Simcenter STAR-CCM+車輛外部空氣動力學特性——通過快速準確的CFD仿真加速空氣動力學創(chuàng)新

內(nèi)容摘要

如今，對快速準確的外部空氣動力學仿真的需求非常迫切。電動汽車的續(xù)航里程是潛在客戶的關(guān)鍵決策參數(shù)，優(yōu)化/最小化空氣阻力以增加續(xù)航里程是一個關(guān)鍵的工程目標。此外，新的排放法規(guī)要求報告每種車輛配置的油耗，總數(shù)可能達到數(shù)千個。

因此，仿真必須能夠準確預(yù)測不同設(shè)計之間的阻力（增量）差值，因為現(xiàn)在這是官方強制要求開發(fā)報告的。否則，原始設(shè)備制造商(OEM)需要進行昂貴且耗時的風洞測量。若要啟用這些仿真，用戶必須能夠：

• 減少幾何準備時間，輕松快速地對數(shù)千個復(fù)雜零件進行網(wǎng)格劃分
• 運行數(shù)百甚至數(shù)千次仿真，獲得一致且高度準確的結(jié)果
• 利用高保真仿真方法確保結(jié)果的可信度
• 縮短設(shè)置時間并自動執(zhí)行仿真工作流程

優(yōu)勢

通過快速準確的CFD仿真加速空氣動力學創(chuàng)新

使用曲面包絡(luò)和自動網(wǎng)格劃分，快速準備包含數(shù)千個零件的復(fù)雜幾何形狀

通過快速準確的穩(wěn)態(tài)仿真提高吞吐量

運行高保真瞬態(tài)仿真，包括旋轉(zhuǎn)輪輞

根據(jù)曲面敏感度獲得有關(guān)阻力的詳細設(shè)計見解

• 通過自動化汽車空氣動力學來節(jié)省工程時間

Simcenter STAR-CCM+提供解決方案

Simcenter STAR-CCM+軟件是Siemens Digital Industries Software 的全面集成式軟件和服務(wù)Siemens Xcelerator產(chǎn)品組合的一部分，是一款多物理場計算流體動力學(CFD)仿真軟件，允許用戶構(gòu)建真實世界產(chǎn)品的高保真、全面的數(shù)字孿生。它獨特地集成了仿真過程的每一步，從幾何定義到網(wǎng)格劃分、求解和后處理，賦能用戶在構(gòu)建物理原型之前快速評估配置或設(shè)計變更對空氣動力學性能的影響。Simcenter STAR-CCM+提供：

快速處理復(fù)雜幾何形狀的功能，通過曲面包絡(luò)將準備時間從數(shù)周縮短到數(shù)小時

精確的物理場，使用穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)求解器以及先進的湍流建模獲得一致和準確結(jié)果

速度和性能，通過CPU和GPU的并行卷網(wǎng)格劃分提高吞吐量。

設(shè)計探索，使用伴隨求解器詳細了解曲面敏感度。

• 過程自動化，使用模板、專用的車輛空氣動力學工作流程或宏減少設(shè)置時間

左圖:在外部曲面上使用精細網(wǎng)格進行修剪體積網(wǎng)格劃分右圖:對工業(yè)汽車引擎蓋進行復(fù)雜幾何網(wǎng)格劃分

量產(chǎn)車空氣動力學的經(jīng)過驗證的數(shù)字風洞結(jié)果

（資料來源：Emil Ljungskog 博士論文 Evaluation and modeling of the flow in a slotted wall wind tunnel，2019 年）

由伴隨求解器計算的相對于阻力的曲面敏感度

幾何準備和網(wǎng)格劃分

使用全自動網(wǎng)格劃分管線顯著縮短預(yù)處理時間：

• 曲面包絡(luò)是一種穩(wěn)健且快速的曲面準備方法，可將復(fù)雜的粗糙輸入幾何形狀轉(zhuǎn)換為平滑的防水曲面
• 修剪后的單元網(wǎng)格劃分器即使在高內(nèi)核數(shù)和低內(nèi)存消耗下也能提供出色的可擴展性。因此，它是外部空氣動力學仿真的首選

棱柱層網(wǎng)格劃分器易于使用、可并行處理且堅固耐用，可在外部曲面生成精細網(wǎng)格

精度

使用以下幾個關(guān)鍵功能實現(xiàn)高度準確、一致和可靠的仿真結(jié)果：

關(guān)鍵曲面上的精細網(wǎng)格可準確捕獲邊界層現(xiàn)象并預(yù)測流動分離

用于穩(wěn)態(tài)雷諾平均納維-斯托克斯(RANS)和非定常分離渦模擬(DES)仿真的先進湍流建模

用于旋轉(zhuǎn)輪輞真實仿真的移動網(wǎng)格方法

• 能夠為開發(fā)工作創(chuàng)建經(jīng)過驗證的數(shù)字風洞

先進的建模方法

通過高級建模方法獲得更深入的見解：

通過伴隨求解器計算的曲面敏感度，獲得對潛在設(shè)計改進的獨特見解

基于伴隨解決方案執(zhí)行曲面變形操作，以改進設(shè)計

執(zhí)行流固耦合(FSI)仿真，以計算由于壓力載荷引起的組件變形

通過使用各種經(jīng)過驗證的多相模型來研究水管理

• 分析氣動聲學現(xiàn)象，如后視鏡噪聲，并提取車內(nèi)噪聲的輸入

GPGPU計算

通過在GPGPU上運行，加快求解速度，同時降低硬件和功耗成本：

經(jīng)證明，CPU和GPU之間的結(jié)果一致

使用RANS、DES或LES模型大幅提高了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)仿真的性能，解決了空氣動力學和氣動聲學問題，包括用于運動建模的MRF

• 并行實現(xiàn)，允許跨單個或多個GPU節(jié)點進行擴展

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