External flow simulation based on AcuSolve

朱晖

　　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:Externalflowofafullsizesimplifiedsedanismodeledandsimulatedbasedona generalpurposeCFDsolver-AcuSolve,andSA turbulencemodelisadoptedformodeling turbulence. Thefully3Dsteady simulationisunder30m/sflow speedcondition. Theconvergence ability oftheAcuSolveandthecomparisonwithexperimentdata,especially withbadly distorted mesh,are themain focusin this nthesimulationresults,itis foundoutthat AcuSolvehasgoodcompatibility forpoormesh, andgoodconvergence,fastspeedandgood agreementwith experimentdata.

　　KeyWord：AcuSolve,CFD,badmesh

　　1引言

　　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。

　　2几何模型、畸变网格及边界条件

　　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=0m/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3体网格结构

图4面网格畸变

　　3收敛性判据和对比验证

　　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(ResidualRatio);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

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　　4气动力比较

　　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

　　5计算结果

　　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

　　6结论

　　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。

　　7参考文献

　　[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.

(同济大学，地面交通工具风洞中心上海201804)