CFD(Computational Fluid Dynamics)是计算流体动力学的缩写。传统的空气动力学研究工具是风洞试验。但在大学生方程式汽车比赛中,大多数车队缺少合适的风洞设备作为研究条件。同时,受限于资金成本,车队没有足够的资金对于每一版模型进行单独的试验验证。事实上,即便在其他资金更加充足的赛车运动中,完全依赖风洞试验进行研究也十分困难。CFD的出现很大程度地解决了这个问题。通过将计算机中的CAD模型直接导入CFD软件,再进行一部分前处理后,计算机可以模拟出流场的情况。整个过程中避免了实体模型的加工制造,大幅加快了设计优化迭代的节奏,也节约了成本。但其精度仍然受限于网格与物理模型的限制,还有一定的提升空间,工程上往往仍然需要风洞进行验证。因此,风洞试验和CFD实际上是互补关系。
CFD主要用数值方法求解以下的控制方程组:
①质量守恒方程;
②动量守恒方程;
③能量守恒方程;
④组分守恒方程;(www.xing528.com)
⑤体积力。
一般来说,大学生方程式汽车比赛的CFD仿真主要使用商业求解器FLUENT或者STAR-CCM+。FLUENT在科学研究领域的应用更加广泛,功能更加全面也更加复杂。STAR-CCM+在汽车行业的普及度更高,主要优势在于较为友好的界面使得操作相对简单。总的来说,在合理地布置网格以及定义各种参数之后,目前主流的商业CFD从求解精度的角度而言相差不大。各支车队具体使用哪一款求解器,取决于队伍的技术传承以及赞助关系等因素,没有统一的答案。
注意到,CFD仿真对于计算机的算力提出了很高的要求。普通的PC往往只能进行类似前翼、尾翼等单个部件的仿真,而整车流场的仿真需要的算力往往已经超出了PC的算力极限(主要是存储网格信息需要的RAM空间过大)。许多大学生方程式车队都会考虑使用计算机集群进行计算(图8-11)。计算机集群有着以下优势:①算力较高,可以进行更加复杂的算例求解,并且求解速度较快;②不占用学生的PC;③共享的存储空间可以作为空气动力学套件设计团队共用的空间资源,便于团队内部交流。
图8-11 AERO赛车的仿真结果
成功的空气动力学套件设计没有捷径,只有通过不断的CFD仿真和设计迭代,才能“压榨”出更多的性能。
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