對于汽車行業(yè)的CFDer來說，一維仿真與三維仿真是我們工作中經(jīng)常用到的仿真方法。也許很多人會困惑，什么是一維仿真，什么是三維仿真？為什么要CFD仿真要分成一維和三維，他們各有什么特點(diǎn)？對于菜鳥入門來說哪個(gè)更好？實(shí)際研發(fā)中哪個(gè)作用更大？本周我們就來聊聊CFD的一維與三維仿真。

首先解釋下什么是一維與三維的CFD仿真。一維仿真，代表變量只沿著一個(gè)空間方向變化，而在與這個(gè)方向垂直的面上均認(rèn)為相等。三維仿真，則是變量在空間三個(gè)方向上都會發(fā)生變化。以一根直管道為例，認(rèn)為管道每個(gè)橫截面上流速均相等，只考慮流速隨管道長度方向的變化就是一維仿真，同時(shí)考慮流速隨長度方向以及橫截面上各個(gè)半徑方向都發(fā)生變化，則是三維仿真。

從現(xiàn)在比較流行的V模型開發(fā)流程中可以比較容易看出一維與三維CFD仿真之間的關(guān)系。 在V流程左邊是虛擬開發(fā)階段，V流程右邊是試驗(yàn)驗(yàn)證階段，而一維和三維仿真則主要是在虛擬開發(fā)階段發(fā)揮作用。一維仿真?zhèn)戎赜谙到y(tǒng)級分析，對應(yīng)于V流程中的整車級分析，系統(tǒng)以及子系統(tǒng)分析，重點(diǎn)在于性能分析，進(jìn)行關(guān)鍵零部件的選型與匹配，在項(xiàng)目前期，將整車目標(biāo)分解至各個(gè)零部件，對關(guān)鍵零部件提出具體的性能要求。而三維仿真則側(cè)重于零部件級別詳細(xì)的開發(fā)，側(cè)重于流場詳細(xì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

上面講起來有些抽象，舉幾個(gè)比較實(shí)際的例子吧。

（1）整車?yán)鋮s系統(tǒng)仿真。一維仿真?zhèn)戎赜诶鋮s系統(tǒng)各個(gè)部件之間的匹配，會在一維模型中搭建冷卻系統(tǒng)回路的各個(gè)部件模型，分析散熱器的散熱能力是否滿足要求，格柵風(fēng)量是否足夠，冷卻風(fēng)扇是否匹配，冷卻水泵是否滿足要求，最終關(guān)注冷卻水溫是否滿足開發(fā)要求，若不滿足要求，則從系統(tǒng)層面提供優(yōu)化方案。另外也可以對冷卻系統(tǒng)的控制策略提供一些優(yōu)化意見，比如風(fēng)扇和水泵的控制等等。三維仿真則會搭建整車的詳細(xì)模型，重點(diǎn)分析格柵開口大小是否合適，會關(guān)注冷卻模塊風(fēng)量用于一維冷卻系統(tǒng)分析，關(guān)注機(jī)艙流場是否合理，怠速工況是否存在回流。另外三維整車仿真還有非常重要的一大塊是分析排氣管周邊零部件是否存在熱害風(fēng)險(xiǎn)，是否能夠滿足耐溫極限。如果存在問題，則要從具體結(jié)構(gòu)或者布置上提出優(yōu)化建議。

（3）發(fā)動機(jī)系統(tǒng)。一維發(fā)動機(jī)系統(tǒng)仿真?zhèn)戎赜趯Πl(fā)動機(jī)性能進(jìn)行分析，包括動力性（扭矩）、經(jīng)濟(jì)性（油耗）和排放。可以對進(jìn)排氣正時(shí)，噴油規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，可以對渦輪增壓器進(jìn)行匹配，可以分析缸內(nèi)的燃燒過程，分析缸內(nèi)PV曲線以及燃燒放熱率，還可以分析進(jìn)氣流量，作為三維仿真的入口邊界，分析排氣流量溫度，缸體散熱量等。三維發(fā)動機(jī)仿真則側(cè)重于具體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，比如進(jìn)排氣管道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，關(guān)注進(jìn)排氣壓力分布是否均勻，氣道及缸內(nèi)燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化，關(guān)注缸內(nèi)流動阻力，渦流及滾流比等。優(yōu)化冷卻水套設(shè)計(jì)，關(guān)注機(jī)體溫度分布是否合理，優(yōu)化燃油噴射過程，關(guān)注噴霧發(fā)展是否合理，是否對排放產(chǎn)生不利影響等。

通過以上這幾個(gè)具體例子的講解，大家應(yīng)該對一維以及三維分析有了大致的了解。其實(shí)很多時(shí)候，一維和三維仿真也是相互影響的，可以相互提供對方的邊界條件或者反應(yīng)參數(shù)，有時(shí)候還需要進(jìn)行聯(lián)合仿真。比如發(fā)動機(jī)一維仿真可以為三維仿真提供進(jìn)氣流量進(jìn)氣溫度等的邊界條件，而三維仿真可以為一維仿真提供對流換熱系數(shù)等信息。另外很多涉及化學(xué)反應(yīng)的參數(shù)需要在一維仿真中進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定完成后再用于三維的仿真。

下面看看一維和三維仿真各自有什么特點(diǎn)呢？一維仿真的優(yōu)點(diǎn)是建模簡單，計(jì)算速度快，入門上手比較方便，缺點(diǎn)是比較依賴于測試數(shù)據(jù)，模型需要標(biāo)定，而在整車研發(fā)過程中，會有很多測試數(shù)據(jù)無法提供，此時(shí)進(jìn)行一維仿真，更多的是依賴于部門研發(fā)的數(shù)據(jù)積累以及個(gè)人的仿真經(jīng)驗(yàn)。簡單概括來說，一維仿真屬于算起來比較簡單，要算準(zhǔn)比較麻煩的類型。而三維仿真相對來說入門會麻煩一些，因?yàn)樯婕暗骄W(wǎng)格劃分，這塊的入門是需要有一定的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)積累的。就仿真分析任務(wù)來說，三維仿真會相對復(fù)雜一些，因?yàn)榫W(wǎng)格劃分的工作量會比較大，而如果計(jì)算發(fā)散，這個(gè)調(diào)試過程也會是一件很頭疼的事情。

對比一維和三維仿真，一維仿真需要理解系統(tǒng)本身的東西更多，牽涉的知識面也會更廣，比如你要了解系統(tǒng)原理，各個(gè)部件的意義以及作用，布置關(guān)系，控制策略等等，而三維仿真則更多的是關(guān)注局部本身，你需要有較強(qiáng)的優(yōu)化能力對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化，技能主要在于網(wǎng)格劃分的技巧以及面對問題時(shí)候的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能力。

對于兩者在研發(fā)中所起的作用，我覺得維度不同無法進(jìn)行簡單的比較。兩者在研發(fā)過程中都起到了非常重要的作用，只是側(cè)重點(diǎn)不同。一維側(cè)重于系統(tǒng)級分析，關(guān)注的是零部件之間的匹配關(guān)系，三維側(cè)重于部件級仿真，關(guān)注的是部件本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理。如果非要說哪個(gè)更重要，個(gè)人觀點(diǎn)覺得一維仿真更加基礎(chǔ)，考慮的層次也相對更高一些，在項(xiàng)目前期就需要介入進(jìn)行需求分解，可能從整個(gè)項(xiàng)目層面考慮所起的作用更大些。

當(dāng)然最終作為一個(gè)CFD仿真工程師，最理想的是一維和三維全能，既能在系統(tǒng)層面的高度對整個(gè)系統(tǒng)有總體的認(rèn)識和把握，又能在部件層面的深度對具體零部件的結(jié)構(gòu)和性能有足夠的分析能力，這樣可以完成整個(gè)仿真過程的閉環(huán)。對個(gè)人技術(shù)發(fā)展來說，無論在廣度和深度上都有較深的理解，對于個(gè)人仿真技術(shù)提升以及研發(fā)本身的理解是非常有利的。

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