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。