一种快速的整车外气动CFD模拟计算方法
1、研究背景及意义
气流经过行驶的汽车,在汽车周围形成很复杂的外流场结构,尤其会出现气流的分离附着和复杂涡结构等流体现象。而这些外部的客观现象实则是汽车空气动力学特性以及流体气动机理和规律的反应。研究汽车空气动力学特性对于进行车身外观改型设计和提高汽车性能指标来说具有重要的理论依据和现实意义。研究汽车外流场中的气流分离以及湍流涡结构等复杂现象是揭示其内在机理和规律的重要环节。为了补充甚至是取代相关试验,CFD在汽车研发过程中正扮演着越来越重要的角色。在汽车研发过程,需要利用严格的CFD气动基准模型与试验作验证,方可确保预测的准确性。

2、包含汽车前端的整车外气动分析技术难点
为了更精确的模拟发动机前舱进气以及风阻系数,由于前舱内的零部件对前端进气有直接的阻力影响,从而会影响最终的计算结果,因而对于前舱内大部分零部件都要保留,如水箱、冷凝器、冷却风扇、发动机以及相关的周围零部件等,而这些部件的保留对于整车气动分析的难度则大大增加。

长久来看,人们更多的是采用简单的Ahmed体作为基准模型去验证仿真工具,而Ahmed体形状相对简单,基于它建立的CFD方法无法适用于实车模型。随着开源的DrivAer汽车模型的建立,填补了车辆CFD气动基准模型的巨大空白。目前CFD技术应用于整车外气动及热管理分析等已经相对纯熟,所获得的计算精度通过建立严格的标准流程,往往也能达到设计人员希望的标准。然而从实现过程和效率上来说,目前这部分工作仍然建立在巨大的重复性的前处理工作上,从整个CFD分析的流程来看,仍然有许多不尽如人意的地方,具体体现在:

  • 几何前处理,对于传统的CFD模拟方法而言,由于整车前端零部件众多,往往会存在许多小缝隙或重叠部分导致网格无法成功划分,而必须事先进行几何简化、清理以及相应的包面处理,使原始的CAD几何能够顺利生成符合要求的计算网格。这部分所花费的时间可能会占到整个CFD流程约3/4的时间,而这部分工作对于车型设计和改进而言几乎没有实际意义;
  • 网格前处理,对于处理好的几何模型,在进行网格生成时,需要对不同的区域做不同尺度的网格加密,而由于网格量巨大(千万量级),在选取和测试合理的网格尺寸时,也需要耗费大量的时间;
  • 模型设置和计算效率,对于新手而言,如何设置合理的计算参数和模型,确保计算结果合理往往需要大量的尝试和经验积累;而由于整车网格往往是几千万量级甚至上亿,因此对于CFD软件的并行效率提出了更高要求。

3、Simerics MP+ for Vehicle 的解决方案
本文所介绍的应用于整车外气动CFD模拟的快速方法则是应用Simerics-MP+ for Vehicle的专业应用模板来进行整车外气动特性模拟,当然该模板同样可以应用于除霜除雾、涉水、水管理、发动机舱热管理相关的仿真计算,且同样具有高效快速的特征。那么该整车专业版的超快方法具体有哪些特点呢:
  • 几何前处理可节约3/4的处理时间,Simerics-MP+采用自适应二叉树网格技术,在一定程度上能容忍“烂”几何,在划分网格前的几何修复工作非常少,可直接用原始CAD画网格,大大节约了工程师的时间,仅此项工作大约可节省工程师3/4的前处理时间; 注意是3/4哦,没有水分!

原始几何仅需少量清理
  • 模板功能可自动设置合理的网格参数,Simerics-MP+ for Vehicle的网格前处理功能,可以根据车型特点自动进行不同区域的网格嵌套加密,对于一些重要特征部分会自动进行加密解析,如进气格栅;对于复杂曲面可精确表征几何而无需任何简化,且可以提供不同精度级别的网格选项,以满足不同阶段的计算需要,生成一次网格的时间大约在2-4h之间;

多重网格加密

原始几何与网格解析对比
  • 模板功能将整个CFD过程流程化规范化,Simerics-MP+ for Vehicle内置了一套设置模板,将CFD模型设置流程化,自动引导用户设置风扇、散热器、进出口参数、地面设置等,极大程度上避免人工设置出错的可能性;
  • 高效的MPI并行技术助力大规模网格计算效率的提升,目前Simerics-MP+的MPI已可以做到无线核并行计算;对于整车外气动分析而言,在128核内基本可以做到线性递增,大大加快了CFD计算的进程。

下面我们来具体了解详细的过程及花费的时间。


4、案例详解
4.1 整车分析研究对象

在进行一般性研究时,研究对象需要具备一定的普适性。随着汽车空气动力学的不断发展,模型也在不断的丰富和改进。DrivAer就是一款新型实际车标准模型,是宝马3系和奥迪A4的插值模型,具有整车细节,包括发动机盖、轮胎、轮腔、后视镜、光滑/复杂底盘等细节,更加地贴近实际车型,比之前的Ahmed、MIRE、SAE等简化标准模型具有更好地代表性。并且具有A)阶背式(Notchback), B)快背式( Fastback) 和C) 方背式(Estateback)三种类型,便于进行多种车型的对比研究。如下图所示。


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

4.2 具体分析工况选择
为更好的进行整车外气动的模拟对比分析,我们选择三种不同类型的仿真工况进行对比验证,分别为:
  • 不考虑地面影响且格栅关闭
  • 考虑地面因素影响
  • 格栅打开状态,以同时考虑发动机舱内的流动

4.3 不考虑地面影响且格栅关闭状态的外气动模拟分析
4.3.1 前处理
为了保证计算的精确性,Simerics MP+可根据整车模型的尺寸直接生成仿真所需的风洞模型并一键式生成嵌套式网格,为了更好地捕捉近壁面的流动特性,模板可对车身进行自适应加密,即使是极其复杂的车辆几何,也无需太多的几何清理即可生成合理的网格(标准模型约7000万网格)。

图1 整车仿真模型


4.3.2 边界设置
Simerics-MP+的整车模板可针对风洞试验和CFD模拟设置特点,对整个CFD模型进行设置指导。具体设置如下:
  • 进口流速
  • 出口边界设置为环境压力
  • 侧壁与顶部边界设置为无滑移壁面
  • 对静止地面边界的仿真(ground simulation GS),地面设置为静止壁面
  • 对运动地面边界的仿真(ground simulation GS),地面设置为移动壁面,速度与进口流速相同
  • 采用不可压有限体积求解器分别对稳态和瞬态过程进行求解
  • 采用二阶离散格式对动量和质量离散(其中对流项采用二阶迎风格式进行离散)
  • 采用一种代数多重网格方法求解连续方程,共轭梯度方法求解动量和湍流方程
  • 采用Simerics MP+内置的两方程加强型k-ε湍流模型。瞬态求解中,仿真的物理时间在10秒内达到计算稳定。

4.3.3 求解及后处理
分别采用稳态和瞬态两种方法进行仿真计算,稳态求解设置迭代步数5000,当运行2000~4000步时,监测的车辆压力和剪切应力基本趋于平稳,利用128核并行运算耗时8小时完成。
对于瞬态求解,仿真的物理时间在10秒内达到计算稳定。下表为三款不同车型阻力系数仿真与试验对比结果,均为无地面运动边界条件。从结果可以看出,快背式和阶背式模型仿真结果与试验数据高度吻合;而对于方背式车模型,稳态计算结果的Cd值较低,瞬态计算结果的Cd值更接近试验数据,这是因为方背车模型后车窗附近有很大范围的尾流区,需要瞬态计算才能准确捕捉相应的涡结构。
表1 三款不同车型阻力系数试验与仿真对比结果


接下来,分别对阶背式(Notchback)、快背式( Fastback) 和方背式(Estateback)三种不同车型的压力系数计算结果进行试验对比分析,值得注意的是,图中红色散点为试验结果,蓝色实线为仿真结果。
  • 快背式( Fastback)车型
下图为在y=0平面上的压力系数结果,从对比结果可以看出,除了箭头所指位置,其余位置两者吻合良好。箭头所指位置为试验所用支撑装置,不属于车辆模型,故与试验数据有所不同。

图3 汽车顶部压力系数试验与仿真对比曲线

底部压力系数分布中,由于几何的网格解析更加细致(包括了圆角和凹陷等底盘特征),故观察到更多的压力系数分布特性,如峰值与峰谷,总体趋势与试验精确吻合。

图4 汽车底部压力系数试验与仿真对比曲线

图5 前车窗压力系数试验与仿真对比云图

阶背式(Notchback)和方背式(Estateback)两个车型的压力系数结果与快背式( Fastback)车型趋势一致,仿真结果与试验结果吻合度也非常高。下面分别给出两个车型的对比结果曲线及云图。
  • 阶背式(Notchback)车型

图6 汽车顶部压力系数试验与仿真对比曲线

图7 汽车底部压力系数试验与仿真对比曲线

下面二图为阶背式和快背式车型后车窗压力系数分布对比,上方为试验结果,下方为仿真结果。从对比来看,仿真结果与试验数据不论是分布规律还是数值大小(和梯度),均高度吻合。

图8 后车窗压力系数试验与仿真对比云图
  • 方背式(Estateback)车型

图9 汽车顶部压力系数试验与仿真对比曲线

图10 汽车底部压力系数试验与仿真对比曲线


图11 后车窗压力系数试验与仿真对比云图



由以上对比可知,不论是整体趋势还是绝对数值上,仿真结果与试验数据均十分接近。
能否准确预测汽车阻力的最关键部位之一是后车窗尾流区,后车窗车顶附近流动易分离,是最难以准确预测的湍流区,此处的低压区对汽车阻力有着十分重要的影响,进而影响着汽车的整体效率与性能。(图中红色框内即为后车窗尾流区)。由下图对比可知,Simerics-MP+的RANS模型可以准确预测车窗尾流的压力。



4.4 考虑地面因素
该工况将地面设置为移动且汽车轮胎旋转,三款不同车型仿真计算均采用瞬态求解。阻力系数试验值与仿真值对比结果如表3所示。从表格可以看出,快背式( Fastback)车型的阻力系数最低,方背式(Estateback)车型的阻力系数最高。将本工况的阻力系数试验值与不考虑地面影响的对应车型工况试验值相比较可以发现,运动地面工况比静止地面工况的Cd更低,这是由于车辆底部变化的流动结构所致,采用Simerics-MP+的仿真方法也能准确预测出此流动影响。
表3 三款不同车型阻力系数试验与仿真对比结果



4.5 格栅打开工况
汽车在正常行驶过程中格栅就是打开的状态,所以,仿真结果更符合真实情况,该工况以阶背式(Notchback)为例详细阐述仿真过程及结果分析,图13为整车CAD模型,图14为一键式网格划分结果,因为格栅是打开状态,因此仿真需要考虑发动机舱内部的结构,该模型主要包括散热器和发动机,为了兼顾结果精度与仿真时间,散热器采用多孔介质模型,压差与速度特性曲线如图15所示。

图13整车CAD模型

而对于格栅开启的车辆模型,发动机舱内的热交换器,Simerics也可进行网格自动划分,对局部网格进行自动加密。

图14 整车网格结果

图15 散热器压差与速度特性曲线


表4为阻力系数的仿真结果与试验结果对比情况,从结果可以看出两者的吻合度依然很好。

表4  阻力系数试验与仿真对比结果

部分云图结果如下所示:

图17 整车压力系数云图及流线分布

图18 剖面速度分布云图



5、价值小结
本文主要介绍了一种采用Simerics-MP+进行整车外气动模拟的快速的CFD计算方法,通过分别对三款不同的DrivAer车型(Fastback、Notchback、Estate)进行了仿真分析,从快速性和精确性方便均获得了较好的用户体验。具体有:

三类布局的车模均选择最真实的整车几何,带有车身底板、车轮和后视镜等细节特征。分别对格栅关闭及开启状态下的DrivAer标准车模进行模拟,并将运动与静止地面边界的整车模拟结果与试验数据作对比。

就压力系数分布而言,当前仿真结果显示出与试验数据的高度吻合性。对于所有的三类模型,在后车窗区域的流动上作了详细的观察,特别是对于快背式车模型(因为它最难以正确预测)。

仿真结果表明,文中方法能够更加准确地预测快背式车模型后车窗上的压力系数。

从CFD应用上来说,Simerics-MP+先进的网格技术以及高效的建模方法节约了用户大约3/4的前处理时间,而计算结果仍然保持了高精度特性。

从计算效率上来说,7000万网格,采用128核运算8小时即可获得稳定解。

PS:本文内容来源:“Numerical Analysis Using Fast RANS Simulations and Comparison with Experimental Measurements for Closed and Open Grille Realistic Car Models”。

 

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