汽车开发中的空气动力学及流体力学仿真

随着计算机性能的不断提高，CFD 软件逐渐成为工程师的常用工具，在产品开发的初期就确立设计方案。今天所面临的挑战是如何更好地利用这些软件，以及由谁使用。

“大约十年前，我们要说服人们相信CFD 及仿真可以带来价值。今天，CFD 已经成为汽车行业中普遍使用的工具，应用于整个汽车开发流程的各个阶段，”福特公司热系统及空气动力系统工程以及计算机辅助工程主管Burkhard Hupertz 博士说道。他所领导的团队主要负责新车空气动力学及动力总成冷却设计的虚拟优化及验证工作。

一项成熟的技术一旦可以带来可靠的结果就可以得到广泛的应用。“在车辆基本空气动力学设计及车辆外形及底部设计优化方面所采用的方法已经非常成熟了，”他说道。因此，人们对CAE技术在开发流程中所发挥的作用的期望也发生了巨大的改变。以前，CAE 主要用来评估设计提案的可行性。“今天，由于设计参数数量的大量增加，人们希望CAE 可以帮助推进整个车辆的开发流程。”Hupertz 说道。

为了达到这个目的，福特公司正在制订新的开发流程——如何更好地通过CFD 软件来确定车辆设计中最重要和最有依赖性的参数。Hupertz 认为基于CAE 的实验设计（DOE）是最佳的解决方案。DOE 可以让工程师对大量的有关车辆造型和系统性能的设计参数的效果进行深入探索。对如何利用几百次的测试运行有详细规划的优化软件包是关键。此外，还有一个关键因素是复杂的变形工具，可以帮助设计人员知道如何对车辆造型做出改进。最后， “我们在用户友好界面方面投入了大量精力，这样设计人员和作图人员就可以了解并直观地理解空气动力学工程师想表达的意思，”Hupertz 表示。

新车型，新担心

CFD/CAE 软件开发和解决方案供应商CD-adapco 公司道路交通总监Frederick Ross 指出，随着CFD 软件仿真技术的发展，其所服务的市场也在不断发展和变化中。他认为电动汽车和电动汽车相关技术都是目前非常重要的设计对象。能源使用和管理对电动汽车和各种混合动力车来说都是非常重要的一项工作。有效的空气动力学设计对这些车辆来说就意味着冷却系统阻力、滚动阻力、风阻（Cd）以及传动损失的减少。“人们为提高车辆燃油经济性绞尽脑汁，事实上是包含了所有这些领域的一个整体工作。”他说道。

在这些分析中，系统仿真和彼此的交互与独立的空气动力学分析相比较来说更加重要。他举例来说，2007 年，公司重新设计了STAR-CCM+ 代码， 其目的是为了更容易地实现对系统仿真的分析。“这才是实现最佳设计的推动因素，而不仅仅是流体力学，”Ross 解释道。STAR-CCM+ 涵盖机械张力、热传递以及空气声学，此外还有其他一些物理领域。STAR-CCM+ 还有一个耦合求解器，可以解决多个物理领域的问题。

开发流程本身是一个耦合系统，包含风洞测试和CFD 仿真。“今天所有大型汽车制造商每天都针对空气动力学进行仿真和风洞实验，”他说道。风洞实验采用近似模型，与仿真差不多，只不过模型不同而已。一旦原型和相关部件制作好，风洞实验产生的结果更快。相比较来说，仿真可以进行一些通过物理方式永远无法实现的设计测试。此外，仿真还可以对结果实现可视化， 而这些可能通过物理数据根本无法实现。“这两种方式形成了完美的互补。”Ross 表示。

他还指出他的客户提出需要更多的优化解决方案， 可以最大化地利用他们所做的仿真。该公司不久前收购了Red Cedar 公司，后者拥有一套产品，可以通过其专有的SHERPA 算法对设计进行优化。

在产品许可方面，考虑到一些用户并不是一直有仿真的需求，CD-adapco 推出了Power-On-Demand 许可方式，每个案例并不限制软件内核的使用次数。而对优化研究来说，客户通常同时运行多个仿真任务。针对这种需求，CD-adapco 公司的Power Tokens 产品可以让用户运行一个大型仿真任务，也可以运行多个小的任务。

复杂性的处理

ESI 北美公司工程总监Mark Doroudian 认为计算能力的提升使高保真CFD 的应用成为可能。“对车辆周围噪音仿真来说，我们在兴趣区附近采用1-2mm 的网格单元尺寸，为了缩短周期时间，可以通过Linux 集群系统进行计算，”他表示。而对车辆周围的流体结构仿真来说，网格划分可以精确到5-10mm，最终模型可以包含8000 万个单元，甚至更多，而这对今天的计算机来说也轻而易举。

针对大多数车辆尺寸问题，包括造型及引擎盖内流体力学仿真，ESI 通过OpenFOAM 软件来实现。这是一款开源CFD 求解器，由OpenCFD 公司创建，由OpenFOAM 基金会发布。OpenFOAM 采用有限体积法， 主要用于求解控制自然流动的偏微分方程，如纳维- 斯托克斯方程（Navier-Stokes equation）。Doroudian 指出汽车工程师采用OpenFOAM软件用于多个系统的开发， 包括温度控制、造型空气动力学、飞行引发震动声学， 以及发动机相关系统开发，比如进气和排气歧管设计及燃烧仿真。

高保真CFD 仿真之所以得到广泛应用，主要得益于计算机领域多核处理器计算能力的提高。用户甚至开始运行那些涉及大量运算、不稳定且随时间变化的流体力学设计方案。据Doroudian 表示，因为大多数许可模型涉及的费用与处理器的数量是成正比的，一些较大的问题需要几百个同步运行的处理器，费用往往非常昂贵。“这就是开放源OpenFOAM 的好处所在，因为是免费的，所以不管问题有多大，你都可以自由地运算。你还可以运行几千个处理器，也不会产生额外的许可费用，”他解释道。OpenFOAM 是ESI 集团旗下全资子公司。

工作流程自动化

Doroudian 还指出其汽车客户更需要在工作流程方面的帮助，而不是更加先进的物理特性。“他们需要提高工作效率的方法，”他解释道。这包含一系列的步骤，首先是发出有关CAD 模型的信息，为CAE 做好准备。然后，用户需要创建网格并在运行之前对模型进行预处理。最后一步是对结果进行可视化。他表示其客户对开放源解决方案尤其偏好， 因此他们还提供了DAKOTA 优化工具箱。这也是一种开放源代码，由桑迪亚国家实验室开发，提供许多有关设计优化、参数估计及敏感性分析等方面的分析方法。

Altair 公司在提高汽车空气动力学开发工作流程和周期时间方面采用了更加直接的方式，推出了HyperWorks 虚拟风洞（VWT）解决方案。该软件对工作流程进行了简化，用于风洞仿真。VWT 于2013 年10 月发布，基于Altair 公司的CFD 求解器AcuSolve，可以实现自动网格划分，还可以自动生成定制的结果报告。“该产品包含一些高级物理特性，比如旋转轮胎、散热器模拟和流体结构交互等，” 该公司CFD 解决方案总监Marc Ratzel 指出。用户通过简单的GUI 界面准备好模型和边界条件，在经过计算之后，VWT 生成PDF 报告。车轮、扰流板和散热器需要进行特定的仿真，还带有鼠标和虚拟模型浏览器。模型输入为计算表面网格，以Nastran 格式定义。

VWT 的核心是Altair 公司的AcuSolve CFD 求解器。与许多其他CFD 代码不同的是，该求解器采用有限元方式，而不是其他常见的有限体积技术。“有两个关键因素确保了它的可靠性：Galerkin/Least- Squares（GLS）有限元方法，和独特的、专利的线性方程迭代求解器，”Ratzel 解释道。他认为这两个因素使AcuSolve 求解器更加精确和可靠，而且相对扭曲的单元可以达到完全收敛的效果，而这帮助缩短了网格创建的时间。“此外，它从计算方面来说还更加稳定，使用起来非常容易，周期时间也更短，”Ratzel 说道。VWT 还可以与公司的HyperStudy 软件结合使用。HyperStudy 允许用户通过DOE 及优化等方法对其系统设计进行探索、了解及优化改进。

据Ratzel 表示，Altair 未来还计划进一步改进的领域包括更加集成的多物理场仿真、车厢内声学、两相流动以及更高的可扩展性，使在上千个处理器内核上进行并行计算成为可能。

HyperWorks 采用按需许可的收费方式。据该公司介绍，HyperWorks 的许可单位都是平行的，因此一个组织内的用户可以同时使用软件而不用额外购买席位或许可。

引擎盖下应用

保持系统独特的视角也非常重要。“当我们看一些 特殊的属性比如燃油经济性或排放时，法规就显得非常 重要，你需要平衡所有与设计相关的属性，比如驾驶性 以及乘客座舱舒适性，”Siemens PLM Software 仿真产品市场总监Ravi Shankar 表示。“如果将这些属性分开看的话，不会有任何好处。”基于这个想法，Siemens PLM Software 致力于打造一个集成的工具箱，将CAE 仿真工具与其NX CAD 软件及Teamcenter PDM 平台整合在一起。用户可以使用一些专属的工具，比如NX Flow 及NX Nastran，同时还可以使用一些常见的第三方软件比如LS-Dyna 或Abaqus。他们这么做的重点是工作流程开发，尽可能高效地从CAD 过渡到工作分析模型。

“NX Thermal/Flow 包含域分解技术，可以用于大型模型的求解，同时采用了具有经济性的许可方案，可用 于并行计算，”Shankar 解释道。
Shankar 还指出，西门子软件支持的大部分CFD 应用都是动力总成领域的典型问题，比如引擎盖下冷却优 化及进排气歧管流场平衡等，这些问题都要求软件有先 进的三维表面绘测功能，来确定产品最合适的几何外形。

其中一个客户就是通用汽车旗下的先进发动机设计 部门（Advanced Engine Design）。该部门设计技术总监Rod Baker 称，CAD 和CAE 的集成可以让他们将分析工具直接交到产品设计师的手中。“这对我们来说是一种 新的尝试，我们发现流体仿真是进行方向比较的有力工具，”他解释道。这些产品工程师通过这样的工具来确 定某个具体的设计是否合理，之后的迭代是否可以提高 产品的性能，又或者某个更改是否会影响产品的性能而 需要被舍弃。“针对一些设计，我们有时候可能要对某个零部件的形状进行30 到40 次的迭代，”他解释道。采用这种方式的工作效率甚至要高于专门的CAE 分析师。

通用公司在一个单独的CAE 部门依然有一些这样的分析师，但是一些特定的模板可以帮助设计师来建立并执行流体仿真。这种方式大大提高了CAE 针对流体仿真（用于指导早期设计方案）的易用性。“我们还是会征 求这些分析师的意见，来做一些验证试验，”Baker 说道。他还指出模板对产品设计师来说起到了一个入门工具的 作用，给他们学习如何使用NX流体仿真软件的机会。“一旦他们知道了怎么用，我们发现他们会触类旁通，很快 就可以自己进行模型的建立。”这些模板可以让他们自 主地学习软件的使用方法，而不用通过专门的培训方式来学习。

Baker 还指出了关键的一点：几何形状的优化是完全手动的。设计师在流场分析结果的基础上，根据自己 的技能和经验对设计进行调整，逐步实现对几何形状的 优化。