概述

隨著汽車工業發展與汽車行駛速度日益提高，汽車的空氣動力學亦愈來愈受到重視，優秀的空氣動力學設計不但可以達到高效節能的目的，還能夠減少噪音、提高車輛的平順性和行駛穩定性，提供更強的安全保障。如今，它已經不是航空航天領域的專利，而是現代工業設計必不可少的元素之一。

汽車空氣動力學研究主要有兩種方法：一種是進行風洞實驗，另一種則是利用計算流體動力學（CFD）技術進行數值仿真。相比風洞實驗，CFD數值仿真有著可再現性、周期短、成本低，以及全面且豐富的流場分析功能等優點。隨著計算機性能的不斷提高，CFD 軟件逐漸成為工程師的常用工具，通過數值仿真，在產品開發的初期就確立設計方案。外流場空氣動力學仿真計算作為CFD的一個方面，在現代汽車設計中扮演著至關重要的角色。

AICFD軟件介紹

AICFD 是由天洑軟件研發的一款智能熱流體仿真軟件，它實現對流動及傳熱的快速智能仿真。其功能可分為模型導入、網格自動快速生成、快速仿真、結果可視化和后處理、智能加速五大部分，涵蓋了從幾何模型到仿真結果的完整仿真分析流程。通過現代化的圖形界面結合數值仿真和智能加速算法，AICFD 向用戶提供了易用的智能熱流體仿真功能。 作為一款通用的熱流體仿真軟件，AICFD能夠幫助工業企業建立設計、仿真和優化相結合的一體化流程，較大程度地提高產品的開發效率。

軟件提供了工業設計中常用的流體仿真功能，流動類型包括單相不可壓縮流動、單相可壓縮流動（支持亞音速、跨音速和超音速流動）、傳熱、多相流等，它支持多區域的流動和傳熱模擬，使得其可應用于復雜工業流動如葉輪機械和換熱器內的流動和傳熱仿真。AICFD 提供多種穩健的數值格式和邊界條件以及常用的物理模型，它為能源動力、船舶海洋、航空航天和汽車等領域的設計人員提供了一個通用的熱流體仿真手段。

AICFD是基于有限體積方法的通用CFD求解器，主要處理RANS和LES系統的湍流模型?；跁r間平均值的RANS系統模型包括標準的高雷諾數型K-Epsilon模型和低雷諾數型K-Epsilon模型。此外，除了Standard K-Epsilon模型和RNG K-Epsilon模型，軟件還提供了SST K-Omega, Spalart-Allmaras，Smagorinsky等模型。軟件采用雷諾平均NS方程（RANS）和分離渦模擬技術來模擬湍流流動，預測流動的分離。在穩態仿真中采用RANS模型，而在瞬態仿真中采用DES模型，DES模型在近壁面采用RANS模型，而在主流區如汽車尾跡的分離區，采用大渦模擬（LES）。

軟件提供了多種數值格式，配以Venkatakrishnan和Slope兩種限制器（局部流場存在較大梯度時抑制振蕩）用以滿足各類工業模型的數值仿真需求，對于汽車外流場，AICFD推薦使用二階迎風+Venkatakrishnan限制器的數值格式來時間推進，用戶可以用相同的方法進行穩態仿真或瞬態仿真。根據需求可選擇通過瞬態仿真來獲得更實際和更精確的結果而不限于采用穩態仿真來近似汽車流場。

小汽車外流場案例 - 模型

本案例采用如圖1所示模型作為汽車仿真模型，建模比例為1:1，取小汽車中心對稱面一半模型進行仿真；該模型對汽車實體表面做了簡化處理，省略了車燈、門把手、后視鏡等。同時還對底部作了平整處理。為了再現汽車行駛狀態，汽車的前部、上部和側面離車體的距離都取汽車的幾倍尺寸。假設汽車模型長為L，寬為W，高為H，計算域的取法為汽車前部取2L，側面取3W，上部取3H，汽車后部取4L。

圖1 幾何模型

整體網格為四面體網格單元為主的非結構網格，壁面附近有5層三棱柱網格單元，網格數量244萬，如圖2和圖3所示。

 圖2 流場區域網格

圖3 汽車表面及附近區域網格

小汽車外流場案例 - 邊界條件 

入口邊界：速度入口，取遠端來流方向（-Z）的端面為入口邊界，氣流速度為40m/s。

出口邊界: 靜壓出口，車身后遠端端面為出口邊界，相對壓強P=0Pa。

固壁邊界：地面與汽車表面均設置為無滑移固壁邊界。

對稱邊界：汽車側面與上部遠場設為對稱邊界。

小汽車外流場案例 - 計算結果分析

圖4，圖5為流場對稱面及車身表面壓力云圖。由圖可知，在車身上表面，除車身前臉部分、發動機罩與前風窗交界處，及后風窗與行李箱罩交界處出現正壓外，其余部分均為負壓。在汽車前部壓力比較大，后部存在著負壓，前后的壓力差造成了汽車的壓差阻力。

圖4 流場對稱面壓力云圖

圖5 汽車表面壓力云圖

圖6為汽車中心對稱平面流線圖。由圖所示，氣流分離在汽車尾部形成尾渦，是影響汽車行駛穩定性的原因之一。

圖 6  對稱面流線圖

圖7為汽車尾部速度流場矢量圖，如圖所示，汽車尾渦是由于上下表面氣流的壓差與卷帶形成的。大尺度的渦形成與消散使得氣流能量消耗增加，從而顯著增加氣動阻力。

距離汽車尾部20cm	距離汽車尾部40cm
距離汽車尾部60cm	距離汽車尾部80cm

圖7 汽車尾部速度流場矢量圖

 

與其它商業CFD軟件計算結果對比 

本案例同時與其它商業軟件進行了結果對比，計算采用相同網格模型，湍流模型（標準K-Epsilon模型），邊界條件，計算結果均達到收斂標準，結果對比如下：

圖8 汽車表面壓差阻力與摩擦阻力對比

圖9 汽車對稱面外緣曲線壓力分布圖對比

總結 

1. 基于以上分析我們可以看出汽車壓差阻力和尾渦的分析是汽車設計過程中非常關鍵的部分，通過數值仿真，我們可以獲得汽車附近任意位置流場信息，加上豐富的后處理功能，可以對流場進行全方位的分析。

2. AICFD能對汽車外流場進行精確的數值模擬，可以幫助汽車生產商在新車開發過程中，進行快速精確地氣動性能分析。 

3. AICFD除了提供高精度的仿真求解功能，還可以通過結合AI智能加速和智能預測加快汽車外氣動分析的收斂速度，實現秒級仿真，詳細介紹請關注天洑公眾號后續內容！