Simcenter STAR-CCM+車輛外部空氣動(dòng)力學(xué)特性——通過(guò)快速準(zhǔn)確的CFD仿真加速空氣動(dòng)力學(xué)創(chuàng)新

內(nèi)容摘要

如今，對(duì)快速準(zhǔn)確的外部空氣動(dòng)力學(xué)仿真的需求非常迫切。電動(dòng)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(gè)關(guān)鍵的工程目標(biāo)。此外，新的排放法規(guī)要求報(bào)告每種車輛配置的油耗，總數(shù)可能達(dá)到數(shù)千個(gè)。

因此，仿真必須能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同設(shè)計(jì)之間的阻力（增量）差值，因?yàn)楝F(xiàn)在這是官方強(qiáng)制要求開(kāi)發(fā)報(bào)告的。否則，原始設(shè)備制造商(OEM)需要進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的風(fēng)洞測(cè)量。若要啟用這些仿真，用戶必須能夠：

• 減少幾何準(zhǔn)備時(shí)間，輕松快速地對(duì)數(shù)千個(gè)復(fù)雜零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分
• 運(yùn)行數(shù)百甚至數(shù)千次仿真，獲得一致且高度準(zhǔn)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(shí)間并自動(dòng)執(zhí)行仿真工作流程

優(yōu)勢(shì)

通過(guò)快速準(zhǔn)確的CFD仿真加速空氣動(dòng)力學(xué)創(chuàng)新

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

通過(guò)快速準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)仿真提高吞吐量

運(yùn)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(xì)設(shè)計(jì)見(jiàn)解

• 通過(guò)自動(dòng)化汽車空氣動(dòng)力學(xué)來(lái)節(jié)省工程時(shí)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(chǎng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真軟件，允許用戶構(gòu)建真實(shí)世界產(chǎn)品的高保真、全面的數(shù)字孿生。它獨(dú)特地集成了仿真過(guò)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(píng)估配置或設(shè)計(jì)變更對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)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(guò)曲面包絡(luò)將準(zhǔn)備時(shí)間從數(shù)周縮短到數(shù)小時(shí)

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

速度和性能，通過(guò)CPU和GPU的并行卷網(wǎng)格劃分提高吞吐量。

設(shè)計(jì)探索，使用伴隨求解器詳細(xì)了解曲面敏感度。

• 過(guò)程自動(dòng)化，使用模板、專用的車輛空氣動(dòng)力學(xué)工作流程或宏減少設(shè)置時(shí)間

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

量產(chǎn)車空氣動(dòng)力學(xué)的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)字風(fēng)洞結(jié)果

（資料來(lái)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(jì)算的相對(duì)于阻力的曲面敏感度

幾何準(zhǔn)備和網(wǎng)格劃分

使用全自動(dòng)網(wǎng)格劃分管線顯著縮短預(yù)處理時(shí)間：

• 曲面包絡(luò)是一種穩(wěn)健且快速的曲面準(zhǔn)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(kuò)展性。因此，它是外部空氣動(dòng)力學(xué)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(jiān)固耐用，可在外部曲面生成精細(xì)網(wǎng)格

精度

使用以下幾個(gè)關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)高度準(zhǔn)確、一致和可靠的仿真結(jié)果：

關(guān)鍵曲面上的精細(xì)網(wǎng)格可準(zhǔn)確捕獲邊界層現(xiàn)象并預(yù)測(cè)流動(dòng)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(jìn)湍流建模

用于旋轉(zhuǎn)輪輞真實(shí)仿真的移動(dòng)網(wǎng)格方法

• 能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)工作創(chuàng)建經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)字風(fēng)洞

先進(jìn)的建模方法

通過(guò)高級(jí)建模方法獲得更深入的見(jiàn)解：

通過(guò)伴隨求解器計(jì)算的曲面敏感度，獲得對(duì)潛在設(shè)計(jì)改進(jìn)的獨(dú)特見(jiàn)解

基于伴隨解決方案執(zhí)行曲面變形操作，以改進(jìn)設(shè)計(jì)

執(zhí)行流固耦合(FSI)仿真，以計(jì)算由于壓力載荷引起的組件變形

通過(guò)使用各種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的多相模型來(lái)研究水管理

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

GPGPU計(jì)算

通過(guò)在GPGPU上運(yùn)行，加快求解速度，同時(shí)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(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)聲學(xué)問(wèn)題，包括用于運(yùn)動(dòng)建模的MRF

• 并行實(shí)現(xiàn)，允許跨單個(gè)或多個(gè)GPU節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展

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