【干貨分享】一種快速的整車外氣動CFD模擬計算方法

心心相印.

2021年9月28日 10:25

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1、研究背景及意義

氣流經過行駛的汽車，在汽車周圍形成很復雜的外流場結構，尤其會出現氣流的分離附著和復雜渦結構等流體現象。而這些外部的客觀現象實則是汽車空氣動力學特性以及流體氣動機理和規律的反應。研究汽車空氣動力學特性對于進行車身外觀改型設計和提高汽車性能指標來說具有重要的理論依據和現實意義。研究汽車外流場中的氣流分離以及湍流渦結構等復雜現象是揭示其內在機理和規律的重要環節。為了補充甚至是取代相關試驗，CFD在汽車研發過程中正扮演著越來越重要的角色。在汽車研發過程，需要利用嚴格的CFD氣動基準模型與試驗作驗證，方可確保預測的準確性。

2、包含汽車前端的整車外氣動分析技術難點

為了更精確的模擬發動機前艙進氣以及風阻系數，由于前艙內的零部件對前端進氣有直接的阻力影響，從而會影響最終的計算結果，因而對于前艙內大部分零部件都要保留，如水箱、冷凝器、冷卻風扇、發動機以及相關的周圍零部件等，而這些部件的保留對于整車氣動分析的難度則大大增加。

長久來看，人們更多的是采用簡單的Ahmed體作為基準模型去驗證仿真工具，而Ahmed體形狀相對簡單，基于它建立的CFD方法無法適用于實車模型。隨著開源的DrivAer汽車模型的建立，填補了車輛CFD氣動基準模型的巨大空白。目前CFD技術應用于整車外氣動及熱管理分析等已經相對純熟，所獲得的計算精度通過建立嚴格的標準流程，往往也能達到設計人員希望的標準。然而從實現過程和效率上來說，目前這部分工作仍然建立在巨大的重復性的前處理工作上，從整個CFD分析的流程來看，仍然有許多不盡如人意的地方，具體體現在：

幾何前處理，對于傳統的CFD模擬方法而言，由于整車前端零部件眾多，往往會存在許多小縫隙或重疊部分導致網格無法成功劃分，而必須事先進行幾何簡化、清理以及相應的包面處理，使原始的CAD幾何能夠順利生成符合要求的計算網格。這部分所花費的時間可能會占到整個CFD流程約3/4的時間，而這部分工作對于車型設計和改進而言幾乎沒有實際意義；
網格前處理，對于處理好的幾何模型，在進行網格生成時，需要對不同的區域做不同尺度的網格加密，而由于網格量巨大（千萬量級），在選取和測試合理的網格尺寸時，也需要耗費大量的時間；
模型設置和計算效率，對于新手而言，如何設置合理的計算參數和模型，確保計算結果合理往往需要大量的嘗試和經驗積累；而由于整車網格往往是幾千萬量級甚至上億，因此對于CFD軟件的并行效率提出了更高要求。

3、Simerics MP+ for Vehicle 的解決方案

本文所介紹的應用于整車外氣動CFD模擬的快速方法則是應用Simerics-MP+ for Vehicle的專業應用模板來進行整車外氣動特性模擬，當然該模板同樣可以應用于除霜除霧、涉水、水管理、發動機艙熱管理相關的仿真計算，且同樣具有高效快速的特征。那么該整車專業版的超快方法具體有哪些特點呢：

幾何前處理可節約3/4的處理時間，Simerics-MP+采用自適應二叉樹網格技術，在一定程度上能容忍“爛”幾何，在劃分網格前的幾何修復工作非常少，可直接用原始CAD畫網格，大大節約了工程師的時間，僅此項工作大約可節省工程師3/4的前處理時間； 注意是3/4哦，沒有水分！

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原始幾何僅需少量清理

模板功能可自動設置合理的網格參數，Simerics-MP+ for Vehicle的網格前處理功能，可以根據車型特點自動進行不同區域的網格嵌套加密，對于一些重要特征部分會自動進行加密解析，如進氣格柵；對于復雜曲面可精確表征幾何而無需任何簡化，且可以提供不同精度級別的網格選項，以滿足不同階段的計算需要，生成一次網格的時間大約在2-4h之間；

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多重網格加密

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原始幾何與網格解析對比

模板功能將整個CFD過程流程化規范化，Simerics-MP+ for Vehicle內置了一套設置模板，將CFD模型設置流程化，自動引導用戶設置風扇、散熱器、進出口參數、地面設置等，極大程度上避免人工設置出錯的可能性；
高效的MPI并行技術助力大規模網格計算效率的提升，目前Simerics-MP+的MPI已可以做到無線核并行計算；對于整車外氣動分析而言，在128核內基本可以做到線性遞增，大大加快了CFD計算的進程。

下面我們來具體了解詳細的過程及花費的時間。

4、案例詳解

4.1 整車分析研究對象

在進行一般性研究時，研究對象需要具備一定的普適性。隨著汽車空氣動力學的不斷發展，模型也在不斷的豐富和改進。DrivAer就是一款新型實際車標準模型，是寶馬3系和奧迪A4的插值模型，具有整車細節，包括發動機蓋、輪胎、輪腔、后視鏡、光滑/復雜底盤等細節，更加地貼近實際車型，比之前的Ahmed、MIRE、SAE等簡化標準模型具有更好地代表性。并且具有A)階背式（Notchback）, B)快背式（ Fastback）和C) 方背式（Estateback）三種類型，便于進行多種車型的對比研究。如下圖所示。

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A)階背式(Notchback), B)快背式( Fastback) 和C) 方背式(Estateback)

4.2 具體分析工況選擇

為更好的進行整車外氣動的模擬對比分析，我們選擇三種不同類型的仿真工況進行對比驗證，分別為：

不考慮地面影響且格柵關閉
考慮地面因素影響
格柵打開狀態，以同時考慮發動機艙內的流動

4.3 不考慮地面影響且格柵關閉狀態的外氣動模擬分析

4.3.1 前處理

為了保證計算的精確性，Simerics MP+可根據整車模型的尺寸直接生成仿真所需的風洞模型并一鍵式生成嵌套式網格，為了更好地捕捉近壁面的流動特性，模板可對車身進行自適應加密，即使是極其復雜的車輛幾何，也無需太多的幾何清理即可生成合理的網格（標準模型約7000萬網格）。

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圖1 整車仿真模型

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圖2 整車網格結果

4.3.2 邊界設置

Simerics-MP+的整車模板可針對風洞試驗和CFD模擬設置特點，對整個CFD模型進行設置指導。具體設置如下：

進口流速
出口邊界設置為環境壓力
側壁與頂部邊界設置為無滑移壁面
對靜止地面邊界的仿真（ground simulation GS），地面設置為靜止壁面
對運動地面邊界的仿真（ground simulation GS），地面設置為移動壁面，速度與進口流速相同
采用不可壓有限體積求解器分別對穩態和瞬態過程進行求解
采用二階離散格式對動量和質量離散（其中對流項采用二階迎風格式進行離散）
采用一種代數多重網格方法求解連續方程，共軛梯度方法求解動量和湍流方程
采用Simerics MP+內置的兩方程加強型k-ε湍流模型

瞬態求解中，仿真的物理時間在 10 秒內達到計算穩定。

4.3.3 求解及后處理

分別采用穩態和瞬態兩種方法進行仿真計算，穩態求解設置迭代步數5000，當運行2000~4000步時，監測的車輛壓力和剪切應力基本趨于平穩，利用128核并行運算耗時8小時完成。

對于瞬態求解，仿真的物理時間在10秒內達到計算穩定。下表為三款不同車型阻力系數仿真與試驗對比結果，均為無地面運動邊界條件。從結果可以看出，快背式和階背式模型仿真結果與試驗數據高度吻合；而對于方背式車模型，穩態計算結果的Cd值較低，瞬態計算結果的Cd值更接近試驗數據，這是因為方背車模型后車窗附近有很大范圍的尾流區，需要瞬態計算才能準確捕捉相應的渦結構。

表1 三款不同車型阻力系數試驗與仿真對比結果

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接下來，分別對階背式（Notchback）、快背式（ Fastback）和方背式（Estateback）三種不同車型的壓力系數計算結果進行試驗對比分析，值得注意的是，圖中紅色散點為試驗結果，藍色實線為仿真結果。

快背式（ Fastback）車型

下圖為在y=0平面上的壓力系數結果，從對比結果可以看出，除了箭頭所指位置，其余位置兩者吻合良好。箭頭所指位置為試驗所用支撐裝置，不屬于車輛模型，故與試驗數據有所不同。

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圖3 汽車頂部壓力系數試驗與仿真對比曲線

底部壓力系數分布中，由于幾何的網格解析更加細致（包括了圓角和凹陷等底盤特征），故觀察到更多的壓力系數分布特性，如峰值與峰谷，總體趨勢與試驗精確吻合。

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圖4 汽車底部壓力系數試驗與仿真對比曲線

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圖5 前車窗壓力系數試驗與仿真對比云圖

階背式（Notchback）和方背式（Estateback）兩個車型的壓力系數結果與快背式（ Fastback）車型趨勢一致，仿真結果與試驗結果吻合度也非常高。下面分別給出兩個車型的對比結果曲線及云圖。

階背式（Notchback）車型

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圖6 汽車頂部壓力系數試驗與仿真對比曲線

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圖7 汽車底部壓力系數試驗與仿真對比曲線

下面二圖為階背式和快背式車型后車窗壓力系數分布對比，上方為試驗結果，下方為仿真結果。從對比來看，仿真結果與試驗數據不論是分布規律還是數值大小（和梯度），均高度吻合。

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圖8 后車窗壓力系數試驗與仿真對比云圖

方背式（Estateback）車型

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圖9 汽車頂部壓力系數試驗與仿真對比曲線

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圖10 汽車底部壓力系數試驗與仿真對比曲線

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圖11 后車窗壓力系數試驗與仿真對比云圖

由以上對比可知，不論是整體趨勢還是絕對數值上，仿真結果與試驗數據均十分接近。

能否準確預測汽車阻力的最關鍵部位之一是后車窗尾流區，后車窗車頂附近流動易分離，是最難以準確預測的湍流區，此處的低壓區對汽車阻力有著十分重要的影響，進而影響著汽車的整體效率與性能。（圖中紅色框內即為后車窗尾流區）。由下圖對比可知，Simerics-MP+的RANS模型可以準確預測車窗尾流的壓力。

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4.4 考慮地面因素

該工況將地面設置為移動且汽車輪胎旋轉，三款不同車型仿真計算均采用瞬態求解。阻力系數試驗值與仿真值對比結果如表3所示。從表格可以看出，快背式（ Fastback）車型的阻力系數最低，方背式（Estateback）車型的阻力系數最高。將本工況的阻力系數試驗值與不考慮地面影響的對應車型工況試驗值相比較可以發現，運動地面工況比靜止地面工況的Cd更低，這是由于車輛底部變化的流動結構所致，采用Simerics-MP+的仿真方法也能準確預測出此流動影響。

表3 三款不同車型阻力系數試驗與仿真對比結果

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4.5 格柵打開工況

汽車在正常行駛過程中格柵就是打開的狀態，所以，仿真結果更符合真實情況，該工況以階背式（Notchback）為例詳細闡述仿真過程及結果分析，圖13為整車CAD模型，圖14為一鍵式網格劃分結果，因為格柵是打開狀態，因此仿真需要考慮發動機艙內部的結構，該模型主要包括散熱器和發動機，為了兼顧結果精度與仿真時間，散熱器采用多孔介質模型，壓差與速度特性曲線如圖15所示。

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圖13整車CAD模型

而對于格柵開啟的車輛模型，發動機艙內的熱交換器，Simerics也可進行網格自動劃分，對局部網格進行自動加密。

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圖14 整車網格結果

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圖15 散熱器壓差與速度特性曲線

表4為阻力系數的仿真結果與試驗結果對比情況，從結果可以看出兩者的吻合度依然很好。

表4 阻力系數試驗與仿真對比結果

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部分云圖結果如下所示：

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圖17 整車壓力系數云圖及流線分布

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圖18 剖面速度分布云圖

5、價值小結

本文主要介紹了一種采用Simerics-MP+進行整車外氣動模擬的快速的CFD計算方法，通過分別對三款不同的DrivAer車型（Fastback、Notchback、Estate）進行了仿真分析，從快速性和精確性方便均獲得了較好的用戶體驗。具體有：

三類布局的車模均選擇最真實的整車幾何，帶有車身底板、車輪和后視鏡等細節特征。分別對格柵關閉及開啟狀態下的DrivAer標準車模進行模擬，并將運動與靜止地面邊界的整車模擬結果與試驗數據作對比。
就壓力系數分布而言，當前仿真結果顯示出與試驗數據的高度吻合性。對于所有的三類模型，在后車窗區域的流動上作了詳細的觀察，特別是對于快背式車模型（因為它最難以正確預測）。
仿真結果表明，文中方法能夠更加準確地預測快背式車模型后車窗上的壓力系數。
從CFD應用上來說，Simerics-MP+先進的網格技術以及高效的建模方法節約了用戶大約3/4的前處理時間，而計算結果仍然保持了高精度特性。
從計算效率上來說，7000萬網格，采用128核運算8小時即可獲得穩定解。