簡(jiǎn)介

在整車外流場(chǎng)仿真中，尤其需要關(guān)注尾流區(qū)域的物理效應(yīng)。尾流處的邊界層分離會(huì)形成高速度梯度的渦旋，渦流通過(guò)湍流破碎為更小尺度的渦并最終粘性耗散，因此沿流向會(huì)形成逆壓力梯度，盡管渦流會(huì)卷吸周圍流體補(bǔ)充耗散，但耗散率遠(yuǎn)大于補(bǔ)給，造成尾流區(qū)域持續(xù)的負(fù)壓區(qū)。為準(zhǔn)確解析此區(qū)域復(fù)雜的流動(dòng)特性，必須使用更密的網(wǎng)格單元，從而為后續(xù)的氣動(dòng)優(yōu)化提供可靠流場(chǎng)基礎(chǔ)。然而，如果對(duì)尾流之外的區(qū)域使用過(guò)于密集的網(wǎng)格也會(huì)大大增加計(jì)算成本，因此有效定義需要加密的區(qū)域非常重要。

本文將介紹一種汽車尾流區(qū)域體網(wǎng)格細(xì)化的方法。當(dāng)用戶已經(jīng)獲得初步的計(jì)算結(jié)果時(shí)，可以在 META 中將尾流負(fù)壓區(qū)以等值面的形式導(dǎo)出。然后將其導(dǎo)入 ANSA 中，基于此等值面設(shè)置網(wǎng)格細(xì)化區(qū)域。

在 META 中導(dǎo)出尾流區(qū)域的等值面

首先，在 META 中導(dǎo)入總壓結(jié)果，如下圖所示。

圖1 Smart 小車外流場(chǎng)總壓結(jié)果

在 Insert 菜單欄下，選擇 ISOFUNCTION>Value（S）>Closed Lower，以創(chuàng)建一個(gè)封閉的等值面。

圖2 META 中的等值面創(chuàng)建工具

在彈出的選項(xiàng)窗口中的 Value 欄鍵入 0，META 將基于計(jì)算域中和環(huán)境壓力平衡的結(jié)果位置創(chuàng)建等值面。此封閉的等值面內(nèi)包含完整的負(fù)壓區(qū)域，即我們所關(guān)心的尾流區(qū)域。

圖 3 新建等值面窗口

點(diǎn)擊 OK 確認(rèn)后，創(chuàng)建的尾流區(qū)域等值面如下圖所示。

圖4 尾流區(qū)域的等值面

等值面創(chuàng)建完畢后，我們可以導(dǎo)出此區(qū)域。在 META GUI 界面左側(cè)的 Database 中雙擊 Iso Functions，將調(diào)出包含所有等值面的列表，在此列表中右鍵點(diǎn)擊剛剛創(chuàng)建的等值面并在選項(xiàng)欄中選擇 Export Geometry。

圖5 通過(guò) Database 導(dǎo)出等值面

在彈出的文件保存窗口中，設(shè)置相應(yīng)的文件名及保存路徑，并選擇 .stl 為導(dǎo)出文件格式。點(diǎn)擊 Save，等值面的幾何文件就會(huì)被導(dǎo)出。

圖6 將等值面導(dǎo)出為.stl 格式

在 ANSA 中使用 Size Field 進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化

在 ANSA 中合并 Smart 小車的幾何文件及剛剛導(dǎo)出的尾流區(qū)域等值面的文件，合并后的效果如圖所示。

圖7 合并 Smart 小車及尾流區(qū)域等值面的幾何文件

為了控制尾流區(qū)域的網(wǎng)格尺寸，即實(shí)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格加密，我們需要使用 Volume Mesh 菜單欄下的 CONTROL>Size Field 功能。

圖8 Size Field 功能

在彈出的選項(xiàng)窗口中，點(diǎn)擊 New Rule 并選擇 Closed Surface，將新建一條基于封閉曲面的規(guī)則。

圖9 Size Field 選項(xiàng)窗口

在新創(chuàng)建的規(guī)則中雙擊 Contents 欄，使用過(guò)濾器或通過(guò)手動(dòng)選擇的方式將尾流區(qū)域的等值面載入此規(guī)則中，如下圖所示。點(diǎn)擊 OK 進(jìn)行確認(rèn)。

圖10 將尾流區(qū)域的等值面載入 Size Field 的規(guī)則中

接下來(lái)，雙擊 Parameters 欄，在彈出的選項(xiàng)窗口中設(shè)置最大面網(wǎng)格尺寸和最大體網(wǎng)格尺寸，此處均以 30 毫米為例。點(diǎn)擊 OK 進(jìn)行確認(rèn)。

圖11 設(shè)置尾流區(qū)域的網(wǎng)格尺寸

設(shè)置完網(wǎng)格尺寸，點(diǎn)擊 Build，此條網(wǎng)格細(xì)化規(guī)則將會(huì)得到應(yīng)用。

圖12 應(yīng)用 Size Field 的網(wǎng)格細(xì)化規(guī)則

同時(shí)，ANSA 會(huì)自動(dòng)打開可視化功能，方便用戶預(yù)覽此區(qū)域的網(wǎng)格尺寸以便進(jìn)行進(jìn)一步修改，如圖 13。在彈出的可視化窗口中（圖 14），用戶也可以通過(guò)滑動(dòng)條調(diào)整 3 個(gè)方向上的截面位置。 檢查完成后即可關(guān)閉可視化選項(xiàng)。

圖13 Size Field 的可視化選項(xiàng)

圖14 可視化窗口

接下來(lái)，為小車及計(jì)算域繪制面網(wǎng)格。打開 Batch Mesh 工具，新建面網(wǎng)格劃分方案及相應(yīng)會(huì)話，將屬于計(jì)算域和車身表面的 PID 分別載入到對(duì)應(yīng)的會(huì)話中，如圖 15 所示。

圖15 面網(wǎng)格劃分方案

對(duì)于“Domain”設(shè)置 30-300 毫米的目標(biāo)尺寸，對(duì)“Vehicle”則設(shè)置 5-30 毫米的目標(biāo)尺寸。然后運(yùn)行此面網(wǎng)格劃分方案。

面網(wǎng)格劃分完成后的效果如下（為方便查看，等值面已被隱藏），從圖 16 中可以看到遠(yuǎn)離尾流區(qū)域的計(jì)算域的面網(wǎng)格尺寸約為 300 毫米，而被等值面包圍的尾流區(qū)域的面網(wǎng)格尺寸則為 30 毫米，符合前面所設(shè)置的 Size Field 的網(wǎng)格細(xì)化規(guī)則。

圖16 尾流區(qū)域及其他區(qū)域的面網(wǎng)格尺寸對(duì)比

接下來(lái)，繼續(xù)對(duì)小車及計(jì)算域繪制邊界層及體網(wǎng)格。使用 Batch Mesh 功能進(jìn)行邊界層網(wǎng)格和體網(wǎng)格的劃分，如圖17 & 圖18 所示。

圖17 邊界層網(wǎng)格劃分方案

圖18 體網(wǎng)格劃分方案

體網(wǎng)格劃分完成后，沿 Y 軸方向隱藏部分單元來(lái)檢查體網(wǎng)格，從圖 19 中可以看到尾流區(qū)域的網(wǎng)格尺寸同樣滿足 Size Field 規(guī)則設(shè)置的尺寸，而不屬于此區(qū)域的網(wǎng)格則遵從全局網(wǎng)格尺寸（300 毫米）。

圖19 尾流區(qū)域及其他區(qū)域的體網(wǎng)格尺寸對(duì)比

總結(jié)

本文以 Smart 小車的外流場(chǎng)仿真為例，詳細(xì)介紹了如何細(xì)化汽車尾流區(qū)域的體網(wǎng)格。關(guān)于利用 Size Field 功能進(jìn)行 CFD 網(wǎng)格細(xì)化的更多介紹，可以參考另一篇文章——ANSA 中 CFD 網(wǎng)格細(xì)化策略之Size Field。

作者 | 李梓月

BETA CAE 工程師