calculate the external car flow through computer numerical calculations. The approximate numerical solution of the field, and then use the image display method, quantitatively describe the numerical solution of the flow field in time and space, so that the aerodynamics and parameters of the car can be determined intuitively. It can be seen that the automotive CFD method is of great significance for predicting and improving the aerodynamic performance of a car and for guiding the design of automotive products. This topic will start with the automobile modeling, mesh the exterior and exterior flow fields of the car, then set the calculation parameters, carry out numerical simulation, and then visualize the calculation results. Finally, the vehicle's driving speed is determined by the car's aerodynamic performance. Influence to achieve learning objectives.

Keyword：CFD; cars; Outflow field; Numerical simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 计算机流体力学（CFD）概述 2

1.3 CFD的发展历史 2

1.4 CFD在国内外的现状及前景 3

1.5 本文的内容安排 4

第二章 计算流体力学（CFD)基础 5

2.1 流体力学基础 5

2.1.1 流体力学发展概述 5

2.1.2 流体力学基本方程组 5

2.3 CFD概述 6

2.3 CFD软件的构成 6

2.2.1 前处理器 6

2.2.2 求解器 7

2.4 CFD求解力学问题的步骤 7

第三章 CFD在汽车中的应用 9

3.1 空气动力学汽车设计的原理 9

3.3汽车CFD方法的流程 10

3.3.1 流场控制方程 10

3.3.2 建立汽车模型 11

3.3.3 网格划分 11

3.3.4 确定边界条件与求解方法 11

3.3.5 外流场仿真结果与分析 12

第四章 汽车CFD方法的计算实例 13

4.1 计算流程 13

4.1.1 建立汽车模型 13

4.1.2 网格划分 14

4.1.3 边界条件和求解方法 15

4.2 计算结果与分析 15

第五章 总结 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 绪论

1.1 引言

流体的三大守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。这些定律都可以由数学方程组来描述，但是由于这些方程组都是非线性的，传统的求解方法对于一些复杂问题的求解很难得到分析解。但是，随着计算机技术的不断发展和进步，计算机流体力学（CFD）在上个世纪八十年代诞生于美国，并在随后的十多年中快速发展。计算机流体力学（CFD）通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而可以解决很多以前不能不能解决的问题。与此同时，在最近的几十年来，汽车工业发展迅猛，除了在发动机动力系统以及其他内部器件方面的研究取得了长足的进步以外，伴随着才CFD的诞生以及在汽车外形设计中的深入应用，汽车的外形设计方面也取得了长足进步和提升。汽车的外形设计一方面是为了满足消费者对汽车的审美要求，更重要的一面是通过对汽车外形设计减小汽车运行是的空气阻力，以此达到提高汽车速度和减少燃料消耗。同时由于汽车在运行时空气阻力会产生升力，使汽车运行时的稳定性下降，因此也可以通过外形设计使汽车运行时的升力减小，使得汽车行驶时稳定安全性能大大提升。 本课题研究的主要目的在于了解并学习汽车CFD方法的操作流程。中国自改革开放以来，社会经济的到了空前快速的发展，汽车工业也得到快速发展快速发展，随着汽车高速性能的不断提升，对汽车外流场特性对汽车的动力性、经济性、舒适性和操纵稳定性的要求也日益提升。汽车消费者越来越希望买到气动性较好的汽车且油耗较少，这样只能减小汽车在高速行驶时所受到的阻力，而通过通过分析汽车外流场特性对汽车造型的影响，就可以减小汽车在高速行驶时所受到的阻力，从而达到减少油耗的目的。同时通过CFD汽车法改善汽车外形也能降低汽车高速运行时的空气噪音，从而提高乘客乘坐时的舒适性。另一面，虽然在最近十几年来，我国汽车工业正在蓬勃发展，并且国内也拥有庞大的市场，但在庞大的市场中，中高端汽车很大比列都是进口车，其主要原因是国内目前自主开发轿车的能力还有待提高,对于于车身工程中的车身造型和空气动力学研究方面还存在一些急需解决的问题。因此,为提高我国汽车自主开发的能力,开展汽车空气动力学的计算机数值仿真计算和方法的研究具有极为重要的现实意义和重大的战略价值。

1.2 计算机流体力学（CFD）概述

计算机流体力学是以现代计算机为基础，通过使用各种离散化的数学方法，对流体力学的各种问题进行数值试验、计算机模拟和可视化分析，最后解决实际问题的一门具有强大生命的边缘科学。数值模拟和计算机试验是计算机流体力学的基本特征，它通过用数值方法求解非线性微分方程组，从基本物理定律出发，求解并预报流动、传热、传质等过程的细节，在很大程度上替代了传统的耗资巨大的流体力学物理实验过程，并解放了过程装置优化和工业设计中的大工作量和耗时量，在科学研究和工程生产工程中发挥了巨大的作用。

随着计算机软件工业的突飞猛进，计算机流体力学在最近的二十年中得到了飞速发展，之前很多物理问题由于分析方法和试验方法等方面存在巨大的局限性和复杂性，无法有效地解决，而在CFD的快速发展为解决这些问题提供了工具基础，并且还有低成本的优势。

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