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1、车辆空气动力学培训,CDAJ-China 技术部,目录,车辆空气动力学计算概论基于STAR-CCM+的车辆空气动力学解析过程解析用数据准备几何数据准备与导入Mesh生成物理模型与边界条件设定输出设定（Cd,Cl等）解析执行与结果评价方法,车辆空气动力学计算概论,车辆空气动力学计算中具有代表性的评价指标是：Cd值，Cl值及Cp值。Cd值，风阻系数Cl值，升力系数Cp值，压力系数车辆周边流场，车辆底部空间（underbody）与车辆尾部的流场具有强非定常特性（图示中绿色区域）RANS模型对漩涡运动的细节不能很好的捕捉所以在对求解精度有高要求的时候，使用DES模型进行非定常计算是必要的,车辆空气动力
2、学计算概论,车身阻力系数含义说明：,车辆空气动力学计算概论,压力系数含义说明：,车辆空气动力学计算概论,Cd值，定常计算也可以获得较好的精度虽然车辆尾部的流场是非定常的，但使用定常计算也可获得5%的精度一般，在调整解析参数前，结果可能偏高影响Cd值的因素车辆前方的压力分布车辆的来流速度分布（profile）车辆后方的压力分布车辆上方产生的流动分离，对尾部流场的影响汽车底部的流体产生的分离，对尾部流场的影响流经两侧的流场情况，对尾部流场的影响后视镜与车轮等引起的扰动，对尾部流场的影响风洞数据存在的误差相关的讨论车辆尾部的流场是变化的，车辆前后的压差也是变化的，通过underbody的风量是变化的
3、，需要关注的是，车辆上方的流场，车辆侧方及后视镜与车轮附近的流场，underbody附近的流场。,车辆空气动力学计算概论,Cl值，适于用非定常计算来评价影响Cl的因素：车辆上方的压力分布车辆上方的流场分布车辆下方的压力分布underbody附近的流场分布underbody的形状一般比较复杂，流动较乱，漩涡比较多通过underbody的风量，对尾部流场影响很大,车辆空气动力学计算概论,影响车辆空气动力学计算的其他因素解析的边界条件与试验条件一致性风洞条件Open cross sectionBlockage correction factor（=车辆投影面积/风洞入口面积）如果该比值小于3%，这样
4、可以不考虑风洞的影响。但通常真实试验情况下，该值达到10%的程度。若在解析中不考虑风洞的影响，则需要注意解析与试验结果的差异地面条件地面是否移动车辆形状门把手，侧窗上面的细节可能产生流动分离。所以必须考虑试验模型与CFD模型在几何上的差别有多大。,车辆空气动力学计算概论,计算需要获得的典型结果及评价办法Cd值，Cl值，Cp值Wake(Total Pressure Coef.=0的等值面）分离位置的显示流速分布压力分布,目录,车辆空气动力学计算概论基于STAR-CCM+的车辆空气动力学解析过程0.几何数据准备1.读入几何数据2.几何模型准备3.面网格生成（Surface Wrapper）4.面网
5、格生成（Surface Remesher）5.体网格生成6.解析设定7.求解8.后处理,0.几何数据准备,风洞条件风洞形状边界条件（流速，压力，地面）车辆形状数据风洞试验时是否使用全尺寸，全细节模型是否有对CAD数据的简化试验模型的情况（对车门等处间隙的处理有无）风洞试验结果Cd值Cl值Cp值是否有油流或PIV试验的可视化数据等,从CAD部件输出面网格，如STL。部分几何需要简化。数据分类将CAD数据大致分为以下几类：车身上表面格栅车轮车身下表面影响气流分离的一些其它几何部件（如支柱、扰流板、后视镜等）在CAD里完成分类后，在STAR-CCM+里处理起来会省下不少工作量。使用STAR-CCM+
6、读入各STL数据。,单击File New Simulation。Create a New Simulation 对话框出现。选择单线程Serial。单击OK。,1,Tips!需要并行处理时，选择Parallel。,2,3,4,1.读入几何数据,-单击File Import Surface。出现打开对话框。-选择文件star.dbs，点击 打开。出现Create New Region对话框。点击OK。,2,1,3,4,5,6,7,几何视图显示,透明几何视图显示,2.几何模型准备,重命名读入的几何数据读入的CAD几何数据（以STL格式为例），文件会自动命名为类似“pro2stl”的Boundari
7、es，将它们分别进行重命名。将每个Boundary重命名为便于识别的名称。,边界分割将读入的几何数据进行更详细的边界分割，分割的目的在于方便将来为不同的边界定义不同的网格尺寸、边界层参数、防接触设定、边界条件等。,利用patch分割边界读入数据时，每个文件都有不同的patch编号。,手动分割,选择单元（按住Ctrl复选其它单元）,选择面拓展方式,Sharp Angles 指定面拓展的打断方式,手动分割,肉眼观察通过肉眼观察读入的几何表面，找到诸如格栅部件、雨刷安装孔、管路开口等一些比较明显的未封闭计算域边界，准备进行修补工作。,使用间隔在2550mm间的截面来检查创建2维截面大孔，有间隙的地方
8、格栅部件发动机底部车门等部件间较大的间隙,截面生成,截面显示,改变截面位置,值在0.0250.05之间变化,封闭较大的洞和间隙由于采用包面（Surface Wrapper）技术，较小的洞并不需要都封闭。注意：下面以缝补轮毂上的洞为例来讲解补洞操作，实际模型中轮毂上的洞可能并不需要封闭。,使用特征线来封闭洞的方法生成特征线,使用特征线来封闭洞的方法删除多余的特征线,删除多余的特征线,使用特征线来封闭洞的方法封闭洞,使用特征线来封闭洞的方法合并边界删除特征线,使用修补工具修补洞诊断,使用修补工具自由边修补洞选择含有洞的边界,关闭显示,选择边界,使用修补工具自由边修补洞选择自由边,用鼠标选择,选择自
9、由边,单击右键,使用修补工具自由边修补洞封闭洞,使用修补工具采用鼠标填补方法,用鼠标选择,此例中，采用鼠标填补方法的修补工具，封闭格栅部件、发动机底部及车头底部的漏洞和缝隙。,封闭格栅漏洞,封闭发动机底部漏洞,3.面网格生成（Surface Wrapper）,使用star-ccm+的包面（Surface Wrapper）功能，可以快速地修复几何数据的表面干涉、重叠、搭接、错配、漏洞、缝隙等错误，得到一套封闭的汽车外形表面，用于外流模拟。,网格模型的设定选择Surface Wrapper网格模型。,网格模型的设定将Region 1的包面方式选为最大外表面。,网格尺寸的设定设定Mesh:Regio
10、n 1的网格尺寸。,漏洞检测工具的使用在包面操作开始前，虽然几何表面经过了检查和修补，可能还存在一些比较大的洞和缝隙，用之前的方法没有发现，还可以使用漏洞检测工具进行更加详细地检测。,漏洞检测工具的使用这里通过检测乘员舱内外的连通性来演示漏洞检测工具的用法。首先，将Source Point的位置拖动到乘员舱内部；然后，将Target Point 1的位置拖动到车体外部。,漏洞检测工具的使用定义完Source Point和Target Point 1的位置后，点击Recompute Template+Paths，可以在输出窗口看到显示信息。检测进程完成后，在输出窗口中显示如下内容，说明在乘员舱内
11、外部之间存在一条连接通路，也就说明了汽车外形内外两侧之间有漏洞。,黄色线表示漏洞通过的路径,漏洞检测工具的使用将工具栏切换到Repair Surface，采用鼠标填补方法，修补黄线通过的这个缝隙。修补完成后，点击Recompute Paths，重新计算，知道输出窗口显示如下内容，说明无法在汽车内外部之间找到一条连接通路，也就说明了汽车外形是个封闭的空间。,Contact Prevention（防接触）设定包面操作时，可能会将原本互相分离的部件部分粘贴在一起，为了防止这种现象发生，需要设定各个部件之间的防接触。,无防接触，车身部件和排气管粘贴在一起,有防接触,车身部件,排气管,Contact P
12、revention（防接触）设定设定各部件之间为8mm的防接触。意味着当两个部件的间距大于8mm时，包面时会将两个部件严格区分开来不会粘贴在一起。,执行包面点击Generate Surface Mesh按钮，对Region 1进行包面。检查结果包面完成后，通过透明显示、截面等方式检查结果，确保得到的结果是一个封闭的汽车外形表面。,检查结果检查Representations节点下新生成的Wrapped Surface表面，确保除了“Poor Quality Faces”和“Close Proximity Faces”两项外别的都为0。,删除Import的几何数据将Representations节
13、点下的Import表面删除掉，以完成了对Region 1区域包面的结果作为下面操作的开始。,生成计算域外部空间,Slip Wall,No-Slip Wall,略高于轮胎底面,生成计算域外部空间分类、合并新生成的面删除不需要的面Boundary重命名,0-Inlet,0-Slip Ground,0-NoSlip Ground,0-Pressure,0-Wall,删除中间2个不需要的面,把中间的Free Edge缝合上,处理地面和轮胎的相交做出地面和轮胎的交线删除不需要的面,做出交线,删除不需要的面,轮胎与地面交接处,网格模型的设定修改网格模型，反选Surface Wrapper模型，选中Surf
14、ace Remesher模型,4.面网格生成（Surface Remesher）,网格尺寸的设定主流体区域因为包含大小相差很悬殊的面，所以需要重新设定网格尺寸将主流体区域网格模型里的Base Size改为0.1 m,网格尺寸的设定对每个Boundary设定合适的网格尺寸打开Custom Surface Size，设定合适的Relative Minimum Size和Relative Target Size,面网格修复删除掉Representations节点下的Wrapped Surface子节点，只保留Remeshed Surface。,面网格修复检查面网格错误,面网格修复,手工修复这18个错
15、误表面，或者直接点击下面的Auto Repair自动修复。,网格模型的设定修改网格模型，反选Surface Remesher模型，选中Trimmer模型和Prism Layer Mesher模型,5.体网格生成,网格模型的设定调整边界层的设定方式,网格尺寸的设定网格尺寸,网格尺寸的设定关闭0-inlet、0-outlet、0-top和0-side四个面上的边界层网格生成。,体积网格密度的生成,体积网格密度的生成实际计算时，还应该在汽车尾迹区以及流动分离的区域如后视镜后侧等设置体积网格密度，分别加密这些区域。此例鉴于方法讲解，就不加密生成过多数目的网格了。,体积网格密度的设定设定体积网格密度的加
16、密尺寸。,体网格生成,物理模型的设定Space3维Motion 静止Time 定常Material气体Flow分离解算器Equation of State 定常密度Viscous Regime湍流Reynolds-Averaged Turbulencek-Omega湍流模型（推荐）其它选项网格质量改善,6.解析设定,物性参数和初始值的设定,初始速度设定,物性参数设定,速度入口设定,圧力出口设定,滑移壁面设定,相同设定,投影面积,投影面积,Cd,Cl,设定Cd、Cl的Monitor和Plot,Field Function设定Cp,7.求解,设定最大计算步数或其它计算终止判据,为了计算的稳定性，删
17、除部分质量比较差的单元。,创建显示结果的Scene压力云图Cp云图速度云图速度矢量图流线,解析执行,解析执行,8.后处理,后处理结果的Scene压力云图Cp云图速度云图速度矢量图流线,计算遇到发散问题时的处理办法删除速度大于100m/s 的单元删除除Volume Mesh之外的Surface Mesh,计算遇到发散问题时的处理办法删除速度大于100m/s 的单元创建Field Function（名称任意取）,计算遇到发散问题时的处理办法删除速度大于100m/s 的单元Field Function的Region处理,计算遇到发散问题时的处理办法删除速度大于100m/s 的单元将分割出来的Region（例如名为Region 1 2）物理模型设置为Null。,计算遇到发散问题时的处理办法删除速度大于100m/s 的单元重新定义Derived Parts与Reports的Part,结果后处理Cd，Cl：直接从监控的输出窗口或者Plot曲线中获得。,附录,若要获得准确的Cl，需要进行瞬态计算，可参考如下思路：1.网格方面进一步加密网格尺寸，尤其是流动分离的区域。减小近壁面边界层的尺寸，尤其是第一层边界层的厚度。2.湍流模型方面使用LES进行非稳态模拟,
