外流場空氣動力學仿真在現代汽車設計中扮演著至關重要的角色，因為汽車燃油經濟性、穩定性、發動機冷卻、座艙內部噪聲和風擋雨刮性能都受空氣動力學載荷的影響。多年來，汽車制造商一直依賴于耗時的風洞試驗和計算流體動力學（CFD）仿真來研究汽車的空氣動力學性能。如今，隨著計算機技術和數值方法的不斷發展，人們能夠在更短的時間內研究復雜的流動結構。

雖然風洞試驗仍然是汽車研發過程中不可或缺的一環，但CFD風洞仿真已經越來越受歡迎，因為它大大減少了實際所需的風洞試驗次數。然而，完成汽車風洞試驗仿真并不是一項簡單的任務。從模型準備、網格劃分到CFD模型的建立，再到計算和后處理，整個工作流程都是非常復雜和耗時的。汽車外流場仿真的特點是幾何非常復雜，例如發動機艙，邊界條件不穩定，例如旋轉輪胎和滑移地面，以及十分紊流的流場，特別是在汽車的尾跡。

因此，流程定制化的環境和精確、可擴展、穩健的CFD求解器將成為風洞仿真的高效和主流方式。

(資料圖片)

自動化流程

通常汽車外流場仿真包括以下四個步驟：

1、模型準備（如幾何清理或表面網格劃分）

2、體網格生成

3、CFD模型設置和求解運行

4、后處理

而在HyperWorks虛擬風洞Virtual Wind Tunnel?（簡稱VWT）模塊中，上述的第2,3,4步都被集成為一個自動化流程，可以快速進行風洞外流場分析，如圖1所示。

VWT直觀的用戶界面簡化了網格參數和CFD建模參數的定義。部件的定義包括智能自動化將人工干預減小到最低。多物理場方面如流固耦合（FSI）也包含在其中，如氣動載荷作用下擾流板的變形以及它對汽車升力的影響。 VWT用戶界面與高性能計算機系統有直接的接口，可以加快一些耗內存和計算資源的任務完成，如體網格生成、計算和后處理。

數值模型：精確、穩健、快速和可擴展

虛擬風洞仿真的穩健性和精確性很大程度上取決于它的數值模型。一般來說，外流場具有瞬態流動的特征，特別是道路車輛。采用瞬態仿真可以獲得更切實際和精確的結果，但通常為了節省計算資源和快速評估不同的設計，人們通常進行穩態計算。而有些情況下，一些CFD求解器采用穩態計算是由于無法在一個合理的時間內獲得瞬態仿真的結果，也有一些CFD求解器在人們需要穩態計算時卻僅僅只有瞬態分析的功能。因此，同時具有良好的瞬穩態分析功能需要更高端的數值模型。

為了克服這一問題，HyperWorks虛擬風洞采用AcuSolve提供快速的瞬態和穩態仿真結果。AcuSolve是基于有限元方法（伽遼金/最小二乘法）的通用CFD求解器。

AcuSolve采用雷諾平均NS方程（RANS）和分離渦模擬（DES）技術來模擬湍流流動，預測流動的分離。DES技術在近壁面采用RANS模型，在主流區如汽車尾跡的分離區，采用大渦模擬（LES）。VWT采用RANS的穩態分析和DES的瞬態分析都可以得到精確的外流場結果。

由于AcuSolve采用了一套十分高效和穩健的數值格式來時間推進，因此瞬態仿真可在合理的時間內完成。這使得人們可以通過瞬態仿真來獲得更實際和精確的結果而不需要被迫采用穩態仿真來近似汽車流場。

CFD求解器的穩定性

由于汽車幾何外形十分復雜，因此要生成一個高質量的流場域體網格是非常耗時的。發動機艙內部件間的小間隙或輪胎與地面的連接通常會導致大展弦比和高度扭曲的網格。一套低質量網格會引起CFD求解器發散或得到不精確的結果。網格加密可以幫助提高網格質量但隨之而來會引起總網格數增多，CPU計算時間加長。

為確保快速的計算評估，CFD求解器需要給出一個高質量的結果，即使是基于一個次優化的網格。特別是上述提到的虛擬風洞流程，一個穩健的CFD求解器是整個過程最關鍵的環節。

基于伽遼金/最小二乘有限元方法的AcuSolve可以在網格質量十分差的情況下獲得高精度的結果。因此它十分適合于復雜汽車外形所形成的高度扭曲網格。另外，AcuSolve支持共享和分布式內存計算機并行計算，其混合式并行技術允許外流場大模型結果在很短的時間內得到。

流固耦合

對于帶擾流板的汽車，其阻力和升力在擾流板是剛性還是彈性的情況下會有所不同，因為擾流板會在氣動載荷下發生變形。為了獲得精確的結果，擾流板的變形需要考慮進來并耦合到流場中。AcuSolve具備很多高端的物理模型，包括氣動彈性、氣動聲、剛體運動和流固耦合，因此可以提供更實際和精確的汽車外流場仿真解決方案。另外，流固耦合還可用于確定振動頻率（脈動的氣動載荷引起）并與整個結構模態對比，避免共振。