【流体仿真】具有空气动力学反馈的2D汽车轮廓的交互设计

      汽车造型的设计需要在审美和性能之间取得微妙的平衡。虽然流体模拟提供了评估给定形状的空气动力学性能的手段，但它的计算成本阻碍了它在设计的早期探索阶段的使用，在这个阶段，美学是决定的。交互式系统可帮助设计师创建空气动力学汽车轮廓。

       系统依赖于一个神经代理模型来预测汽车形状周围的流体流动，一旦设计师绘制出汽车轮廓，就为他们提供流体可视化和形状优化反 馈。与之前专注于时间平均流体流动的工作相比，描述了如何在从多个预计算模拟中提取的瞬时、同步观测数据上训练我们的模型，这样我们就可以对动态流动特征(如涡流)进行可视化和优化。

       系统将汽车的外形(a)作为输入，并预测汽车周围的流场(b)。在汽车的潜在空间中进行形状优化，以建议如何改善外形的气动性能(c)，这里通过减少11%的阻力，流体流动可视化和形状优化的计算都在毫秒内完成，从而实现了交互式工作流程，设计师可以在绘制汽车轮廓和评估其性能之间进行迭代。

(a)汽车简介

(c)形状优化

      将汽车轮廓作为输入，代理编码器模型来计算该轮廓的低维潜在描达符，将其与我们想要预测流体流动特性的点的空间坐标x一起提供给代理模型。我们的代理模型预测被查询点的压力和速度。还训练我们的模型来预测该点到形状轮廓的距离d。将这些量用于各种应用。为了可视化，沿着粒子沿速度场平流的轨达查询代理模型，以显示流线。

      对于形状优化，查询代理模型来预测汽车周围的压力和距离场，从中推导出阻力系数。还可以查询汽车后面的代理模型来检测和衰减速度场中的涡流。由于整个计算是可微的，因此可以使用梯度下降法在潜在空间中以小步行走，从而改善部面的气动性能。

潜在空间的可视化。这个潜在空间捕获了训练集中汽车轮廓的分布（左）。沿着这个空间行走会产生汽车形状之间的平滑插值。

交互式工作流程。系统预测在这个输入的汽车轮廓后面存在涡流(a)。用户可以指出涡流应该减弱的区域(b)，经过形状优化后，感兴趣区域的涡流减少了30%(c)。

(a)输入廓形和预测流量

(b)用户选择感兴趣的区域

(c)减弱涡度的优化剖面

形状优化可能会在潜在空间的相关区域之外传播，产生不再像汽车的轮廓(b)，通过让用户迭代优化，直到在空气动力学改进和形状保存之间找到适当的权衡，来缓解这个问题。

专注于2D汽车轮廓避免了生成大型3D模拟训练集的成本，但也帮助我们确定了关键成分，从而为空气动力学设计任务提供实时反馈和建议。