本文介紹由Formula SAE開(kāi)發(fā)的車(chē)輛外氣動(dòng)分析的預(yù)定義模板，包括了網(wǎng)格細(xì)化、后處理等完整過(guò)程，用戶(hù)只需要導(dǎo)入自己的CAD，做一些調(diào)整，就可以劃分網(wǎng)格、運(yùn)行計(jì)算。

概述

• 簡(jiǎn)介

• 準(zhǔn)備工作

• 使用預(yù)先建立的參數(shù)化車(chē)輛CAD

• 使用自己的CAD

• 壓力中心可視化

• 更改設(shè)計(jì)

1.簡(jiǎn)介

 

本文提供一個(gè)車(chē)輛外氣動(dòng)的模板sim文件及操作視頻，從第二部分文末的鏈接中可以下載。用戶(hù)可以在模板中導(dǎo)入自己的幾何，并直觀地將車(chē)輛的各個(gè)部件進(jìn)行標(biāo)記（Tag）。之后，該模板可以處理其他所有步驟：完成的Tags用于包面，生成干凈的表面，為劃分體網(wǎng)格做準(zhǔn)備。然后用基于車(chē)輛外氣動(dòng)最佳實(shí)踐的設(shè)置創(chuàng)建網(wǎng)格，生成的網(wǎng)格直接連接到已有的模型、邊界條件、報(bào)告、繪圖和場(chǎng)景等，模板中的這些設(shè)置根據(jù)FSAE空氣動(dòng)力學(xué)團(tuán)隊(duì)的需求而定制。在模板中可以很容易地用新幾何替換舊幾何，然后自動(dòng)應(yīng)用到相應(yīng)的仿真設(shè)置中或者直接修改設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)迭代。

結(jié)果場(chǎng)景示例

模板功能摘要

 

1）包面，自動(dòng)清理CAD，為劃分體積網(wǎng)格做準(zhǔn)備（無(wú)需在表面修復(fù)或糾正幾何拓?fù)渖匣ㄙM(fèi)大量時(shí)間）。

2）體積網(wǎng)格控制，為在必要的位置細(xì)化或粗化網(wǎng)格添加多層局部控制。一般會(huì)生成約800-1700萬(wàn)個(gè)單元，網(wǎng)格多少取決于幾何中小特征的數(shù)量，如小的翼型、氣動(dòng)支架等。

3）散熱器Region和風(fēng)扇Interface設(shè)置，已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。

4）報(bào)告和繪圖，包括所有組件的下壓力和阻力、散熱器質(zhì)量流量等。

部分收斂的下壓力曲線圖，包括單個(gè)部件受力、各部件的合力

5）結(jié)果場(chǎng)景Results scene包含32個(gè)顯示器，可以方便地打開(kāi)或關(guān)閉。包括：

• 矢量圖：截面、散熱器面和風(fēng)扇的速度矢量圖，壁面的剪切力矢量圖

• 壓力云圖：車(chē)輛表面、散熱器上游面和截面上的壓力

• 流線圖：從車(chē)輛不同位置（管道、底盤(pán)等）發(fā)出的多個(gè)流線圖

• 等值面：顯示流動(dòng)分離、靜壓、湍動(dòng)能和旋渦的三維等值面圖

• 壓力中心位置

• 車(chē)輛幾何：實(shí)體或半透明顯示

結(jié)果場(chǎng)景中包含的顯示器

在結(jié)果場(chǎng)景中打開(kāi)壁面剪切力、尾翼流線和Q-Criterion

打開(kāi)風(fēng)道流線圖、散熱器壓力顯示器及幾何面顯示器

6）網(wǎng)格場(chǎng)景Mesh scene中設(shè)置了11個(gè)顯示器，可以方便地打開(kāi)或關(guān)閉，包括：

• 切面和邊界面的網(wǎng)格

• 壁面y+

• 閾值Thresholds：可用于診斷任何網(wǎng)格問(wèn)題，如單元偏斜度、高湍流粘度和高殘差（比耗散率和TKE殘差）

• 壓力梯度閾值

• 車(chē)輛幾何：實(shí)體或半透明顯示

7）下壓力和阻力場(chǎng)景圖，可以很容易地看出最大/最小下壓力和阻力所在的部件。這兩個(gè)場(chǎng)景圖均由很多顯示器組成，每個(gè)顯示器僅顯示單個(gè)部件的阻力或下壓力，力的值由相應(yīng)的Report得到。

請(qǐng)注意，這不是仿真向?qū)В](méi)有將上述功能進(jìn)行鎖定，而是一個(gè)預(yù)構(gòu)建的仿真模板，可以根據(jù)需要添加和修改仿真設(shè)置。

2.開(kāi)始之前

1）此模板是在13.02中構(gòu)建的，因此需要在13.02或更高版本中打開(kāi)。

2）為減小文件大小，已清除網(wǎng)格和結(jié)果。請(qǐng)讀者下載文件后，自行劃分網(wǎng)格。

3.使用預(yù)構(gòu)建的參數(shù)化車(chē)輛CAD

所用CAD為簡(jiǎn)易的FSAE車(chē)輛，模仿大多數(shù)設(shè)計(jì)，用戶(hù)可以用這個(gè)幾何體作為基礎(chǔ)來(lái)開(kāi)發(fā)自己的氣動(dòng)仿真包。這個(gè)CAD最具亮點(diǎn)的部分是公開(kāi)了80多個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，允許用戶(hù)更改底層CAD并將其直接輸入到仿真設(shè)置中。用戶(hù)需要做的就是改變已定義的CAD參數(shù)（或更改CAD中的草圖、拉伸等參數(shù)），退出3D-CAD，劃分網(wǎng)格，運(yùn)行計(jì)算。這些參數(shù)也可以輸入到STAR-CCM+中的Design manager，自動(dòng)運(yùn)行并收集所需的數(shù)據(jù)，用于改變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、掃描CAD參數(shù)等。安裝STAR-CCM+時(shí)都會(huì)附帶Design manager。

如果用戶(hù)要使用自己的幾何，請(qǐng)?zhí)健?/span>4.使用用戶(hù)自己的CAD”一節(jié)。如果用本例的幾何開(kāi)發(fā)Aero包，請(qǐng)按照以下步驟操作：

首先導(dǎo)入底盤(pán)幾何，可以移動(dòng)其他幾何體（中心車(chē)體草圖、翼型等）以匹配底盤(pán)。轉(zhuǎn)到Geometry > 3D-CAD，右鍵單擊CAD for Chris Penny's car > Edit，在3D-CAD界面右鍵單擊仿真樹(shù)頂部的CAD for ChrisPenny's car > Import > CAD model，完成導(dǎo)入。

調(diào)整/移動(dòng)車(chē)身草圖，使車(chē)身的放樣結(jié)果覆蓋剛導(dǎo)入的底盤(pán)。完成后，用戶(hù)可以根據(jù)需要輕松修改以下參數(shù)，設(shè)置Aero包：

• 每個(gè)翼型的攻角、位置、弦長(zhǎng)、弧度、最大厚度、LE半徑以及與LE的弧度偏移

• 坐椅高度

• 駕駛員的位置

• 車(chē)輪半徑和寬度

• 散熱器尺寸、位置和角度

• 風(fēng)扇尺寸、位置和角度

• 散熱器平面傾角

幾何的其他部分可以在草圖中更改，也可以通過(guò)改變草圖平面實(shí)現(xiàn)，從而可以修改翼型的整體形狀（通過(guò)樣條曲線的相切點(diǎn)）、底盤(pán)形狀、車(chē)身主體形狀和風(fēng)道形狀。
使用時(shí)請(qǐng)注意以下事項(xiàng)：

1）回顧和理解該模版是如何構(gòu)建的非常重要。例如，如果散熱器太大，會(huì)導(dǎo)致其他步驟失敗。在這個(gè)特定的案例中，增加風(fēng)道的尺寸使散熱器完全位于風(fēng)道內(nèi)部，這一點(diǎn)需要注意。

2）不要將中心車(chē)身（鼻錐體）推到底盤(pán)以下，會(huì)干擾軟件正確識(shí)別底盤(pán)與中心車(chē)身，并會(huì)影響報(bào)告及底盤(pán)的網(wǎng)格細(xì)化。

3）為了避免對(duì)某個(gè)實(shí)體的拉伸切割失敗，需要確定拉伸所用的源草圖不會(huì)落在要切割的實(shí)體之外。

4）為防止修改放樣時(shí)操作失敗，要保持每個(gè)草圖中點(diǎn)的數(shù)量不變，放樣操作涉及的每個(gè)草圖中的輪廓線都要有相同數(shù)量的點(diǎn)。

5）使用標(biāo)尺圖標(biāo)（屏幕頂部）測(cè)量出需要移動(dòng)的距離。單擊兩個(gè)點(diǎn)，dx、dy和dz將顯示在信息輸出窗口（底部窗口）。如果看不到數(shù)字，請(qǐng)向下滾動(dòng)。要注意，距離是在全局坐標(biāo)系中測(cè)量的，在任何場(chǎng)景中都可以看到，但是通常改變位置是基于源草圖平面的局部坐標(biāo)系，所以垂直方向的變化（全局坐標(biāo)系中的dz）可能是草圖平面坐標(biāo)系中Y的變化。

6）如果要在車(chē)輛3D-CAD中查找某一內(nèi)容，例如草圖，因已對(duì)CAD的特征操作命名，只需在仿真樹(shù)空白處單擊，鍵入要查找的內(nèi)容（例如“undertray”），STAR-CCM+可以自動(dòng)進(jìn)入仿真樹(shù)中具有該命名的對(duì)象。

7）風(fēng)扇、散熱器和車(chē)輪的坐標(biāo)系與創(chuàng)建這些零件的草圖平面的坐標(biāo)系相關(guān)聯(lián)。所以，如果要改變這些零件的位置或方向，無(wú)需更新仿真樹(shù)中“Tools”下的坐標(biāo)系。

8）創(chuàng)建自己的幾何時(shí)要注意遵循模板中創(chuàng)建的規(guī)則，隨時(shí)更新，保證每個(gè)幾何處在正確的位置。

 

按照要求修改CAD后請(qǐng)繼續(xù)完成以下步驟，為計(jì)算做準(zhǔn)備：

1）如果界面在3D-CAD中，請(qǐng)選擇Close 3D-CAD，返回仿真樹(shù)。

2）右鍵單擊Geometry > Operation > Automated mesh> Execute，生成網(wǎng)格。

3）接下來(lái)，需要更新場(chǎng)景，改變表征方式為Geometry、Remeshed surface或Volume mesh，因?yàn)槌跏紶顟B(tài)沒(méi)有網(wǎng)格，表征方式都為Geometry。完成網(wǎng)格劃分后，按住Ctrl鍵選擇Downforce, Drag, mesh, Results scenes，右鍵單擊選擇Apply representation，并將其設(shè)置為Volume mesh。

忽略需要求解的提示信息，完成設(shè)置后就會(huì)運(yùn)行求解。右鍵單擊Remeshed surface場(chǎng)景，選擇Apply representation > AutomatedMesh.Remeshed。

打開(kāi)Results場(chǎng)景，轉(zhuǎn)到Scene/plot選項(xiàng)卡，按住Shift鍵選擇Center of pressure 和Geometry顯示器，轉(zhuǎn)到屬性窗口（左下角），向下滾動(dòng)，將Representation設(shè)置為Geometry。幾何體場(chǎng)景應(yīng)用Geometry表征。

4.使用用戶(hù)自己的CAD

 

準(zhǔn)備CAD的建議

 

在開(kāi)始設(shè)置之前，對(duì)如何準(zhǔn)備CAD進(jìn)行CFD分析提出一些建議：

• 把大的特征與較小的組件分開(kāi)。例如，保持懸掛連桿、拉桿等與車(chē)輪分開(kāi)，因?yàn)檐?chē)輪要設(shè)置旋轉(zhuǎn)。

• 翼型使用尖角尾緣或封閉的平面臺(tái)階尾緣。不要使用緊曲面的尾緣，即沒(méi)有定義特征邊的曲面，否則會(huì)導(dǎo)致包面和體網(wǎng)格捕捉尾緣時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)將松散地布置在尾緣周?chē)瑢?dǎo)致附近的網(wǎng)格看起來(lái)參差不齊，損失幾何精度。

• 避免不必要的狹窄區(qū)域。當(dāng)網(wǎng)格被擠壓到這些區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生低質(zhì)量的單元。例如，清除司機(jī)后背和座椅之間的間隙。如果包括懸掛或底盤(pán)，刪除管內(nèi)的體積，形成簡(jiǎn)單的圓柱拉伸體（不需要看到流動(dòng)在底盤(pán)內(nèi)部是怎樣的）。幾何中不需要包括內(nèi)輪總成，主要流動(dòng)特性由輪胎尾流產(chǎn)生，內(nèi)輪結(jié)構(gòu)會(huì)增加不必要的復(fù)雜性和單元數(shù)量。

• 支撐架、懸架和底盤(pán)會(huì)影響CFD結(jié)果，因此建議將其包括在內(nèi)，提高模擬精度。但是，這些特性確實(shí)增加了單元數(shù)量，并因此增加了運(yùn)行時(shí)間。因此，如果仿真的重點(diǎn)是測(cè)試不同的總體配置，這些小特性相對(duì)并不重要，且希望計(jì)算得更快，那么刪除這些小特性就可以了。相比之下，如果要做縫隙研究，這些小特征是很重要的，因?yàn)闀?huì)影響翼型上游的流動(dòng)。 

流程說(shuō)明

       

在說(shuō)明具體設(shè)置之前，先介紹工作流程以及如何使用標(biāo)記Tags來(lái)完成其他步驟。下圖有助于理解流程構(gòu)建過(guò)程：

導(dǎo)入CAD

 

1）右鍵單擊Geometry > 3D-CAD models > New。在3D-CAD界面中右鍵單擊3D-CAD model 1> import > CAD model。瀏覽到自己的文件并將其導(dǎo)入。建議使用Parasolid文件（.x_t或.x_b），或者如果有CAD Exchanging license，也可以直接導(dǎo)入原始CAD文件格式。另外，也可以使用CAD clients，例如STAR-NX，直接關(guān)聯(lián)到STAR-CCM+。

2）切換到左上角的Scene/plot選項(xiàng)卡，通常用作更改單個(gè)場(chǎng)景的快捷方式，也可以對(duì)激活的場(chǎng)景添加內(nèi)容。右鍵單擊Displayers > Newdisplayer > Geometry。單擊Geometry 1，在左下角的屬性窗口中激活Surface復(fù)選框，并把Representation（向下滾動(dòng)）設(shè)置為Geometry。

3）展開(kāi)Geometry 1，在Parts下添加計(jì)算域，將其顯示在場(chǎng)景中。

然后調(diào)整車(chē)輛位置：返回屏幕左上角并切換到3D-CAD，按住Shift鍵選擇所有的體，右鍵單擊，選擇Transform > Rotate。使其面向-x方向，向上是+z方向。需要分兩個(gè)步驟來(lái)完成此操作。

4）在3D-CAD中按住Shift鍵選擇所有的體，右鍵Transform > Translate。移動(dòng)車(chē)輛，使車(chē)身落在地面的矩形平面內(nèi)。使用標(biāo)尺圖標(biāo)和透明顯示圖標(biāo)（頂部工具欄）可以計(jì)算出移動(dòng)車(chē)輛的距離。

5）調(diào)整場(chǎng)景視角直到可以看到底盤(pán)的底部。返回到左上角的Scene/plot選項(xiàng)卡，雙擊Geometry 1隱藏外場(chǎng)的Block區(qū)域。

選擇右上角的選擇過(guò)濾器并關(guān)閉除Faces之外的所有選項(xiàng)，防止意外地選中不需要的其他幾何形式。

在按住Ctrl鍵的同時(shí)選擇位于下層托盤(pán)底部的所有面，右鍵單擊高亮顯示的面，并將這些面重命名為Undertray bottom。

然后更改顏色模式以便區(qū)分底部的命名面，這樣可以顯示是否有遺漏的面。如果有漏選的面，選中并用同樣的方式對(duì)其進(jìn)行重命名，添加到同一個(gè)命名中。

 

創(chuàng)建散熱器和風(fēng)扇

 

6）介紹如何設(shè)置散熱器和風(fēng)扇。如果模擬中不打算包括這些部件，可以跳過(guò)此步驟，但需要?jiǎng)h除模板sim文件中的散熱器和風(fēng)扇區(qū)域。如果要模擬散熱器和風(fēng)扇，建議事先創(chuàng)建CAD。如果要在STAR-CCM+中創(chuàng)建散熱器和風(fēng)扇并放置在風(fēng)道內(nèi)，建議風(fēng)道的幾何在導(dǎo)入的CAD中已創(chuàng)建（從風(fēng)道一側(cè)到另一側(cè)的連續(xù)壁面）。

• 右鍵單擊YZ global coordinateplane > Reference geometry > Plane by Transformation。

輸入必要的值，使平面位于散熱器所在的位置。可以用以下方法確定平面位置：回到場(chǎng)景，打開(kāi)幾何，幫助判斷平面位置，在場(chǎng)景的屬性窗口中激活并調(diào)整clip planes，可以隱藏切面某一側(cè)的幾何。也可以定位鼠標(biāo)到某個(gè)位置，按住鍵盤(pán)上的點(diǎn)鍵(“.”)，在輸出窗口中就可以顯示出位置坐標(biāo)，輸入到上圖的平面原點(diǎn)中，調(diào)整x和y值，使平面的局部坐標(biāo)系位于散熱器芯的中心，本例所用的坐標(biāo)值為[-0.37m, 0.18m,1.15m]，單擊OK創(chuàng)建平面。

• 右鍵單擊此平面并創(chuàng)建草圖，使用繪圖工具創(chuàng)建散熱器芯的矩形，單擊OK。

• 右鍵單擊新草圖并拉伸，Body interaction設(shè)置為None，使新生成的拉伸體不與其他任何對(duì)象合并，且散熱器芯不與周?chē)娘L(fēng)道壁面相交。拉伸完成后，右鍵單擊幾何場(chǎng)景中相應(yīng)的面，分別重命名為Radiator Upstream、Radiatorshroud和Radiatordownstream，新實(shí)體重命名為Radiator。

• 右鍵單擊YZ global coordinateplane > Reference geometry > Plane by transformation。設(shè)置z值，使平面位于風(fēng)扇出口所在的位置。如果需要，調(diào)整x和y值，使預(yù)覽的平面局部坐標(biāo)系位于風(fēng)扇的中心。通常，散熱器芯中心和風(fēng)扇中心是對(duì)齊的，因此x,y坐標(biāo)可以用散熱器芯平面的坐標(biāo)值，只改動(dòng)z坐標(biāo)值。完成后，單擊OK。

• 右鍵單擊新平面并創(chuàng)建草圖，使用繪圖工具創(chuàng)建風(fēng)扇的圓，單擊OK。

• 右鍵單擊新草圖，拉伸，將方法更改為Up to body，選擇散熱器作為目標(biāo)實(shí)體，Direction type 設(shè)置為Reverse，Bodyinteraction改為Imprint，單擊OK，將草圖拉伸到散熱器芯的表面。

然后在幾何場(chǎng)景中分別選擇相應(yīng)的風(fēng)扇面，右鍵，重命名為Fan downstream、Fanshroud和Radiatorto fan（兩個(gè)面相接觸）。接觸面上有兩個(gè)面，一個(gè)屬于散熱器芯，另一個(gè)屬于風(fēng)扇，都要做命名。最簡(jiǎn)單的方法是重命名一個(gè)面，右鍵隱藏，再命名另一個(gè)面。將新實(shí)體重命名為Fan。

• 右鍵單擊為散熱器芯和風(fēng)扇創(chuàng)建的平面，選擇Export coordinatesystem，在Tools > Coordinate Systems中會(huì)生成以這些平面中心為原點(diǎn)的局部坐標(biāo)系，并與3D-CAD中的源草圖平面相關(guān)聯(lián)。把這些局部坐標(biāo)系用在散熱器和風(fēng)扇域中，當(dāng)源平面改變時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新。

 

創(chuàng)建Tags

 

7）退出3D-CAD，展開(kāi)3D-CAD model 1，按住Shift鍵選擇所有實(shí)體，右鍵選擇New geometry part，OK。

8）轉(zhuǎn)到仿真樹(shù)中的Scenes節(jié)點(diǎn)，雙擊打開(kāi)Geometry scene。轉(zhuǎn)到左上角的Scene/plot選項(xiàng)卡，展開(kāi)Geometry before surface wrap，將Parts設(shè)置為更新后的幾何體，保留已選中的Domain part。

9）首先請(qǐng)注意，用屏幕右上角的選擇過(guò)濾器圖標(biāo)可以控制選擇對(duì)象。在標(biāo)記特定曲面（如底盤(pán)頂面和底面、風(fēng)扇下游面、散熱器上游面等）時(shí)，需要先將選擇過(guò)濾器設(shè)置為面（不會(huì)選中體）。如果要選擇多組零件或面（如懸架），也可以用Zone selection工具進(jìn)行框選。

僅激活面選擇，在幾何場(chǎng)景窗口中，按住Ctrl鍵單擊組成中心體的所有面（主體結(jié)構(gòu)等）。右鍵單擊高亮的體，在彈出的菜單中選擇Set tags > Existing> Center body > OK，右鍵隱藏這些面。

10）重復(fù)上述過(guò)程，完成下圖所示的標(biāo)記。要注意的是，翼型要按順序標(biāo)記，因?yàn)闀?huì)影響到如何包面和劃分網(wǎng)格。其中，Wing front 1是離地面最近的主翼，Wing front 2位于Wing front 1的上方。模板對(duì)大的翼型設(shè)置了大的網(wǎng)格尺寸，小翼型設(shè)置了稍小的網(wǎng)格尺寸。即使模板中的部分Tag沒(méi)有包含幾何面也可以運(yùn)行，只是會(huì)在以后的步驟中產(chǎn)生空的邊界。按照上述方法操作，當(dāng)場(chǎng)景中隱藏了所有的面時(shí)停止，這表示所有面都已被命名。可以在場(chǎng)景的空白處右鍵選擇Restore all hiddenparts，顯示出所有的面。

文章來(lái)源：STARCCM Online