介绍

在 第一部分评估了方程式赛车车身的质量 CATIA 。通过检查曲面的连续性、曲率和反射特性，我确定了在进行 CFD 分析之前需要重点关注的区域。在验证了几何形状之后，我继续使用 SIMULIA CFD 软件进行分析 ，以研究车身与气流的相互作用，并为空气动力学评估准备模型。

在本文中，我将分享我在 SIMULIA Fluid Dynamics Engineer 中遵循的工作流程，从修复导入的几何体和创建外部流体域到定义物理场、生成网格以及解释第一个 CFD 结果。.

本研究是一项基础空气动力学调查，而非最终的车辆验证。我的目标是了解车身周围的气流特性，评估 CATIA 分析中识别出的表面特征是否会影响气流，并找出未来设计改进的潜在方向。.

从 CATIA 过渡到 SIMULIA：CFD 策略规划

在 CATIA中完成几何验证和修复操作后，我将模型导入到 SIMULIA 流体模型创建中。.

由于之前使用过 ANSYS Fluent，我发现这个项目中最有趣的部分之一是比较两种 CFD 工作流程。我注意到，主要区别不在于仿真背后的物理原理，而在于每个平台如何组织整个仿真过程。.

ANSYS Fluent 和 SIMULIA CFD 工作流程比较

根据我的经验，ANSYS Fluent 提供了一个非常注重求解器的工作流程。它使用户能够直接访问许多详细设置，包括网格划分控制、离散化方案、压力-速度耦合方法、湍流模型和收敛参数。.

SIMULIA Fluid Dynamics Engineer 在3DEXPERIENCE 平台内采用更集成的 CAD 到 CFD 方法。几何体准备、外部流体域创建、六面体主导网格划分、棱柱层生成、物理场定义和后处理都与同一个产品数据环境相连。

两种工作流程均基于有限体积CFD方法，可用于RANS模拟。因此，我发现的主要区别不在于模拟背后的方程，而在于工程师与整个过程的交互方式。.

定义基线研究的CFD策略

对于这项初步的空气动力学研究，我还必须考虑学生许可证的限制和可用的网格单元数量。我没有在所有区域都应用非常精细的网格，而是将有限的网格单元集中在能够发挥最大价值的区域：

• 鼻部区域，此处会形成强烈的压力梯度。
• 表面过渡区域，此处可能发生流动加速或分离。
• 近壁区域，需要捕捉边界层行为。
• 车身后面的尾流区域

为了节省计算资源，远场区域的划分相对粗糙。.

对于边界层，我计划使用贴体棱柱网格。第一层的高度、增长率和总厚度需要根据湍流模型和目标y+范围来选择。SIMULIA SIMULIA 动力学工程师提供了这种贴体网格划分方法，可以更好地捕捉复杂表面和近壁流动行为。.

在初始模拟中，我选择了稳态不可压缩RANS方法。由于这是一项基准研究，我的目标并非获得最终的空气动力学认证值，而是了解车身周围的主要流动结构。.

在求解过程中，我不仅监测了残差收敛情况，还监测了气动力稳定性、压力分布和尾流发展情况。仅仅因为残差值减小并不能认为仿真结果可靠；气动力也必须达到稳定状态。.

图 10. 在外部域提取和网格生成之前，将修复后的车身几何体转移到 SIMULIA 流体模型创建中。.

创建外部流体域

下一步是使用流体域命令在车身周围创建外部流体域。.

该区域代表CFD分析过程中需要求解的空气体积。其大小以及车辆在其内部的位置直接影响结果的精度和计算成本。.

在将车身放置在域内时，我通过保持下边界处于正确的离地间隙来维持预期的车辆行驶高度。.

这个细节很重要，因为车身与地面之间的距离会影响车底气流、压力分布以及空气与车辆前部相互作用的方式。.

我还为车辆周围预留了足够的空间，以减少人为阻塞的影响。上游区域进行了扩展，以便来流能够充分发展，同时在下游预留了额外的空间用于尾流的形成。.

然而，由于我的学生许可网格预算有限，我必须找到一个平衡点。如果增加的网格单元没有改善重要的流动区域，那么更大的计算域并不一定意味着更好的结果。.

图 11. 车身周围形成的外部流体域。.

身体工作区域的定义

创建外部域后，我将车身表面定义为流体模型内部的一个单独区域。.

这一步骤使 SIMULIA 能够区分车辆几何形状和周围的空气体积，从而可以在仿真设置期间应用正确的壁面边界条件。.

在这个阶段，我验证了所选面是否正确地表示了车身，并确认 SIMULIA 可以创建没有开放边界或相交曲面的流体体积。.

这也再次证实了之前在 CATIA 中执行的几何清理过程已成功为 CFD 模型做好了准备。.

图 12. 车身表面定义为流体模型区域。.

物理设置、边界条件和输出请求

流体域准备就绪后，我创建了一个稳态模拟步骤，用于基准空气动力学分析。.

我将最大迭代次数设置为 2000，并为动量方程、湍动能 (TKE) 方程和 omega 方程定义了收敛标准。.

这些残差值提供了有关数值收敛性的有用信息，但我并没有完全依赖它们。我还监测了空气动力和压力变化，以确定解是否达到了物理稳定状态。.

即使残差很小的模拟，如果阻力、升力或压力值持续变化，仍然可能需要额外的迭代。.

图 13 – 稳态解步骤，最多迭代 2000 次，动量、TKE 和 omega 的残差停止准则。.

定义边界条件

对于入口边界，我施加了一个垂直于上游面的速度入口，速度大小为 15 米/秒。.

湍流条件由湍流强度和湍流粘度比定义，该基准模型的值分别为 0.1 和 100。.

在出口处，我施加了一个压力出口条件，静态表压为 0 Pa，使流量变量在保持参考压力的同时自然发展。.

车身表面被定义为实体壁面边界。这使得仿真能够捕捉到重要的空气动力学现象，例如：

• 鼻周压力积聚
• 曲面上的流速加速
• 近壁剪切行为
• 车辆后方的尾流形成

图 14A – 物理行为

图 14B – 速度入口边界条件应用于上游面，自由流速度为 15 米/秒。.

图 15. 压力出口施加到下游表面，静压为 0 Pa。.

界定领域和历史产出

在启动模拟之前，我定义了现场输出和历史输出。.

利用场输出数据可视化整个计算域内的流动变量。所选变量包括：

• 速度
• 表压和绝对压
• 总压力
• 涡度
• Q准则
• 剪切速率

这些结果后来有助于识别压力变化、加速区、旋转流动结构和可能的分离区域。.

对于车身表面，我创建了历史输出以进行监控：

• 总流体动力
• 压力
• 粘滞力
• 片刻

与仅依赖残差图相比，在求解过程中跟踪这些值可以更清晰地了解空气动力学收敛情况。.

我还要求提供壁面剪切和 y+ 值，以评估近壁网格是否适合所选的湍流处理。.

图 16. 输出。.

六边形主导网格策略和质量检查

在本基线研究中，我为整个外部流体域生成了一个以六面体为主的网格。.

全局单元尺寸设定在 1 毫米到 5 毫米之间，较小的单元集中在需要更多几何细节的区域。我还启用了边界层，使用了七层棱柱体，第一层厚度为 0.2 毫米。.

这些层对于捕捉车身表面附近的速度梯度以及在模拟后评估壁面剪切应力和 y+ 值非常重要。.

然而，由于我使用的是学生许可证，且网格单元数量有限，因此网格划分必须在精度和计算成本之间取得平衡。正因如此，我将此网格视为基准配置，而非最终的、与网格无关的解决方案。.

网格生成后，我根据纵横比、失真、最大和最小角度、倾斜度和拉伸度等几个标准审查了质量报告。.

大部分单元的质量均在可接受范围内。少数单元被评为质量差或不合格，主要依据纵横比标准。对于复杂的外部流动模型而言，这并不意外，因为在整个模型域内保持完美的单元质量会显著增加计算成本。.

质量报告证实该网格适用于初步空气动力学研究，但并未证明其与网格无关。.

对于未来的迭代，我会避免对整个区域进行均匀的细化，而是将额外的元素集中在最重要的空气动力学区域：

• 鼻部区域，压力梯度较强。
• CATIA 分析过程中识别出的尖锐表面过渡
• 近墙区域
• 下游尾流

这种方法可以在最关键的地方提供更高的精度，同时保持模拟成本在可控范围内。.

图 17. 基准模型的六面体主导网格设置和质量报告。.

启动稳态解并监测收敛性

网格和仿真设置完成后，我启动了稳态解算并开始监控结果。.

在计算过程中，我利用历史输出数据来跟踪空气动力分量的演变。这有助于我了解随着迭代的进行，解是否趋于稳定状态。.

下图是我在模拟进度大约 1% 时截取的。由于解决方案仍在开发中，因此显示的力值并不代表最终的空气动力学结果。.

为了进行全面的趋同性评估，我综合考虑了多个指标：

• 动量、湍动能和ω方程的残余行为
• 所监测空气动力稳定性
• 压力场和速度场的一致性

这是研究过程中的一个重要方面，因为仅靠残余减少量并不能保证工程量已达到稳定解。.

当数值收敛性和流动的物理行为都表现出一致的趋势时，CFD 结果才具有意义。.

图 18. 启用力监测的稳态解的初始阶段。.

CFD结果和初步工程解释

模拟完成后，我结合多种可视化方法分析了结果，包括压力等值线图、速度分布图、速度矢量图和平均流线图。.

我没有依赖单一的图表，而是将这些不同的结果结合起来，以了解气流如何与车身相互作用。.

车头前端出现了一个明显的停滞区，此处气流速度减慢，形成高压区。从这一点开始，气流沿着车身的上表面、侧面和下表面分离。.

由于气流沿曲面流动，多个区域的流速增加，形成低压区。压力变化最显著的区域位于机头和前缘下部过渡区附近。流线图和速度矢量图的结果也表明， CATIA 分析中识别出的表面过渡区对气流行为产生了影响。.

大部分前段区域保持了相对有序的流动状态，但下游区域则出现了越来越多的扰动、低速区和尾流。鼻锥、前下角和尾部过渡区似乎是设计中最敏感的区域。.

识别设计局限性和改进领域

这些观察结果与斑马纹、豪猪纹和表面曲率分析中发现的问题一致。然而，需要澄清的是，可见的表面不规则性并不一定意味着会造成可测量的空气动力学性能损失。.

要量化这些区域的实际影响，需要与修改后的几何形状进行比较，并进行网格无关性研究。.

由于这是一个简化的仅包含车身部分的 CFD 模型，我主要利用这些结果来确定流动行为和可能的改进领域。.

基准CFD研究的局限性

模拟未包含以下内容：

• 前翼效应
• 旋转的轮子
• 悬架部件
• 车辆空气动力学相互作用

因此，这些结果不应被视为大学生方程式赛车的最终空气动力学性能，而应被视为理解和改进设计的第一步。.

图 19. 表压

图 20. 速度

图 21. 速度矢量

图 22. 压力表框架 2

结论

解释这个工作流程并不像我最初预想的那么简单。该项目结合了两个不同的领域： CATIA 中的表面质量评估和 SIMULIA中的空气动力学分析。.

在准备这篇文章的过程中，我意识到记录每个步骤也迫使我质疑自己的决定，并更好地理解每个dell选择背后的原因。.

3DEXPERIENCE 社区通过共享项目、技术讨论和不同的工程方法，成为了重要的学习来源。.

我希望这篇文章也能帮助其他开始将 CATIA 曲面分析与 SIMULIA CFD 结合使用，并正在寻找完整的 CAD 到 CFD 工作流程的实用示例的学生。.

• 作者
• 最新文章

Abdulkadir Gunumdogdu

Konrul Racing的车辆动力学、结构分析、空气动力学设计和 CFD 工程师

机械工程专业学生，Konrul Racing车队成员，专注于底盘设计、计算流体动力学（CFD）、结构分析和车辆动力学。精通 CATIA、 3DEXPERIENCE和ANSYS，曾参与方程式学生赛车和无人机开发。对赛车工程和仿真驱动设计充满热情。.

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