基于AcuSolve平台的外流场仿真

       摘要：该文基于 S-A 湍流模型，在通用 CFD 求解器 AcuSolve 平台上对全尺寸简化轿车模型外流 场进行建模与仿真。在 30m/s 风速下，对全尺寸简化轿车模型进行了三维稳态数值模拟，重点阐述 在网格畸变的条件下，该仿真平台得计算收敛性及与实验结果的对比。通过收敛性及计算结果的比 较，表明在 AcuSolve 平台生成的网格基础上，其网格适应性好、收敛性强、速度快、且与实验结 果符合较好。

       关键词：AcuSolve 计算流体力学  畸变网格

       Abstract: External flow of a full size simplified sedan is modeled and simulated based on a general purpose CFD solver-AcuSolve, and SA turbulence model is adopted for modeling turbulence. The fully 3D steady simulation is under 30m/s flow speed condition. The convergence ability of the AcuSolve and the comparison with experiment data, especially with badly distorted mesh, are the main focus in this paper. Based on the simulation results, it is found out that AcuSolve has good compatibility for poor mesh, and good convergence, fast speed and good agreement with experiment data.

       KeyWord：AcuSolve, CFD, badmesh

       空气动力学指标是车辆最重要的参数之一 [1]。汽车空气动力学仿真借助 CFD 方法研究车辆空 气动力学的特性（如“六分力”等）[2]。目前存在多款流体仿真平台,   AcuSolve流体仿真平台作为 Altair 公司工程仿真平台的子系统，目前在一些工程应用领域有了广泛的应用。

       本文采用 AcuSolve 中 S-A 湍流模型，在畸变网格上，对全尺寸简化轿车模型的外流场进行仿 真分析，通过实际计算验证 AcuSolve 的外部绕流计算能力。

       为使计算结果具有普遍性（不局限于具体产品），采用如图 1 所示的 Sedan 车 1：1 简化模型（忽 略了车窗、后视镜、车门把手等表面附件）。其长、宽、高分别约为 4.6m、1.7m、1.6m。

 

图 1 几何模型

       网格是数值计算的基础，是计算力学研究的一大分支。计算流体力学平台通常支持各种网格结 构，如图 2 所示。本次研究采用四面体结合棱柱体的网格结构，体网格。剖面结构如图 3 所示。网 格由 AcuSolve 平台生成，对体网格不做映射处理，并进行局部加密，数量 1166 万单元，人为拉伸 体网格节点，使网格的最大扭曲度为 0.9996。需要说明的是：车体面网格也进行了恶化处理，如凸 台处理、尺寸激变、凹坑处理等，具体见图 4 所示。

       入口处采用速度入口边界条件，认为速度为均匀分布，U＝30m/s，V＝W＝0 m/s，粘性比为10；出口采用压力出口边界条件，表压取 0Pa。地面和车身皆采用无滑移边界条件，计算域回型面 亦采用对称边界，模拟半自由空间运行状态。

图 2 体网格类型

图 4 面网格畸变

       计算，AcuSolve 平台默认为二阶精度格式，因此无一阶和二阶格式的切换，其松弛因子调整为 默认值的一半。收敛准则设为默认值。

       图 5 为计算全程的残差收敛曲线，在 114 步时 AcuSolve 平台达到数值收敛标准（10-4）AcuSolve 平台具备两种数值收敛评判标准：1、残差率（Residual Ratio）；2、求解率（Solution Ratio），本次数值吹风实验达到了残差率和求解率的默认收敛标准。如果以残差率收敛作为计算过程的收敛指 标的话，在 80 步左右即完成了计算过程。

       从残差收敛曲线的形态可知：收敛曲线平滑，未出现数值震荡现象；如果继续计算，曲线仍有 继续下探的趋势。

图 5 仿真平台的收敛曲线

       图 6 给出了阻力及升力值随计算步数的演进过程，由图可知：至 80 步时数值趋于平稳，与残差 率收敛一致，80 步以后数据仅小幅波动，与求解率收敛一致。由此证明了残差率和求解率收敛的差 别及二者共同收敛的重要性。

 

图 6 气动力演进过程

       表 1 给出了相关的气动力统计数据，总体气动阻力与实验结果符合较好，阻力偏差在 1.1%左右， 升力偏差在 3%左右，如果改善局部面网格及体网格的质量计算结果可能更优。

表1 数值解与实验值比较

       由于气流在绕行车体的过程中发生多次转折弯曲，从而使正负压交替变化，AcuSolve 计算的压 力系数范围为[-1.37, 1. 01]，如图 7~图 8 所示。

图 7 车体表面压力云图

 

图 8 车体中截面压力系数分布

       图 9 为中截面速度矢量图，图 10 为车体外部绕流部分流线图，图中清晰的显示了尾部及后窗处 的涡流运动。

图 9 中截面速度矢量图

图 10 三维流线图

       图 11 为底部截面速度云图，可清晰的辨析尾迹区的扩展范围及远场的速度分布规律。

图 11 底部截面速度云图

       从本次数值吹风的结果可得出以下结论：

       1、 AcuSolve 流体仿真平台对四面体网格的适应性好、计算速度快；

       2、 Acusolve 平台的仿真过程以残差率和求解率共同满足为完成标准为好； 由于网格结构、软件设置、硬件平台、软件版本等诸多因素，本次吹风的数值结果可能与他人的结果有差异，特此说明。

       [1] 姜乐华，符正气．CFD 在汽车空气动力学研究中的应用[J]．湖南大学学报，1997，(4)：52~56．

       [2] 张扬军，吕振华．汽车空气动力学数值仿真研究进展[J]．汽车工程，2001,(2)：82~89．