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根据世界轻型车辆测试规程（WLTP），降低能耗需要对所有空气动力学相关部件进行分析。此外，车辆电气化需要进一步降低空气动力阻力，以延长续驶里程，提高回收效率。这意味着需开发主动空气动力装置，以适应不同的驾驶条件。同时，由于动力总成产生的噪音降低，气动声学将对客舱噪音和乘客舒适性起主要作用。随着自动驾驶系统的不断建立，在不同天气条件下保持传感器和摄像头不受污染是一项强制性安全要求。这是一个与水管理和空气动力学直接相关的主题。因此，所有这些进一步加剧了车辆开发的复杂性。
通过快速准确的车辆空气动力学CFD模拟加速创新
毫无疑问，物理风洞试验仍然是任何车辆评估的可行工具。它是开发周期后期的最终验证工具，与早期的单一物理样机评估相关。然而，由于一方面运营成本高，另一方面需要评估数千种空气动力学模型变体和条件，因此需要通过虚拟开发方法进行补充。
数字风洞是提高车辆空气动力学的关键开发工具
计算流体力学CFD模拟是预测和理解真实世界空气动力学行为的关键技术。基于此，工程师可以探索许多设计变体，以最具成本效益的方式寻求最佳解决方案。然而，虚拟空气动力学工程的前提是准确预测阻力和升力，包括精确量化部件（如车轮、后视镜、扰流板等）的性能影响。此外，相关的空气动力学CFD计算必须允许在开发早期进行创新的空气动力学概念评估。基于此，CFD必须报告出可选设备的空气动力性能的影响，这也正是WLTP认证的要求。
SimcenterSTAR-CCM+是一个多物理计算流体动力学（CFD）模拟软件，允许用户建立高保真、全面的数字孪生模型。并允许在构建任何物理样机之前评估和优化车辆的空气动力学性能。它独特地集成了模拟过程的每个步骤，从几何准备到体积网格划分、求解和后处理。因此，工程师可以快速评估不同配置或设计变更对空气动力性能的影响。
快速准备用于车辆空气动力学CFD模拟的复杂几何
SimcenterSTAR-CCM+能够以最少的用户工作量处理最复杂的几何形状，包括数千个零件的整车总成。CFD工程师可以利用与CAD工具的紧密链接进行双向数据传输，包括几何参数和元数据。或者，您可以使用高质量的中间数据格式（如IGS，STP或STL等）或原始的CAD格式导入。导入几何数据后为方便几何数模后续的使用和重用，需要对结构树进行合理地组织，装配层级关系调整，尤其是零部件的命名。
快速简便的几何准备是高效车辆空气动力学CFD模拟的关键
可以使用全自动网格操作进一步缩短空气动力学CFD模拟的前处理时间。“表面包面”是一种稳健而快速的复杂表面准备方法，它可以将复杂的、有较多表面错误的输入几何转换为干净的、与原始几何贴合度高的、符合体网格生成法则的表面。包面操作拥有可基于边线控制，表面控制和空间体积控制的局部自定义功能，同时为保留局部原始几何细节，可结合局部包面功能进行。对于一些小的缝隙或孔洞可采用GapClosure功能进行自动填补，关于这方面的详细操作可参考STAR-CCM+16.06版本自带教程中欧洲卡车和无人机的案例。
切割体网格提供了巨大的可扩展性，可在多核上并行生成和低的内存消耗。与棱柱层边界网格生成器相结合（棱柱层网格易于使用，能够在外表面生成低y+的网格），是外部空气动力学模拟的首选。为了获得更高的精度，可以在关键区域（如用户定义形状的尾迹）轻松细化体积网格。所有网格单元拓扑（多面体、切割体、棱柱体）均可以并行划分，快速生成网格。
图为包面后的整车数模：合理运用包面技术可以快速获取高质量、贴合度高的几何表面
所有这些可将车辆空气动力学CFD模拟的准备时间从数周缩短到数小时，将空气动力学专家的时间释放到真正重要的事情上：工程卓越的空气动力学解决方案。
通过快速准确的车辆空气动力学CFD模拟提高工作效率
如果结果不够准确，无法推动有价值的工程决策，那么即使是最快的过程也毫无价值。对于外部车辆空气动力学，SimcenterSTAR-CCM+提供了与行业相关的经过验证的物理模型，获得了一致和准确的结果。全套湍流模型使工程师能够准确地捕捉表面摩擦、分离流动力学和车辆尾流中的湍流结构。基于密度的质量、动量和能量方程的耦合求解确保了收敛的稳定性。关键表面上的低y+网格准确捕捉边界层现象，并能够预测流动分离。
SimcenterSTAR-CCM+提供两种模拟方法：稳态雷诺平均Navier-Stokes（RANS）和瞬态分离涡流DES模拟。
稳态雷诺平均Navier-Stokes（RANS）允许用于设计研究的更快地运行模拟。在空气动力学计算中，STAR-CCM+通常建议客户选择K-OmegaSST模型并搭配Lowy+的边界层处理方式，近些年来关于K-Omega模型的计算稳定性和收敛性上面也做了比较多的应用改进：模型系数a1从默认的0.31调整到1，用于湍流时间尺度最小约束的可实现系数从默认的0.6调整到1.2，同时调整Solver中的相关设置，如下图所示。
湍流模型推荐及耦合求解器相关设置
如果能接受较高的计算成本，需要详细了解瞬态流动现象，可以使用非定常分离涡DES模拟。分离涡流DES模拟，包括车轮旋转，可以获取瞬态车辆空气动力学的详细信息。SST（Menter）K-Omega延迟分离涡模拟（SST-DDES）模型对于瞬态尾迹的预测比RANS更准确。在瞬态空气动力学模拟中，仍有必要计算稳态的流场以得到一个好的初场，然后再转成DES模型求解，这里通常建两套物理模型，一套稳态，一套瞬态。对于瞬态时间的设置，选择二阶时间解算器。时间步长从实用上讲可设置0.001s，计算物理时间3-5s，具体取决于车型。关于瞬态计算轮辋旋转区域，如果要用RBM动网格来模拟瞬时的旋转过程，时间步长根据“每个时间步内转动不超过一个网格”即CFL=1的原则，以140公里/时的速度运行，这通常会大约2.5e-4s的时间步长，计算时间较长。通常的处理方法是采用MRF+切向速度对轮胎旋转进行建模，这样时间步长旋转方面具有更大的灵活性，可节约瞬态求解时间。
通过经验证的并行加速比和求解器自动调整，最大限度地提高效率
为了加速空气动力学CFD模拟，SimcenterSTAR-CCM+在计算集群上提供了并行体积网格划分和出色的并行求解能力，内置的求解器加速功能使耦合解算器强健而快速，无需任何用户干预或调整。顶置网格排序(GridSequencing)初始化提供了更精确的初始条件，以进一步加快得到结果的时间。目前国内多家云平台上均已部署STAR-CCM+软件，方便CFD用户进行大规模并行求解计算。
通过自动化车辆空气动力学模拟，节省工程时间
SimcenterSTAR-CCM+专为过程自动化而构建，在单一环境中通过端到端工作流缩短了设置时间。基于此，空气动力学工程师受益于使用专用车辆空气动力学工作流程或基于宏的自动化节约不必要的重复操作。目前STAR-CCM+也在推出基于不同求解应用的模板文件，比如基于后视镜噪声仿真的模板文件，VTM的模板文件等，客户只需在模板文件的基础上，替换自己的整车数据，对涉及到变动的设置进行更新即可完成基于自己模型的建模过程。
Simcenter STAR-CCM+将CAD完全集成到结果并实现自动化
通过集成的设计探索功能进行设计优化、计算阻力的表面敏感性
基于完全自动化的CAD到结果的端到端解决方案，智能设计探索工具（再次完全集成）使运行自动化设计探索研究变得更加便利。利用稳健的混合和自适应搜索算法，空气动力学CFD工程师可以探索在保持空气动力学平衡约束的同时最小化阻力的设计。所有这些不需要你具备优化方面专家的能力，也不需要任何外部软件工具支持。
尾翼设计对气动影响的设计探索研究
最重要的是，基于伴随技术，空气动力学专家可以详细了解给定设计变量的表面阻力系数敏感性。这些洞察可用于确定与空气动力性能高度相关的领域，然后可进行设计探索研究或直接用于局部设计改进。关于这一点，可持续关注STARCCM Online 公众号内的“Adjoint方法最佳实践”一文。
基于车辆空气动力学CFD模拟的表面阻力敏感性伴随函数评估
SimcenterSTAR-CCM+车辆空气动力学仿真从CAD准备开始，到网格划分操作，到物理模型设置，计算域边界条件设置，求解器设置及相关参数调整，并行求解计算，风阻优化，伴随求解敏感度分析，整个工作流都在致力于CFD技术的工程应用价值，公众号后续会有相关仿真案例操作视频发布，敬请关注。
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