1     前言

隨著國內汽車廠商越來越多的從逆向設計過程轉向正向設計過程，CFD仿真在汽車的研發、設計過程中起到越來越重要的作用。一方面，整車的外氣動性能，直接影響了汽車的油耗，受到非常多的關注；另一方面隨著發動機升功率不斷提高，前段散熱器的散熱量需求大幅增加，而汽車機艙內部結構布置空間卻越來越緊湊，從而對發動機艙的散熱性能提出了更高的要求。因此，整車風阻系數的降低和發動機艙熱管理在整車項目開發中占據越來越重要的位置。

由于整車涉及到幾千甚至上萬的零部件，結構復雜[圖1]，因此，在進行整車的外氣動、發動機艙熱管理仿真分析時，通常需要花費數周、乃至數月的時間，模擬效率不高。如何提高模擬整車效率CFD分析人員一個重要的課題。

圖1 整車零部件示意圖

本文介紹一個全新的整車CFD模擬工具——STAR-CCM+ VSim程序包，使用該工具，整車CFD仿真工程師可以大大提高工作效率。本文將從STAR-CCM+ VSim功能、運行架構等方面來介紹該工具。

圖2 STAR-CCM+ VSim汽車外氣動運行結果 

2     STAR-CCM+ VSim功能介紹

VSim是 Vehicle Simulation（車輛仿真）的英文縮寫，是我們對常規汽車外氣動、發動機艙熱管理模擬過程的命名。

1) VSim程序包用于自動化執行整車CFD仿真流程：從CAD文件，自動執行CFD仿真流程的每一步，直至生成PPT格式的結果報告。

2) VSim程序包是數年來我們的汽車行業模擬專家的經驗積累，以及數年來所編寫的每一步模擬流程宏命令的集成。

3) VSim程序包以STAR-CCM+嵌入式(plug-in)方式運行，具有GUI界面[圖3]，方便用戶的使用。

圖3 STAR-CCM+ VSim用戶界面

STAR-CCM+ VSim程序包自動化的執行內容包括：

1)   幾何模型的分組、歸類，目的用于后續仿真中的不同網格參數、邊界條件設置；

2)   生成風洞幾何模型；

3)   網格模型、參數設置；

4)   風扇模型設置；

5)   車輪旋轉設置；

6)   換熱器設置，包括單流體換熱器和雙流體換熱器模型；

7)   基于尾渦的自動網格加密；

8)   體源加密設置；

9)   自動生成PPT格式的報告。

STAR-CCM+ VSim程序包免費提供給西門子STAR-CCM+的正式客戶，目前已經有大量客戶使用VSim實現汽車外氣動和熱管理仿真流程自動化，提高他們的生產力。同時，用戶也可以基于此創建一些新的宏文件添加到分析流程中以滿足特定的工作流需求。

3     STAR-CCM+ VSim工作流程

STAR-CCM+ VSim程序包在整車外氣動、發動機艙熱管理CFD模擬中，自動化執行從CAD到報告的完整分析流程。

1）使用Excel電子數據表來完全定義模擬參數。

2）CAD數據文件保存在一個文件夾中。

3）自動進行模擬流程的網格劃分、運行、后處理過程。

4）結果生成一個PPT格式的報告。

圖4 VSim模擬流程圖 

STAR-CCM+ VSim程序包工作流程：

1)   準備工作目錄：在工作目錄下，包含

a)   一個Excel電子表格，電子表格中定義模擬所需要的參數。

b)   名為“CAD”的文件夾，文件夾中包含整車模型。

圖5 工作目錄文件結構

2)   通過VSim的GUI界面選擇相應的操作并執行。可以執行部分操作，比如前處理，或者整個模擬流程。

圖6 VSim中選擇前處理操作

 3)   計算完成后，自動輸出PPT格式的報告。報告內容可以在Excel中定義。

圖7 VSim運行輸出報告

圖8 VSim運行輸出報告-總壓系數等值面圖

 4    STAR-CCM+ VSim輸入表格

Excel電子表格控制著STAR-CCM+ VSim模擬流程的整個參數。使用Excel表格來定義參數的好處是顯而易見的：一方面眾多參數集中定義，可以更加清晰明了，不會遺漏；更為重要的是，Excel表格中定義的參數可以固化用戶整車模擬中的最佳實踐參數，這樣即使對于新工程師來說，也可以得到滿足要求的計算精度。因此，熟練使用Excel表格對于VSim的成功運行是至關重要的。

Excel電子表格下游多個工作表，用于定義不同的功能，比如：

1）分組定義GroupDefinitions

2）表面過濾器SurfaceFilters

3）網格參數Meshing

4）坐標系CoordinateSystems

5）熱交換器HX

6）旋轉域SpinRegions

7）后處理PostProcessing

 4.1 主工作表

第一個工作表是主工作表，該頁紅的內容是VSim需要被重寫的變量，這些變量值將會覆蓋VSim的默認參數定義。

主工作表中的定義為變量名+變量值的方式。第一列為變量名，第二列為響應的變量值。變量定義的順序無關緊要。

在主工作表中，你可以定義：

           1）進口邊界條件

        2）通用網格參數

        3）包面參數設置

        4）其他域，比如換熱器、旋轉域

        5）求解控制參數

圖9  主工作表 

4.2  分組（GroupDefinitions）工作表

該工作表用于零部件組的定義，是為網格生成和物理模型建立做準備的。通過字符串過濾器完成分組，過濾器的功能有：

 1) FilterString:包含的字符串

 2) StartWith: 首字符串

 3)Exception:不包含的字符串

圖10  分組工作表

4.3  分組網格參數（Group Settings）工作表

該工作表用于設置每一個組的網格參數，包括最小/最大網格尺寸、邊界層參數、網格尺寸過度方式。

圖11  分組網格參數工作表

4.4 體源加密（VolumeSource）工作表

該工作表用于定義體源加密。

?    方向

0 – 各向同性加密

1 – 只有 X 向加密

2 – 只有 Y向加密

3 – 只有 Z向加密

4 – 尾部加密設置

?      RangeID

用來進行體加密的區域，與工作表Surface Range相對應。

?      Size

加密區域的網格目標尺寸

圖12  體源加密工作表

4.5  換熱器工作表

該工作表用于定義換熱器的參數輸入，支持單流體模型和雙流體模型。定義內容包括：

1) 幾何模型ID

2)流動阻力參數

3)換熱參數

4)雙流體流動、換熱參數

圖13  換熱器工作表

4.6 后處理工作表

該工作表用于定義后處理的定義。內容包括：

1)力、力系數、溫度等監測數據

2)切面視圖

3)表面視圖

4)等值面云圖

5)視角定義、場函數定義、標尺范圍定義

圖14  后處理工作表

 5   STAR-CCM+ VSim未來發展

從STAR-CCM+ v12.04版本開發，西門子PL部門發布官方支持的VSim程序包，進行持續的開發，以更好的滿足整車CFD仿真工程師在汽車外氣動、發動機艙熱管理模擬的需要。VSim程序包的未來開發將會：

1)隨著STAR-CCM+版本的更新，進行官方發布，并帶有bug修復和新功能。

2)不斷改進GUI界面。

3)添加新功能，比如后處理體渲染、固體導熱等模型。

隨著西門子PL部門對于STAR-CCM+ VSim程序包的持續開發，未來將會滿足客戶對于汽車模擬更多、更高級功能的需求。

來源：西莫電機論壇

作者： 范俊磊