FLUENT软件在汽车工业领域的研究进展

【摘 要】介绍了FLUENT软件在汽车空调系统、汽车消声系统、汽车外观和内饰以及电动汽车电池模拟方面的研究进展和实际应用情况，并提出FLUENT软件在汽车工业领域应用中存在的问题，指出今后的研究方向和发展趋势。

【关键词】FLUENT；CFD；汽车工业

前言

汽车工业要向前发展，就要获得相关参数，传统的手段是通过实验的方法，但此方法在耗费了大量的人力、物力、财力的同时实验效果也不理想，商业模拟软件的出现解决了这一问题，FLUENT软件能精确的模拟研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，并具有降低设计成本、减少设计风险缩短设计周期的优点，其带来了巨大的经济效益，由此被广泛应用到汽车领域中。

1.应用研究进展

1.1汽车空调系统

汽车空调的性能是评价汽车性能优劣的重要指标，改善汽车空调系统的结构、降低噪声、减少蒸发器总成系统内流体偏流现象，可以提高汽车空调系统的运行效率，但传统的试验方法很难反映出空调系统内部影响空调运行效率的因素，而用数值模拟计算的方法可以解决这一难题。众多学者对FLUENT在汽车空调系统方面进行了相关研究。

Jeffrey　J.Case[1]和William　A.Cuddy对汽车空调系统的涡壳和叶轮的结构进行模拟后找出了效果明显的配合，从而达到提高HVAC效率和降低系统噪声的目的。于福义、凌泽民等人利用FLUENT软件对汽车空调系统的蒸发器总成进行数值模拟，找出了设计中存在的问题并进行了改进，使汽车制冷机组达到更好的制冷效果。另外，尚明、雷玉成等、运用三维不可压缩流体的　湍流模型CFD法，利用FLUENT软件对汽车空调风道的主体部分内气流进行了模拟与分析，并提出改进方案。杨国平、张媛媛等人对汽车空调风道部分的气流流动进行了模拟与分析，得到优化后的参数。

1.2汽车消声系统

汽车噪声大小直接影响汽车性能的优劣，如果仅通过实验方法很难满足其“低噪声、低振动、低排放、低功耗、低成本”的要求，进而要借助数值模拟的方法，此方法不仅从理论角度分析可能出现的问题，为系统的优化提供了理论基础，并降低了实验成本，由此得到了研究人员的青睐　。

胡效冬用CDF法定量的研究了简单消声器的压力损失随消声器结构参数和边界条件的变化规律。王计广用FLUENT对汽车消声器的压力场、流场、温度场进行了模拟和数值分析后表明在消声器过渡位置容易出现温度压力突变并提出消并声器各腔长度影响其频谱移动的理论。邹雄辉、颜伏武等人在Pro-E三维建模的基础上利用FLUENT对汽车消声器进行数值模拟仿真，后又对其内部流场、温度场和压力场进行了相应的分析并对消声器进行了改型和计算，通过和原型消声器的对比，指出了消声器的改型方案。许建民对简单扩张消声器进行了CFD仿真模拟，研究了相应的压力损失随入口流速的变化趋势后发现内插管对消声器的流场和压力损失有较大的影响，而且带内插管的消声器阻力损失比未带内插管的要小。

作为发动机消声降噪装置，消声器已经被广泛应用到汽车工业中，计算机数值模拟作为未来的发展方向会越来越多的被运用到实际中。

1.3汽车动力系统及其冷却方面

汽车动力系统是汽车的核心，对汽车的征程运行起决定作用，因此，动力舱内的热流动问题以及研发更加高效的热管理系统，已经成为改善车辆散热性能、提高整车动力性的关键。

基于此，通用汽车公司Damodaran[2]等人和雷诺汽车公司Gilliéron等人使用FLUENT　软件预测了发动机舱内流场和温度场并通过风洞试验进行验证。Yang　Zhigang和德尔福汽车系统公司的James　等人使用数值模拟方法研究了汽车发动机前置冷凝器、散热器和风扇模块的排列方式并比较分析了发动机舱内的流场和温度场。Tai通过CFD方法研究了发动机的进气格栅形状及位置以及多孔介质模型参数设置对流场形状的影响，并与一维计算结果进行了耦合分析后提供了车辆前端设计的方法。近几年，Subramanian[3]对动力舱结构进行模拟后提出改进动力舱的结构可以避免散热器出口形成回流，进而提高了散热器的散热能力。

1.4汽车外观和内饰

由于汽车在高速路上行驶过程中，50％的能量用于克服空气阻力，所以合理的汽车外观设计可以达到节能降耗的目的。

王淼首先采用计算流体软件对汽车外形流场进行了三维模拟计算，证实了其在应用过程中的优点。薛劲橹、张冰志、许国英[4]用FLUENT对汽车行驶的外流场进行仿真后得出外流场压力和速度的分布图，并通过计算结果相关数据对汽车气动特性进行分析，为汽车研究及改进提供可行手段。唐鹏、江宏等人用FLUENT对汽车外流场进行分析后提出在车前端应该增加倒流板以降低风阻。并且，于捷、刘德新等人对基于提升续驶里程的汽车车身造型参数进行了研究和模拟，总结出电动汽车车身的空气动力学的特性，同时，利用算例对AVL-FIRE软件的模拟精度进行可靠性验证。杨晓龙、林铁平对汽车外流场进行了DES、RANS的模拟研究对比了两种方法的模拟结果后得出结论：DES方法的计算量大，RANS方法在获取流场的时均信息方面更加经济。

1.5电动汽车电池方面

随着石油资源的减少，电动汽车被开发利用起来，但电动汽车电池的温度问题是电动汽车发展的障碍，电池的温度随放电过程而升高，温度过高时会影响电池的寿命，因此电动汽车电池的的冷却成为人们所关注的问题，模拟软件在此过程中得到应用。

朱晓彤分析了丰田RAV-4电动汽车电池冷却系统的结构设计针对电池包内对冷却气体的要求，采用计算空气动力学数值模拟方法，利用FLUENT软件模拟了电池包内空气流动的情况，为以后的研究提供了理论基础。杨凯、李大贺等综述了国内外电池热效应模型的研究进展，归纳总结了动力电池热效应的模型通用的建立方法及参数确定的计算或实验过程。刘振军建立了电动汽车锂离子电池组的三维散热模型，对电动汽车匀速行驶且自然风冷时锂离子电池的温度场进行了仿真和测试后提出优化方案。国外方面，Monzer　Al　Sakka，　Hamid　Gualous对超级汽车电容器进行热建模，根据所建模型对汽车运行周期和温度进行估计后提出加入强制制冷系统的必要性，Michael　R.　Giuliano等通过模拟的方式对钛酸锂动力电池温度场进行热分析后提出应该采取主动冷却的方式改善其温度场，Rajib　Mahamud对锂离子电池进行热模拟后提出，往复式空气流有助于提高锂离子电池的温度场的均匀性的理论，Riza　Kizilel、Rami　Sabbah和J.　Robert　Selman提出利用相变材料采取主动冷却的方式对结构紧凑的锂离子电池系统进行主动冷却，使电池的温度场达到均匀来确保电池的循环寿命。

现今，模拟软件在电动汽车电池方面已经得到了广泛的应用，电动汽车电池的模拟为动力电池的冷却系统的优化提供给了理论基础，为今后电动汽车的发展提供条件。

2.展望

作为一个应用便捷的计算机模拟软件，FLUENT的功能也在不断强大，将它应用在汽车工业中，不仅为汽车的发展提供的有效数据，还可以和相关实验数据，为汽车工业的进一步发展奠定了理论基础。在汽车工业发展领域，FLUENT不仅在传统汽车的开发中有所应用，在电动汽车的研发上也应用广泛。例如，电动汽车电池的温度场和速度场的模拟，这对解决电动汽车电池存在的温度失调问题尤为重要。因此，FLUENT软件在汽车发展领域会越来越被重视。

3.结论

FLUENT软件作为CFD通用软件的代表以其应用便捷、效果逼真、更直观的优点在汽车工业中得到广泛的应用。由于减少了在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质，优化算法选用，参数的设定，因而提高了工作效率，FLUENT　必然会获得越来越多的应用，应用效果也将越来越好。但它对模型的要求高，忽略一些问题后，使结果不够精确，所以功能更强大的FLUENT软件有待进一步的开发与应用。

参考文献

[1]Jeffrey　J.Case，William　A.Cuddy.Application　of　an　Acoustical　Resonator　to　Reduce　HVACBlower　Noise.SAE.2001-01-1526

[2]DAMODARAN　V，KAUSHIK　S.Simulation　to　Identifyand　Resolve　Underhood/Underbody　Vehicle　ThermalIssues[J].Journal　Articles　by　Fluent　Software　Users，JA118，2000

[3]SUBRAMANIAN　S，BANDARU　B，BALAJI　B.Minimization　of　Hot　Air　Re-circulation　in　Engine　CoolingSystem[J].SAE　Paper　2009-01-1153.

[4]薛劲橹，张兵志，徐国英.FLUENT在汽车动力特性研究中的应用[J].装甲兵工程学院学报，2009.