1小时内完成CFD设置：一种STAR-CCM+ 车辆外气动分析模板

本文介绍由Formula SAE开发的车辆外气动分析的预定义模板，包括了网格细化、后处理等完整过程，用户只需要导入自己的CAD，做一些调整，就可以划分网格、运行计算。

概述

• 简介

• 准备工作

• 使用预先建立的参数化车辆CAD

• 使用自己的CAD

• 压力中心可视化

• 更改设计

1.简介

 

本文提供一个车辆外气动的模板sim文件及操作视频，从第二部分文末的链接中可以下载。用户可以在模板中导入自己的几何，并直观地将车辆的各个部件进行标记（Tag）。之后，该模板可以处理其他所有步骤：完成的Tags用于包面，生成干净的表面，为划分体网格做准备。然后用基于车辆外气动最佳实践的设置创建网格，生成的网格直接连接到已有的模型、边界条件、报告、绘图和场景等，模板中的这些设置根据FSAE空气动力学团队的需求而定制。在模板中可以很容易地用新几何替换旧几何，然后自动应用到相应的仿真设置中或者直接修改设置，从而实现快速设计迭代。

结果场景示例

模板功能摘要

 

1）包面，自动清理CAD，为划分体积网格做准备（无需在表面修复或纠正几何拓扑上花费大量时间）。

2）体积网格控制，为在必要的位置细化或粗化网格添加多层局部控制。一般会生成约800-1700万个单元，网格多少取决于几何中小特征的数量，如小的翼型、气动支架等。

3）散热器Region和风扇Interface设置，已经过验证。

4）报告和绘图，包括所有组件的下压力和阻力、散热器质量流量等。

部分收敛的下压力曲线图，包括单个部件受力、各部件的合力

5）结果场景Results scene包含32个显示器，可以方便地打开或关闭。包括：

• 矢量图：截面、散热器面和风扇的速度矢量图，壁面的剪切力矢量图

• 压力云图：车辆表面、散热器上游面和截面上的压力

• 流线图：从车辆不同位置（管道、底盘等）发出的多个流线图

• 等值面：显示流动分离、静压、湍动能和旋涡的三维等值面图

• 压力中心位置

• 车辆几何：实体或半透明显示

结果场景中包含的显示器

在结果场景中打开壁面剪切力、尾翼流线和Q-Criterion

打开风道流线图、散热器压力显示器及几何面显示器

6）网格场景Mesh scene中设置了11个显示器，可以方便地打开或关闭，包括：

• 切面和边界面的网格

• 壁面y+

• 阈值Thresholds：可用于诊断任何网格问题，如单元偏斜度、高湍流粘度和高残差（比耗散率和TKE残差）

• 压力梯度阈值

• 车辆几何：实体或半透明显示

7）下压力和阻力场景图，可以很容易地看出最大/最小下压力和阻力所在的部件。这两个场景图均由很多显示器组成，每个显示器仅显示单个部件的阻力或下压力，力的值由相应的Report得到。

请注意，这不是仿真向导，并没有将上述功能进行锁定，而是一个预构建的仿真模板，可以根据需要添加和修改仿真设置。

2.开始之前

1）此模板是在13.02中构建的，因此需要在13.02或更高版本中打开。

2）为减小文件大小，已清除网格和结果。请读者下载文件后，自行划分网格。

3.使用预构建的参数化车辆CAD

所用CAD为简易的FSAE车辆，模仿大多数设计，用户可以用这个几何体作为基础来开发自己的气动仿真包。这个CAD最具亮点的部分是公开了80多个设计参数，允许用户更改底层CAD并将其直接输入到仿真设置中。用户需要做的就是改变已定义的CAD参数（或更改CAD中的草图、拉伸等参数），退出3D-CAD，划分网格，运行计算。这些参数也可以输入到STAR-CCM+中的Design manager，自动运行并收集所需的数据，用于改变设计结构、扫描CAD参数等。安装STAR-CCM+时都会附带Design manager。

如果用户要使用自己的几何，请跳到“4.使用用户自己的CAD”一节。如果用本例的几何开发Aero包，请按照以下步骤操作：

首先导入底盘几何，可以移动其他几何体（中心车体草图、翼型等）以匹配底盘。转到Geometry > 3D-CAD，右键单击CAD for Chris Penny's car > Edit，在3D-CAD界面右键单击仿真树顶部的CAD for ChrisPenny's car > Import > CAD model，完成导入。

调整/移动车身草图，使车身的放样结果覆盖刚导入的底盘。完成后，用户可以根据需要轻松修改以下参数，设置Aero包：

• 每个翼型的攻角、位置、弦长、弧度、最大厚度、LE半径以及与LE的弧度偏移

• 坐椅高度

• 驾驶员的位置

• 车轮半径和宽度

• 散热器尺寸、位置和角度

• 风扇尺寸、位置和角度

• 散热器平面倾角

几何的其他部分可以在草图中更改，也可以通过改变草图平面实现，从而可以修改翼型的整体形状（通过样条曲线的相切点）、底盘形状、车身主体形状和风道形状。
使用时请注意以下事项：

1）回顾和理解该模版是如何构建的非常重要。例如，如果散热器太大，会导致其他步骤失败。在这个特定的案例中，增加风道的尺寸使散热器完全位于风道内部，这一点需要注意。

2）不要将中心车身（鼻锥体）推到底盘以下，会干扰软件正确识别底盘与中心车身，并会影响报告及底盘的网格细化。

3）为了避免对某个实体的拉伸切割失败，需要确定拉伸所用的源草图不会落在要切割的实体之外。

4）为防止修改放样时操作失败，要保持每个草图中点的数量不变，放样操作涉及的每个草图中的轮廓线都要有相同数量的点。

5）使用标尺图标（屏幕顶部）测量出需要移动的距离。单击两个点，dx、dy和dz将显示在信息输出窗口（底部窗口）。如果看不到数字，请向下滚动。要注意，距离是在全局坐标系中测量的，在任何场景中都可以看到，但是通常改变位置是基于源草图平面的局部坐标系，所以垂直方向的变化（全局坐标系中的dz）可能是草图平面坐标系中Y的变化。

6）如果要在车辆3D-CAD中查找某一内容，例如草图，因已对CAD的特征操作命名，只需在仿真树空白处单击，键入要查找的内容（例如“undertray”），STAR-CCM+可以自动进入仿真树中具有该命名的对象。

7）风扇、散热器和车轮的坐标系与创建这些零件的草图平面的坐标系相关联。所以，如果要改变这些零件的位置或方向，无需更新仿真树中“Tools”下的坐标系。

8）创建自己的几何时要注意遵循模板中创建的规则，随时更新，保证每个几何处在正确的位置。

 

按照要求修改CAD后请继续完成以下步骤，为计算做准备：

1）如果界面在3D-CAD中，请选择Close 3D-CAD，返回仿真树。

2）右键单击Geometry > Operation > Automated mesh> Execute，生成网格。

3）接下来，需要更新场景，改变表征方式为Geometry、Remeshed surface或Volume mesh，因为初始状态没有网格，表征方式都为Geometry。完成网格划分后，按住Ctrl键选择Downforce, Drag, mesh, Results scenes，右键单击选择Apply representation，并将其设置为Volume mesh。

忽略需要求解的提示信息，完成设置后就会运行求解。右键单击Remeshed surface场景，选择Apply representation > AutomatedMesh.Remeshed。

打开Results场景，转到Scene/plot选项卡，按住Shift键选择Center of pressure 和Geometry显示器，转到属性窗口（左下角），向下滚动，将Representation设置为Geometry。几何体场景应用Geometry表征。

4.使用用户自己的CAD

 

准备CAD的建议

 

在开始设置之前，对如何准备CAD进行CFD分析提出一些建议：

• 把大的特征与较小的组件分开。例如，保持悬挂连杆、拉杆等与车轮分开，因为车轮要设置旋转。

• 翼型使用尖角尾缘或封闭的平面台阶尾缘。不要使用紧曲面的尾缘，即没有定义特征边的曲面，否则会导致包面和体网格捕捉尾缘时出现问题，网格节点将松散地布置在尾缘周围，导致附近的网格看起来参差不齐，损失几何精度。

• 避免不必要的狭窄区域。当网格被挤压到这些区域时会产生低质量的单元。例如，清除司机后背和座椅之间的间隙。如果包括悬挂或底盘，删除管内的体积，形成简单的圆柱拉伸体（不需要看到流动在底盘内部是怎样的）。几何中不需要包括内轮总成，主要流动特性由轮胎尾流产生，内轮结构会增加不必要的复杂性和单元数量。

• 支撑架、悬架和底盘会影响CFD结果，因此建议将其包括在内，提高模拟精度。但是，这些特性确实增加了单元数量，并因此增加了运行时间。因此，如果仿真的重点是测试不同的总体配置，这些小特性相对并不重要，且希望计算得更快，那么删除这些小特性就可以了。相比之下，如果要做缝隙研究，这些小特征是很重要的，因为会影响翼型上游的流动。 

流程说明

       

在说明具体设置之前，先介绍工作流程以及如何使用标记Tags来完成其他步骤。下图有助于理解流程构建过程：

导入CAD

 

1）右键单击Geometry > 3D-CAD models > New。在3D-CAD界面中右键单击3D-CAD model 1> import > CAD model。浏览到自己的文件并将其导入。建议使用Parasolid文件（.x_t或.x_b），或者如果有CAD Exchanging license，也可以直接导入原始CAD文件格式。另外，也可以使用CAD clients，例如STAR-NX，直接关联到STAR-CCM+。

2）切换到左上角的Scene/plot选项卡，通常用作更改单个场景的快捷方式，也可以对激活的场景添加内容。右键单击Displayers > Newdisplayer > Geometry。单击Geometry 1，在左下角的属性窗口中激活Surface复选框，并把Representation（向下滚动）设置为Geometry。

3）展开Geometry 1，在Parts下添加计算域，将其显示在场景中。

然后调整车辆位置：返回屏幕左上角并切换到3D-CAD，按住Shift键选择所有的体，右键单击，选择Transform > Rotate。使其面向-x方向，向上是+z方向。需要分两个步骤来完成此操作。

4）在3D-CAD中按住Shift键选择所有的体，右键Transform > Translate。移动车辆，使车身落在地面的矩形平面内。使用标尺图标和透明显示图标（顶部工具栏）可以计算出移动车辆的距离。

5）调整场景视角直到可以看到底盘的底部。返回到左上角的Scene/plot选项卡，双击Geometry 1隐藏外场的Block区域。

选择右上角的选择过滤器并关闭除Faces之外的所有选项，防止意外地选中不需要的其他几何形式。

在按住Ctrl键的同时选择位于下层托盘底部的所有面，右键单击高亮显示的面，并将这些面重命名为Undertray bottom。

然后更改颜色模式以便区分底部的命名面，这样可以显示是否有遗漏的面。如果有漏选的面，选中并用同样的方式对其进行重命名，添加到同一个命名中。

 

创建散热器和风扇

 

6）介绍如何设置散热器和风扇。如果模拟中不打算包括这些部件，可以跳过此步骤，但需要删除模板sim文件中的散热器和风扇区域。如果要模拟散热器和风扇，建议事先创建CAD。如果要在STAR-CCM+中创建散热器和风扇并放置在风道内，建议风道的几何在导入的CAD中已创建（从风道一侧到另一侧的连续壁面）。

• 右键单击YZ global coordinateplane > Reference geometry > Plane by Transformation。

输入必要的值，使平面位于散热器所在的位置。可以用以下方法确定平面位置：回到场景，打开几何，帮助判断平面位置，在场景的属性窗口中激活并调整clip planes，可以隐藏切面某一侧的几何。也可以定位鼠标到某个位置，按住键盘上的点键(“.”)，在输出窗口中就可以显示出位置坐标，输入到上图的平面原点中，调整x和y值，使平面的局部坐标系位于散热器芯的中心，本例所用的坐标值为[-0.37m, 0.18m,1.15m]，单击OK创建平面。

• 右键单击此平面并创建草图，使用绘图工具创建散热器芯的矩形，单击OK。

• 右键单击新草图并拉伸，Body interaction设置为None，使新生成的拉伸体不与其他任何对象合并，且散热器芯不与周围的风道壁面相交。拉伸完成后，右键单击几何场景中相应的面，分别重命名为Radiator Upstream、Radiatorshroud和Radiatordownstream，新实体重命名为Radiator。

• 右键单击YZ global coordinateplane > Reference geometry > Plane by transformation。设置z值，使平面位于风扇出口所在的位置。如果需要，调整x和y值，使预览的平面局部坐标系位于风扇的中心。通常，散热器芯中心和风扇中心是对齐的，因此x,y坐标可以用散热器芯平面的坐标值，只改动z坐标值。完成后，单击OK。

• 右键单击新平面并创建草图，使用绘图工具创建风扇的圆，单击OK。

• 右键单击新草图，拉伸，将方法更改为Up to body，选择散热器作为目标实体，Direction type 设置为Reverse，Bodyinteraction改为Imprint，单击OK，将草图拉伸到散热器芯的表面。

然后在几何场景中分别选择相应的风扇面，右键，重命名为Fan downstream、Fanshroud和Radiatorto fan（两个面相接触）。接触面上有两个面，一个属于散热器芯，另一个属于风扇，都要做命名。最简单的方法是重命名一个面，右键隐藏，再命名另一个面。将新实体重命名为Fan。

• 右键单击为散热器芯和风扇创建的平面，选择Export coordinatesystem，在Tools > Coordinate Systems中会生成以这些平面中心为原点的局部坐标系，并与3D-CAD中的源草图平面相关联。把这些局部坐标系用在散热器和风扇域中，当源平面改变时可以实现自动更新。

 

创建Tags

 

7）退出3D-CAD，展开3D-CAD model 1，按住Shift键选择所有实体，右键选择New geometry part，OK。

8）转到仿真树中的Scenes节点，双击打开Geometry scene。转到左上角的Scene/plot选项卡，展开Geometry before surface wrap，将Parts设置为更新后的几何体，保留已选中的Domain part。

9）首先请注意，用屏幕右上角的选择过滤器图标可以控制选择对象。在标记特定曲面（如底盘顶面和底面、风扇下游面、散热器上游面等）时，需要先将选择过滤器设置为面（不会选中体）。如果要选择多组零件或面（如悬架），也可以用Zone selection工具进行框选。

仅激活面选择，在几何场景窗口中，按住Ctrl键单击组成中心体的所有面（主体结构等）。右键单击高亮的体，在弹出的菜单中选择Set tags > Existing> Center body > OK，右键隐藏这些面。

10）重复上述过程，完成下图所示的标记。要注意的是，翼型要按顺序标记，因为会影响到如何包面和划分网格。其中，Wing front 1是离地面最近的主翼，Wing front 2位于Wing front 1的上方。模板对大的翼型设置了大的网格尺寸，小翼型设置了稍小的网格尺寸。即使模板中的部分Tag没有包含几何面也可以运行，只是会在以后的步骤中产生空的边界。按照上述方法操作，当场景中隐藏了所有的面时停止，这表示所有面都已被命名。可以在场景的空白处右键选择Restore all hiddenparts，显示出所有的面。

文章来源：STARCCM Online