Altair虚拟风洞模块实现外流场空气动力学仿真流程自动化

Altair虚拟风洞模块实现流程自动化：外流场空气动力学仿真

在现代汽车设计中外流场空气动力学仿真扮演着至关重要的角色。汽车燃油经济性、稳定性、发动机冷却、座舱内部噪声和风挡雨刮性能都受空气动力学载荷的影响。

几十年来，全世界的汽车制造商都依赖于耗时的风洞试验和计算流体动力学(CFD)仿真来研究汽车的空气动力学性能。今天，快速的计算机系统和尖端的数值方法允许人们在一个更可接受的短时间内来研究复杂的流动结构。在汽车的研发过程中，风洞试验仍然是一个不可或缺的过程，同时CFD风洞仿真也越来越受欢迎，它大大的减小了实际所需的风洞试验次数。

完成汽车风洞试验仿真不是一个简单的任务。从模型的准备，到网格划分和CFD模型的建立，再到计算和后处理，这整个工作流程是复杂且耗时的。汽车外流场仿真的特点是几何非常复杂(如发动机舱)、边界条件(如旋转轮胎和滑移地面)不稳定和十分紊流的流场，特别是在汽车的尾迹。流程定制化的环境，再加上精确，可扩展及稳健性的CFD求解器，将成为风洞仿真高效和主流方式。

自动化流程

通常汽车外流场仿真包括以下四个步骤：

1. 模型准备(如几何清理或表面网格划分)

2. 体网格生成

3. CFD模型设置和求解运行

4. 后处理

而在HyperWorks虚拟风洞Virtual Wind

Tunnel™(简称VWT)模块中，上述的第2,3,4步都被集成为一个自动化流程，可以快速进行风洞外流场分析，如图1所示。

图

1：HyperWorks虚拟风洞(VWT)外流场仿真流程

VWT直观的用户界面简化了网格参数和CFD建模参数的定义。部件的定义包括智能自动化将人工干预减小到最低。多物理场方面如流固耦合(FSI)也包含在其中，如气动载荷作用下扰流板的变形以及它对汽车升力的影响。

VWT用户界面与高性能计算机系统有直接的接口，可以加快一些耗内存和计算资源的任务完成，如体网格生成、计算和后处理。

图 2：定制化自动报告生成，包括动画

数值模型：精确、稳健、快速和可扩展

虚拟风洞仿真的稳健性和精确性很大程度上取决于它的数值模型。一般来说，外流场具有瞬态流动的特征，特别是道路车辆。采用瞬态仿真可以获得更切实际和精确的结果，但通常为了节省计算资源和快速评估不同的设计，人们通常进行稳态计算。而有些情况下，一些CFD求解器采用稳态计算是由于无法在一个合理的时间内获得瞬态仿真的结果，也有一些CFD求解器在人们需要稳态计算时却仅仅只有瞬态分析的功能。因此，同时具有良好的瞬稳态分析功能需要更高端的数值模型。

为了克服这一问题，HyperWorks虚拟风洞采用AcuSolve提供快速的瞬态和稳态仿真结果。AcuSolve是基于有限元方法(伽辽金/最小二乘法)的通用CFD求解器。

AcuSolve采用雷诺平均NS方程(RANS)和分离涡模拟(DES)技术来模拟湍流流动，预测流动的分离。DES技术在近壁面采用RANS模型，在主流区如汽车尾迹的分离区，采用大涡模拟(LES)。VWT采用RANS的稳态分析和DES的瞬态分析都可以得到精确的外流场结果。

由于AcuSolve采用了一套十分高效和稳健的数值格式来时间推进，因此瞬态仿真可在合理的时间内完成。这使得人们可以通过瞬态仿真来获得更实际和精确的结果而不需要被迫采用稳态仿真来近似汽车流场。

图 3：F1赛车外流场仿真

CFD求解器的稳定性

由于汽车几何外形十分复杂，因此要生成一个高质量的流场域体网格是非常耗时的。发动机舱内部件间的小间隙或轮胎与地面的连接通常会导致大展弦比和高度扭曲的网格。一套低质量网格会引起CFD求解器发散或得到不精确的结果。网格加密可以帮助提高网格质量但随之而来会引起总网格数增多，CPU计算时间加长。

为确保快速的计算评估，CFD求解器需要给出一个高质量的结果，即使是基于一个次优化的网格。特别是上述提到的虚拟风洞流程，一个稳健的CFD求解器是整个过程最关键的环节。

基于伽辽金/最小二乘有限元方法的AcuSolve可以在网格质量十分差的情况下获得高精度的结果。因此它十分适合于复杂汽车外形所形成的高度扭曲网格。另外，AcuSolve支持共享和分布式内存计算机并行计算，其混合式并行技术允许外流场大模型结果在很短的时间内得到。

流固耦合

对于带扰流板的汽车，其阻力和升力在扰流板是刚性还是弹性的情况下会有所不同，因为扰流板会在气动载荷下发生变形。为了获得精确的结果，扰流板的变形需要考虑进来并耦合到流场中。AcuSolve具备很多高端的物理模型，包括气动弹性、气动声、刚体运动和流固耦合，因此可以提供更实际和精确的汽车外流场仿真解决方案。另外，流固耦合还可用于确定振动频率(脉动的气动载荷引起)并与整个结构模态对比，避免共振。

图 4：尾翼流固耦合

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