NUMECA软件在汽车CFD领域的最新突破

NUMECA软件在汽车CFD领域的最新突破
在过去的十几年中，随着计算机技术的发展，CFD技术被越来越多地应用到汽车研发设计中.如在车辆空气动力
学性能分析、发动机舱热管理分析、发动机缸内燃烧模拟和舱内热舒适度分析等诸多领域，CFD发挥越来越重要的作用.
但随着汽车企业之间竞争的白热化，缩短研发周期、降低研发成本已成为众多厂商一致追求的目标.NUMECA公司凭借雄厚的研发实力和十几年丰富的工程经验，实现了汽车CFD领域网格技术和求解速度的重大突破，从而大大提高仿真工作的效率.
1 前处理技术突破
NUMECA公司针对汽车领域中几何模型极其复杂的行业特点，推出集模型清理、修复和网格划分等于一体的前处理器Hybrid.在模型修复上，工程师可根据模型的完整程度利用holesearcher功能自动进行模型的清理及修复；在网格生成上，Hybrid采用国际上先进的八叉树网格划分思想，快速、自动地生成以六面体单元为核心的混合网格，并在物面附近轻松拉伸出若干层的边界层网格.在整个过程中，工程师只需适当设置几个参数就能自动完成模型的修复及网格生成等
一系列工作.传统方法需要几周时间完成的工作，在采用NUMECA方法后仅需几个小时即可完成，大大节省时间. 全
自动的模型修复及网格生成见图1.
(a)传统方法
(b)NUMECA方法
图 1 全自动的模型修复及网格生成
Fig.1 Automatic model repair and mesh generation
1.1 复杂模型的“高保真”处理
汽车是包含底盘、发动机舱、进气格栅、后视镜和雨刮器等一系列复杂结构的系统集成体，碍于目前网格前处理工具的局限性，只能简化甚至忽略很多部件才能生成网格，进而进行数值模拟分析.这种“失真”性的处理在很大程度上影响研究手段的合理性和数值模拟的准确性.随着数值仿真在整个研发过程中发挥越来越重要的作用，能对模型外形进行“高保真”前处理的方法开始被越来越多的厂商所青睐.对此，采用前处理器Hybrid，工程师可根据自己的工作需要对汽车的所有部件进行选择性保留，在粗略分析阶段可忽略某些部件，而在精细分析阶段则可保留任意细小部件.如图2和3所示，采用Hybrid网格划分技术可精确反映大客车的内部结构以及卡车的外部形状，从而实现对原始几何模型的“高保真”.
图 2 大客车的内部网格
Fig.2 Internal mesh of bus
图 3 卡车的外流场网格
Fig.3 External flow field mesh of truck1.2 并行快速网格生成技术
随着汽车行业竞争的白热化，厂商的研发周期也越来越短，所以对于数值仿真工作，满足工业仿真精度的大量网格的快速生成也变得越来越重要.Hybrid采用Symmetric Multi Processing并行网格生成技术，支持先进的CPU超线程技术，充分调用计算机CPU的闲置资源，快速生成网格.
某F1赛车整车外流场网格为4 600万个(见图4)，从CAD 原始几何模型导入到最终的高质量体网格生成，在4个CPU 的计算机上仅需运行6 h即可完成.
图 4 F1赛车及地面的表面网格
Fig.4 F1 racing car and ground surface gird
在有1 600万个网格的吉普车外流场前处理工作中，从CAD原始几何模型导入到最终的高质量网格生成(见图5)，在4个CPU的计算机上运行需4 h.
图 5 几何模型导入到网格的最终生成过程
Fig.5 Process from geometry model import to
final mesh generation
1.3 “肮脏”模型的自动清理及修复
在一般情况下，仿真工程师得到的模型都存在不同程度的不完整性，而目前许多前处理工具需要花费工程师大量的时间进行模型的清理及修复.据不完全统计，模型几何清理及
修复所需要的时间占整个数值模拟工作总时间的1/3以上，极大地影响仿真工作的进度.因此，迫切需要一种根据模型的完整程度可自动进行修复的前处理工具.Hybrid具有几何修复功能，其主要的功能特点如下：
(1)针对模型表面比较小或不需要考虑的缝隙，Hybrid可自动实现网格的覆盖功能，如图6和7所示，利用Hybrid
可将车门的缝隙用网格自动覆?└堑?.
图 6 车门的缝隙
Fig.6 Gap of car door
图7 网格自动覆盖
Fig.7 Automatic mesh cover
(2)对于模型表面的较大缝隙，holesearcher功能可自动进行检测，并根据工程师的要求进行缝隙的封闭.如图8所示，holesearcher功能检测出轿车表面的缝隙并进行自动修复.
图8 自动检测轿车表面的大缝隙
Fig.8 Automatic detection of large gap of car surface
(3)对于不完整的、残缺的原始模型，通过“再造”功能重新创建丢失的几何特征（见图9和10），从而完成模型修复.图9 丢失特征的再造修复
Fig.9 Reconstruction and repair of missing features
（a）底盘网格
（b）表面网格
图10 最终网格
Fig.10 Final mesh
2 计算速度的突破――Agglomeration与CPUBooster在日趋激烈的市场竞争中，谁赢得时间谁就赢得市场.这要求先进的CFD技术不仅应具备高精度的求解精度，还应对求解速度提出更高的要求.NUMECA公司在商业CFD软件中首次采用国际上领先的控制体聚合（Agglomeration）多重网格和强化的隐式加速收敛技术(CPUBooster).该技术可以使计算在
一开始便采用超大CFL数(CFL=1 000)，在保证精度的同时，大幅减少整个数值模拟过程所需的时间，保守估计仅为传统方法计算时间的1/10，从而将数值模拟带入快速、精确求解时代，为CFD在工业界的广泛应用提供强劲的技术支
持.Agglomeration全多重网格技术中各层网格的情况见图
11.(a)细网格
(b)粗化1次
(c)粗化2次
(d)粗化3次
图11 Agglomeration全多重网格技术中各层网格
Fig.11 All levels of mesh in agglomeration technology
以吉普车外流场气动分析为例，体网格数量为900万个（见图12），在19核CPU的计算机上计算1.6 h，升力和阻力计算迭代50步左右实现收敛，残差收敛至10-5，见图13.
图12 吉普车网格示意
Fig.12 Surface mesh of Jeep
图13 计算迭代50步实现收敛
Fig.13 Convergence after iterating 50 steps
3 经典案例
3.1 某客车空气动力学特性及流场模拟分析
车辆的空气动力学特性直接影响燃油经济性和操控安全性，而车身表面的凸起部件都会对计算结果产生重要影响，Hybrid可精确描述车辆上的每个部件.某客车模型表面网格见图14，后视镜附近网格见图15，轮胎的网格见图16.。