减少阻力，让世界更美好

任超，项目负责人，产品工程/前期开发，上海，中国

整车阻力灵敏度及优化区域选择(1;侧视镜，2。一根柱子，3根。空气坝，4个后视灯)。

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优化发动机和更大的电池。为减少阻力而设计的车身优化也有帮助。上海上汽大众(SAIC Volkswagen)的工程师正在使用万博Ansys流利伴随求解器，以改进车辆设计更快，更有效。

说到汽车练习场，多多益善。无论你开的是传统的内燃机车还是全电动汽车，一箱汽油或充满电能跑得越远，对你的钱包和环境都越有利。世界各地的汽车公司都知道这一点，并相应地进行设计。

机械解决方案是降低温室气体排放的有效途径之一，例如，更高效的发动机和子部件。虽然内燃机有可能提高效率，但其中的基础技术已经有一个世纪的历史，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方面带来更高的效率，但是，这方面的改进可能取决于较难实现的机械和化学突破。

“如果我们能够优化车辆周围的气流，并通过细微的设计改进来减少阻力，我们就可以提高行驶里程和燃油效率。”

通过采用全球统一轻型车辆测试程序(WLPT)，可以获得更好的行驶里程性能的另一条途径是降低车辆的阻力。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得到提高，而不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 Adjoint Solver的帮助下所做的事情。万博

在Ansys Fluent伴随求解器中选择用于分析的变形盒万博

伴随模拟不是新事物，它只是汽车领域的新事物

使用计算机模拟来改进车身设计并不新鲜，但其他模拟方法有明显的局限性。参数模拟、实验设计(DOE)等方法是有价值的，但它们是高度计算密集型的，可能需要很长时间才能产生结果。例如，在DOE方法中，参数变量的每个组合都被一个一个地模拟，直到用尽所有可能的组合。如果您要处理多个变量，那么计算的数量可能会变得巨大，可能需要花费数天时间来完成所有的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，您需要了解正在建模的组件是如何工作的，并定义相关参数——这意味着您可能会因为没有正确地参数化而错过优化机会。

伴随仿真方法始于20世纪70年代的航空领域，直到最近才进入汽车制造仿真领域。事实证明，这是解决涉及形状和减少阻力的挑战的更有效的方法。例如，设置伴随模拟不需要像使用DOE方法那样定义参数。您定义了特定的目标，而伴随的方法修改网格本身，以在指定的制造约束条件下实现指定的目标。与DOE方法相比，伴随方法涉及自由形状优化，只需很少的模拟就能实现优化设计。它还通过变形现有的网格工作，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。图顶部的轮廓分别从侧面和顶部显示了镜子的形状。

从仿真工具获得更多里程

一个恰当的例子是:上汽大众最近使用Ansys Fluent Adjoint Solver来探索万博减少现有量产大众SUV阻力的方法。工程师们使用Fluent来深入了解阻力敏感的区域，然后专注于在几个特定区域寻找减少阻力的方法。

其中一个目标包括SUV的后视镜。上汽大众工程师通过ANSA(他们的预处理软件)生成表面网格，然后将其导入Fluent网格中生成体网格。然后，他们使用Ansys Fluent伴随求解器进行模拟，以优化万博镜子的主体，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的设计更改的清晰洞察。相比之下，如果在使用DOE方法的类似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。

在数小时而不是数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，只有有限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万博伴随求解器在几个小时而不是几天内解决一个优化挑战，他们可以在分配的时间内执行更多的模拟来寻找解决方案。这带来了很多可能性。如果设计人员不喜欢这些变化所涉及的美学，他们可能会将其他设计更改与他们喜欢的美学结合在一起——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，以查看其表现如何。

或者，时间可以用来寻找其他可以减少阻力以提高效率的领域。除了分析后视镜进行阻力优化外，上汽大众工程师还使用Ansys Fluent Adjoint Solver分析了SUV上的空气坝、前挡风玻璃支柱和尾灯组件。万博Ansys Fluent伴万博随求解器不仅可以在分配的输入时间窗口内完成所有这些分析，而且该工具还使工程师能够在所有区域识别可测量的阻力减少机会。

在Ansys Fluent伴随求解器中比较原始和优化的A柱轮廓万博

不只是空话

总之，Ansys Fluent伴随求解器识别出的优化机会可以通过减少阻力来明显提高SUV的燃油效率。万博上汽大众工程师使用Fluent和最新的广义K-Omega (GEKO)模型进行稳态计算，并使用高精度瞬态应力混合涡模拟(SBES)模型进行验证，因此工程师们相信，在这些模型所创造的条件下，Fluent提出的解决方案是最优的。总的来说，根据Fluent伴随求解器的优化建议，在稳态流动模拟中Cd减少了10倍，在瞬态流动模拟中Cd减少了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)为一辆全尺寸汽车配备优化版本的部件，然后驾驶它试驾。到风洞的旅行很快就显示了流畅伴随求解器预测的Cd减少与风洞本身测量的Cd减少之间的良好一致性。

建设更美好的未来

Ansys Fluent伴随求解器与SAWTC中获得的真实万博结果之间的良好一致性是否消除了将汽车通过昂贵的风洞测试的需要?不完全是。风洞测试提供了最后的结论，但知道Fluent和现实世界之间有很好的一致性，让工程师有信心，Fluent伴随求解器的结果将达到目标。通过使用伴随模拟方法获得的时间可以用于在相同的时间内运行更多的模拟，对车辆的更多元素，而以前只需要运行几个模拟。

最终的结果是制造出更好的汽车，更有效地利用资源，更低的排放和更远的行驶里程。这不仅对上汽大众有利。这对每个人都有好处。