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发表于 2015-7-21 17:31:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
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NUMECA软件在汽车CFD领域的应用

NUMECA软件在汽车CFD领域的应用

        NUMECA公司的前处理技术Hybrid,让枯燥的前处理工作变得简单而轻松,而Agglomeration与CPUBooster加速技术则大幅度削减了计算所需时间,所有这些将工程师的工作效率提高了一个量级,在保证计算精度的前提下,大大缩短了研发时间。
        随着计算机技术的发展,CFD技术被越来越多地应用到汽车的研发设计中,例如在车辆的空气动力学性能分析、发动机舱热管理分析、发动机缸内的燃烧模拟和舱内热舒适度分析等诸多领域,CFD发挥着越来越重要的作用。
        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技术突破,从而将仿真工作效率提高了一个量级。
          
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,推出了集模型清理、修复和网格划分于一体的前处理器Hybrid。在模型修复上,工程师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工作;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。整个过程中,工程师只需适当设置几个参数便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,采用NUMECA方法仅需几个小时即可完成,大大节省了时间(见图1)。
       

NUMECA软件在汽车CFD领域的应用

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        1.复杂模型的“高保真”
        汽车是包含底盘、发动机舱、进气格栅、后视镜和刮水器等一系列复杂结构的系统集成体。但碍于目前网格前处理工具的局限性,只能对其很多部件进行简化甚至忽略才能生成网格,进而进行数值模拟分析,这种“失真”性的处理很大程度上影响了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,能够对模型外形“高保真”的前处理方法开始被越来越多的厂商所青睐。
       

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        对此,采用前处理器Hybrid,工程师可以根据自己的工作需要对汽车的所有部件进行选择性保留,在粗略分析阶段可以忽略某些部件,而在精细分析阶段则可以保留任意细小部件。如图2、图3所示,采用Hybrid网格划分技术,可以精确反映出大客车的内部结构以及卡车的外部形状,从而实现对原始模型几何的高度保真。
        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,对于数值仿真工作来说,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CPU先进的超线程技术,充分调用计算机CPU的闲置资源,从而快速生成网格。
       

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        例如,一部F1赛车整车外流场网格为4600万,从CAD原始几何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6h即可完成。
        而有1600万网格的吉普车外流场前处理工作,从CAD原始几何到最终的高质量网格生成,在4个CPU的计算机上运行需要4h。
       

NUMECA软件在汽车CFD领域的应用

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        3.“肮脏”模型的自动清理及修复
        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,而目前的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工作。据不完全统计,目前模型几何清理及修复所需要的时间占整个数值模拟工作1/3以上的时间,这极大地影响了仿真工作的进度。因此,迫切需要一种根据模型的完整程度可以自动进行修复的前处理工具。Hybrid几何修复功能正是如此,其主要的功能特点如下:
        (1)针对模型表面比较小或者不需要考虑的缝隙,Hybrid可以自动实现网格的覆盖功能,利用Hybrid可以将车门的缝隙用网格自动覆盖掉。
       

NUMECA软件在汽车CFD领域的应用

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        (2)对于模型表面的较大缝隙,holesearcher功能可以自动进行检测,并根据工程师的要求进行缝隙的封闭。holesearcher功能检测出轿车表面的缝隙,并进行了自动修复。
        (3)对于不完整的残缺的原始模型,通过“再造”功能对丢失的几何特征进行重新创建,如图4、图5所示,从而完成模型的修复。
        计算速度的突破—— Agglomeration与CPUBooster
        在日趋激烈的市场竞争中,谁赢得了时间谁就赢得了市场,这就要求先进的CFD模拟技术不仅要具备高精度的求解精度,还对求解速度提出更高的挑战。NUMECA公司在商业CFD软件中首次采用了国际上最为先进的控制体聚合(Agglomeration)多重网格与CPUBooster强化的隐式加速收敛技术,该项技术可以使计算在一开始便采用超大CFL数(CFL=1000),在保证精度的同时,大幅度削减了整个数值模拟过程所需的时间,保守估计可以比同行业软件节省一个量级的时间,从而将数值模拟带入了快速精确求解时代,为CFD在工业界的广泛应用提供了强劲的技术支持。图6展示了Agglomeration全多重网格技术中各层网格的情况。以吉普车外流场气动分析为例,体网格数量900万,在19核计算机上计算1.6h,升力与阻力计算迭代50步左右实现收敛(见图7)。
       

NUMECA软件在汽车CFD领域的应用

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        经典案例
        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到燃油经济型及操控的安全性,而车身表面的凸起部件都将对计算结果产生重要的影响,Hybrid可以精确地描述车辆上的每个部件。
        图8为客车模型表面的网格展示,考虑到模型的对称性,只对模型流场的一半进行模拟,流场整体网格数约200万。图9为流场结果分析,客车周围的流带揭示了气流的流动情况,客车尾部出现了较明显的漩涡区。
        2.发动机舱内气流流动分析
        发动机舱内通常布置着发动机、散热器和排气歧管等部件,是整车系统中最为复杂的区域。图10、图11分别展示了发动机表面及舱内的网格,尽管部件非常多,但Hybrid轻松实现了各个部件网格的精确捕捉。图12反映了气流从进气格栅进入舱内的流动情况。
       

NUMECA软件在汽车CFD领域的应用

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        结语
        NUMECA公司潜心致力于汽车行业,在车辆的空气动力学性能分析、发动机舱内热管理分析、发动机缸内的燃烧模拟和舱内热舒适度分析等方面拥有专业的解决方案,其前处理技术Hybrid,让枯燥的前处理工作变得简单而轻松,而Agglomeration与CPUBooster加速技术则大幅度削减了计算所需时间,所有这些将工程师的工作效率提高一个量级,在保证计算精度的前提下,大大缩短了研发时间。
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