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汽车空气动力学1

纲要

1.空气动力学数值计算的一般方法

2.简单车体外流场的数值模拟

1.空气动力学数值计算的一般方法

CFD(ComputationalFluidDynamics)是以理论流体力学和计算数

学为基础，把描述空气运动的连续介质数学模型离散成大型代数方

程组，建立可在计算机上求解的算法。

CFD的基本思想：

把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，

用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则

和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然

后求解代数方程组获得场变量的近似值。

CFD可以看做是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能

量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。

计算流体力学在流体力学中的地位

实验流体力学

理论流体力学：连续场模型、分析解法

计算流体力学：离散场模型、数值解法

单纯单纯

实验测试理论分析

计算

流体力学

§计算流体力学在流体力学中的地位

实验测量方法:所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基

础。

局限性：

(1)实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可

能很难通过试验方法得到结果。

(2)实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。

Important!

§计算流体力学在流体力学中的地位

理论分析方法:所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实

验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。。

局限性：

它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线

性情况，只有少数流动才能给出解析结果。

CFD方法克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现—个特定的计算，

就好像在计算机上做一次物理实验。

计算流体动力学的特点

流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算

域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用

CFD方法则有可能找出满足工程需要的数值解

可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动

参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行

方案比较

它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多

的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺

寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无

法达到的理想条件。

计算流体动力学的特点

数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、

数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学

模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有

限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差。

它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描

述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，

并需要对建立的数学模型进行验证。

计算流体动力学的特点

因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例

如产生数值粘性和频散等伪物理效应。

CFD因涉及大量数值计算，因此，常需要较高的计算机软硬

件配置。

各种方法比较

理论分析成本最低

结果最理想

影响因素表达清楚

缺点：局限与非常简单的问题,

数值方法

成本较低：数值实验

适用范围宽

缺点：可靠性差，表达困难

实验测量

可靠

成本高

CFD：总体步骤

物理模型