汽车尾流区域体网格细化方法

简介

在整车外流场仿真中，尤其需要关注尾流区域的物理效应。尾流处的边界层分离会形成高速度梯度的涡旋，涡流通过湍流破碎为更小尺度的涡并最终粘性耗散，因此沿流向会形成逆压力梯度，尽管涡流会卷吸周围流体补充耗散，但耗散率远大于补给，造成尾流区域持续的负压区。为准确解析此区域复杂的流动特性，必须使用更密的网格单元，从而为后续的气动优化提供可靠流场基础。然而，如果对尾流之外的区域使用过于密集的网格也会大大增加计算成本，因此有效定义需要加密的区域非常重要。

本文将介绍一种汽车尾流区域体网格细化的方法。当用户已经获得初步的计算结果时，可以在 META 中将尾流负压区以等值面的形式导出。然后将其导入 ANSA 中，基于此等值面设置网格细化区域。

在 META 中导出尾流区域的等值面

首先，在 META 中导入总压结果，如下图所示。

图1 Smart 小车外流场总压结果

在 Insert 菜单栏下，选择 ISOFUNCTION>Value（S）>Closed Lower，以创建一个封闭的等值面。

图2 META 中的等值面创建工具

在弹出的选项窗口中的 Value 栏键入 0，META 将基于计算域中和环境压力平衡的结果位置创建等值面。此封闭的等值面内包含完整的负压区域，即我们所关心的尾流区域。

图 3 新建等值面窗口

点击 OK 确认后，创建的尾流区域等值面如下图所示。

图4 尾流区域的等值面

等值面创建完毕后，我们可以导出此区域。在 META GUI 界面左侧的 Database 中双击 Iso Functions，将调出包含所有等值面的列表，在此列表中右键点击刚刚创建的等值面并在选项栏中选择 Export Geometry。

图5 通过 Database 导出等值面

在弹出的文件保存窗口中，设置相应的文件名及保存路径，并选择 .stl 为导出文件格式。点击 Save，等值面的几何文件就会被导出。

图6 将等值面导出为.stl 格式

在 ANSA 中使用 Size Field 进行网格细化

在 ANSA 中合并 Smart 小车的几何文件及刚刚导出的尾流区域等值面的文件，合并后的效果如图所示。

图7 合并 Smart 小车及尾流区域等值面的几何文件

为了控制尾流区域的网格尺寸，即实现该区域内网格加密，我们需要使用 Volume Mesh 菜单栏下的 CONTROL>Size Field 功能。

图8 Size Field 功能

在弹出的选项窗口中，点击 New Rule 并选择 Closed Surface，将新建一条基于封闭曲面的规则。

图9 Size Field 选项窗口

在新创建的规则中双击 Contents 栏，使用过滤器或通过手动选择的方式将尾流区域的等值面载入此规则中，如下图所示。点击 OK 进行确认。

图10 将尾流区域的等值面载入 Size Field 的规则中

接下来，双击 Parameters 栏，在弹出的选项窗口中设置最大面网格尺寸和最大体网格尺寸，此处均以 30 毫米为例。点击 OK 进行确认。

图11 设置尾流区域的网格尺寸

设置完网格尺寸，点击 Build，此条网格细化规则将会得到应用。

图12 应用 Size Field 的网格细化规则

同时，ANSA 会自动打开可视化功能，方便用户预览此区域的网格尺寸以便进行进一步修改，如图 13。在弹出的可视化窗口中（图 14），用户也可以通过滑动条调整 3 个方向上的截面位置。 检查完成后即可关闭可视化选项。

图13 Size Field 的可视化选项

图14 可视化窗口

接下来，为小车及计算域绘制面网格。打开 Batch Mesh 工具，新建面网格划分方案及相应会话，将属于计算域和车身表面的 PID 分别载入到对应的会话中，如图 15 所示。

图15 面网格划分方案

对于“Domain”设置 30-300 毫米的目标尺寸，对“Vehicle”则设置 5-30 毫米的目标尺寸。然后运行此面网格划分方案。

面网格划分完成后的效果如下（为方便查看，等值面已被隐藏），从图 16 中可以看到远离尾流区域的计算域的面网格尺寸约为 300 毫米，而被等值面包围的尾流区域的面网格尺寸则为 30 毫米，符合前面所设置的 Size Field 的网格细化规则。

图16 尾流区域及其他区域的面网格尺寸对比

接下来，继续对小车及计算域绘制边界层及体网格。使用 Batch Mesh 功能进行边界层网格和体网格的划分，如图17 & 图18 所示。

图17 边界层网格划分方案

图18 体网格划分方案

体网格划分完成后，沿 Y 轴方向隐藏部分单元来检查体网格，从图 19 中可以看到尾流区域的网格尺寸同样满足 Size Field 规则设置的尺寸，而不属于此区域的网格则遵从全局网格尺寸（300 毫米）。

图19 尾流区域及其他区域的体网格尺寸对比

总结

本文以 Smart 小车的外流场仿真为例，详细介绍了如何细化汽车尾流区域的体网格。关于利用 Size Field 功能进行 CFD 网格细化的更多介绍，可以参考另一篇文章——ANSA 中 CFD 网格细化策略之Size Field。

作者 | 李梓月 

BETA CAE 工程师