减少阻力创造更美好的世界

任超，上汽大众产品工程/预开发项目负责人，上海，中国

整车阻力敏感性及优化区域选择(1);侧镜，2。3、一根柱子;气坝，4后灯)。

汽车设计师努力提高油耗和电池容量，但并不是所有的改进都来自调整引擎和更大的电池。为减少阻力而设计的车身改进也会有所帮助。上海上汽大众(SAIC Volkswagen)的工程师正在使用Ansys流利伴随求解器改进车辆设计更快，更有效。

当涉及到汽车行驶里程时，越多越好。无论你开的是传统的内燃机车还是纯电动汽车，一箱汽油或一个充满电的电池能跑得越远越好——对你的钱包和环境都是如此。世界各地的汽车公司都知道这一点，并据此进行设计。

一条既能提高行驶里程又能降低温室气体排放的途径是针对机械解决方案——例如更高效的发动机和子部件。虽然有可能提高内燃机的效率，但发挥作用的基本技术已经有一个世纪的历史了，而且相当完善。提高效率是可能的，但很难实现。更好的电动汽车电池设计可能会在这一领域提供更高的效率，但同样，改进可能依赖于难以实现的机械和化学突破。

“如果我们能优化车辆周围的气流，并通过设计上的细微改进减少阻力，我们就能提高行驶里程和燃油效率。”

另一条提高行驶里程性能的途径是减少车辆的阻力，这是采用全球统一轻型车辆测试程序(WLPT)的结果之一。如果设计上的细微改进可以优化车辆周围的气流，那么行驶里程和燃油效率就可以提高，而无需完全依赖于化学和机械方面的突破。

这正是上汽大众在Ansys Fluent伴随求解器的帮助下所做的。

在Ansys Fluent伴随求解器中选择变形盒进行分析

伴随仿真并非新事物，它只是汽车领域的新事物

使用计算机模拟来改进汽车车身设计并不新鲜，但其他模拟方法有明显的局限性。参数化模拟、实验设计(DOE)等方法很有价值，但它们是高度计算密集型的，并且可能需要很长时间才能产生结果。例如，在DOE方法中，每个参数变量的组合都被一个接一个地模拟，直到所有可能的组合都被用尽。如果您正在处理多个变量，那么计算的数量可能会变得巨大，并且可能需要数天才能完成所有模拟并确定哪种组合可以达到预期的结果。同样值得注意的是，作为设计模拟的工程师，您需要了解要建模的组件是如何工作的，并定义相关参数——这意味着由于没有正确地参数化，您可能会错过一些优化机会。

伴随法仿真始于20世纪70年代的航空航天界，直到最近才进入汽车制造业仿真。事实证明，这是一种更有效的方法来解决涉及形状和减少阻力的挑战。例如，设置伴随模拟不需要像使用DOE方法那样定义参数。您定义特定的目标，伴随方法修改网格本身以在指定的制造约束条件下实现所述的目标。与DOE方法相比，伴随方法涉及自由形状优化，只需很少的模拟即可实现优化设计。它也可以通过变形现有的网格来工作，所以没有必要为不同的设计重新创建网格。因此，达到优化结果所需的计算资源和时间通常比其他方法低几个数量级。

网格变形结果与模拟流场。图形顶部的轮廓分别从侧面和顶部呈现镜像形状。

从模拟工具中获得更多的里程

一个很好的例子是:上汽大众最近使用Ansys Fluent Adjoint Solver来探索如何减少现有大众SUV的阻力。工程师们使用Fluent来深入了解特定阻力敏感区域，然后专注于寻找在几个特定区域减少阻力的方法。

其中一个目标包括SUV的侧镜。上汽大众工程师从ANSA(他们的预处理软件)生成表面网格，然后将其导入Fluent网格生成体网格。然后，他们使用Ansys Fluent伴随求解器进行模拟，以优化反射镜的主体，以实现最低的阻力系数(Cd)。使用具有512核和64 GB内存的多节点计算集群，Fluent模拟需要3到4个小时，并提供了可以产生最低Cd的设计变更的清晰见解。相比之下，如果使用DOE方法在类似的集群上尝试相同的模拟，则可能需要2到3天才能完成模拟。

在几个小时而不是几天内运行优化模拟的能力具有重要的影响。在设计时间表内，只有那么多的时间来提出改进汽车空气动力学的建议。如果工程师可以使用Ansys Fluent Adjoint Solver在数小时而不是数天内解决优化挑战，他们就可以在分配的时间内执行更多的模拟来寻找解决方案。这开辟了广泛的可能性。如果设计师不喜欢改变所带来的美学效果，他们可能会将其他设计变化与他们喜欢的美学效果结合起来——并且，在使用伴随模拟方法获得的时间内，可以在新设计上运行另一组拖动优化模拟，看看效果如何。

或者，这段时间可以用来寻找其他可以减少阻力以提高效率的区域。除了对后视镜进行阻力优化分析外，上汽大众工程师还使用Ansys Fluent伴随求解器对SUV上的气坝、前挡风玻璃柱和尾灯组件进行了分析。Ansys Fluent Adjoint Solver不仅在指定的时间内完成了所有这些分析，而且该工具还使工程师能够在所有区域确定可测量的减阻机会。

在Ansys Fluent伴随求解器中比较原始和优化的A柱轮廓

不只是热空气

总之，Ansys Fluent Adjoint Solver确定的优化机会可以通过减少阻力来帮助提高SUV的燃油效率。上汽大众的工程师将Fluent与最新的通用K-Omega (GEKO)模型一起进行稳态计算，并使用高精度的瞬态应力混合涡流模拟(SBES)模型进行验证，因此工程人员确信Fluent提供的解决方案在这些模型所创建的条件下是最优的。总体而言，Fluent Adjoint Solver提出的优化预测在稳定流动模拟中Cd降低了10倍，在瞬态流动模拟中Cd降低了8倍。

尽管如此，这些发现的准确性还有待验证，这就需要在同济大学的上海汽车风洞中心(SAWTC)为一辆全尺寸的汽车配备优化版本的组件，然后进行一次旋转。经过风洞的测试，很快就发现Fluent Adjoint Solver预测的Cd减少量与风洞本身测量的Cd减少量符合得很好。

建设美好未来

Ansys Fluent Adjoint Solver与SAWTC中获得的实际结果之间的良好一致性是否会消除对汽车进行昂贵风洞测试的需求?不完全是。风洞测试提供了最终的结论，但知道Fluent与现实世界之间的良好一致性，让工程师们相信Fluent伴随求解器的结果将达到目标。通过使用伴随方法进行模拟所获得的时间可以用于在相同的时间内对车辆的更多元素进行更多的模拟，而以前只需要进行少量的模拟。

最终，结果是一辆更好的汽车，更有效地利用资源，更低的排放和更远的里程。这不仅对上汽大众有利。这对每个人都有好处。