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汽車數(shù)值風(fēng)洞的前世今生（下）

2018-02-26 11:54:40·  
　
引言本期蝸牛君希望可以分享一點(diǎn)工作心得，但是更多的只能是提出問題，希望可以達(dá)到拋磚引玉的效果。由于篇幅所限，本期仍然只針對(duì)氣動(dòng)力的CFD計(jì)算。援引Hucho先生的話，工程應(yīng)用上對(duì)CFD計(jì)算的終極要求包括兩個(gè)：（1）期望CFD仿真的量化結(jié)果，能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的水平，例如將風(fēng)阻變化ΔCD的最小值分辨到0.002。
引言
本期蝸牛君希望可以分享一點(diǎn)工作心得，但是更多的只能是提出問題，希望可以達(dá)到拋磚引玉的效果。由于篇幅所限，本期仍然只針對(duì)氣動(dòng)力的CFD計(jì)算。
援引Hucho先生的話，工程應(yīng)用上對(duì)CFD計(jì)算的終極要求包括兩個(gè)：
 
（1）期望CFD仿真的量化結(jié)果，能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的水平，例如將風(fēng)阻變化ΔCD的最小值分辨到0.002。
（2）CFD仿真所需要的計(jì)算時(shí)間，應(yīng)該同在風(fēng)洞試驗(yàn)中得到相同答案所用的時(shí)間相當(dāng)。
計(jì)算時(shí)間的問題，在很大程度上是由硬件資源決定的，不好量化；這里主要關(guān)注“計(jì)算精度”的問題。
Hucho先生在20年前的判斷是：對(duì)于當(dāng)時(shí)的CFD代碼而言，上面提到的限制（至少對(duì)于準(zhǔn)確性來說）太嚴(yán)苛了，并且在可以預(yù)見的未來也不能達(dá)到。
 
那么問題來了，20年后的今天，這個(gè)問題的答案是什么呢？
“計(jì)算精度”到底是個(gè)什么？
經(jīng)?？梢月牭剑衬耻浖?duì)風(fēng)阻系數(shù)的計(jì)算誤差是10%、5%甚至1%。
 
那么，數(shù)值風(fēng)洞“計(jì)算精度”的定義應(yīng)該是什么？
很多人通過風(fēng)阻系數(shù)的相對(duì)計(jì)算誤差來定義，也就是“（計(jì)算值-實(shí)驗(yàn)值）/實(shí)驗(yàn)值*100%”。
但在這個(gè)說法中，至少有兩個(gè)問題值得討論：
 
為什么基準(zhǔn)是“實(shí)驗(yàn)值”？
相信很多小伙伴都聽過這樣一個(gè)段子，“實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，除了實(shí)驗(yàn)工程師不信，所有人都信；CFD的結(jié)果，除了CFD工程師相信，所有人都不信”。
不得不面對(duì)各種質(zhì)疑、甚至蔑視的目光，這是CFD圈子里的“算命先生”們的苦惱”！
但是，實(shí)際上“實(shí)驗(yàn)”也是對(duì)真實(shí)情況的仿真，基準(zhǔn)值應(yīng)該是“真實(shí)值”或者“理論值”。只是這些我們不知道，迫不得已用實(shí)驗(yàn)值來代替而已。
隨著CFD技術(shù)的進(jìn)步，蝸牛君覺得應(yīng)該逐漸的將“實(shí)驗(yàn)值比計(jì)算值更接近真實(shí)值”這一潛臺(tái)詞拋棄掉。
將風(fēng)阻系數(shù)算準(zhǔn)，真的就能說明一切嗎？
 
從流場(chǎng)角度來看，汽車外形是非常復(fù)雜的。
 
以風(fēng)阻系數(shù)為例，不同位置的計(jì)算誤差累積后，“負(fù)負(fù)得正”的結(jié)果可能跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近。但是正確的風(fēng)阻系數(shù)計(jì)算值背后，可能是完全錯(cuò)誤的流場(chǎng)。
那么“計(jì)算精度”到底應(yīng)該怎么定義呢？
 
就風(fēng)阻系數(shù)這個(gè)值來說，CFD計(jì)算必須可以非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)整個(gè)車身表面的壓力和剪切力（包括淹沒在分離流動(dòng)之中的部分），因?yàn)闅鈩?dòng)力是通過積分表面上的壓力和剪切力得到的。所以風(fēng)阻系數(shù)的計(jì)算精度應(yīng)該是：CFD計(jì)算正確的預(yù)測(cè)整車外表面的壓力和剪切力的程度。
上面的這個(gè)定義太過于學(xué)術(shù)化，不方便應(yīng)用、也很難量化。
 
作為實(shí)用主義者，這個(gè)定義不符合蝸牛君的“審美”。
為了不淪為“正確的廢話”，我們需要對(duì)它進(jìn)行改造。
 
數(shù)值風(fēng)洞的計(jì)算精度，以正確的預(yù)測(cè)汽車外流場(chǎng)中的邊界層發(fā)展和氣流分離現(xiàn)象為中心；以正確的預(yù)測(cè)整車風(fēng)阻的絕對(duì)值和局部調(diào)整對(duì)風(fēng)阻的影響，為工程應(yīng)用的兩個(gè)基本點(diǎn)。
蝸牛君最后再啰嗦一句，這個(gè)說法是“正確性”對(duì)“實(shí)用性”的妥協(xié)，從學(xué)理上講并不完全準(zhǔn)確。
 
在上篇中，蝸牛君就提到，目前工程上應(yīng)用的汽車氣動(dòng)力計(jì)算方法主要是兩類，其區(qū)別主要是對(duì)湍流的計(jì)算方法不同：
1、雷諾平均方法（reynolds-averaged Navier-Stokes RANS）。這種方法用各種近似的湍流模型，來封閉方程組。這就是大家喜聞樂見的穩(wěn)態(tài)方法。
2、大渦模擬（large eddy simulation LES），這種方法求解大尺度的流動(dòng)、同時(shí)近似或者模擬小尺度的渦流運(yùn)動(dòng)，它可以被視為一種單點(diǎn)封閉方法和直接模擬方法的妥協(xié)。這就是高端、大氣、上檔次的瞬態(tài)方法。
 
這兩種方法的計(jì)算精度怎么樣呢？
 
關(guān)于工程應(yīng)用的“兩個(gè)基本點(diǎn)”，根據(jù)蝸牛君的經(jīng)驗(yàn)是：
1、計(jì)算整車風(fēng)阻的絕對(duì)值
一般情況下，穩(wěn)態(tài)方法計(jì)算的風(fēng)阻系數(shù)比風(fēng)洞試驗(yàn)低。偏低的程度跟車型有一定關(guān)系，三廂車低1-3%左右；兩廂車和SUV低5%左右；對(duì)于風(fēng)格更加硬朗的車型，比如越野車或者特別“方正”的單排座小車，可能低至10%左右。簡(jiǎn)單來說，穩(wěn)態(tài)方法計(jì)算的風(fēng)阻系數(shù)偏低，越接近流線型的車身偏低的幅度越小。
同風(fēng)洞試驗(yàn)相比，瞬態(tài)方法的計(jì)算結(jié)果沒有明顯的趨勢(shì)。其誤差在±3%以內(nèi)。
 
2、車身局部細(xì)節(jié)差異的影響
為了改善風(fēng)阻的單個(gè)優(yōu)化措施，大部分對(duì)整車風(fēng)阻系數(shù)的影響都在0.01以內(nèi)。一方面，這種幅度的差異，一般都處在整車風(fēng)阻的計(jì)算誤差之內(nèi)；另一方面，不同位置的變更對(duì)風(fēng)阻的影響機(jī)理不同。
 
因此，在這個(gè)問題上，蝸牛君也有一些混亂。
 
基本的結(jié)論是，現(xiàn)在“算命先生”們基本能正確的預(yù)測(cè)大部分設(shè)計(jì)變更對(duì)風(fēng)阻影響的“趨勢(shì)”；但是也存在“打臉”的風(fēng)險(xiǎn)。
比如增大發(fā)罩前緣的圓角這樣的優(yōu)化方式，主要是改善局部的小分離現(xiàn)象，這種分離是“王寶強(qiáng)”式的，而且優(yōu)化之后可以直接消除分離。此時(shí)，CFD計(jì)算一般都可以正確的預(yù)測(cè)。相似的情況，主要發(fā)生在B柱之前。
 
但是對(duì)于那些改善或者延遲“謝霆鋒”式的分離的優(yōu)化方案，比如汽車尾端分離點(diǎn)附近的變更，小伙伴們就要加倍小心了。它們主要集中在汽車后端。此時(shí)穩(wěn)妥的做法是，應(yīng)該先對(duì)CFD計(jì)算模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，再用來工程計(jì)算。
 
關(guān)于“一個(gè)中心”的問題，也就是現(xiàn)有的兩種方法能不能完全正確的預(yù)測(cè)邊界層發(fā)展和分離現(xiàn)象，蝸牛君就更混亂了，CFD修煉的功力不夠，不敢亂說。給大家舉個(gè)例子吧！
 
上篇中提到了，日本的汽車工程師們，在20世紀(jì)90年代進(jìn)行了DNS方法應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的嘗試。從理論上來看，他們應(yīng)用的方法存在嚴(yán)重缺陷；但是在很多案例中，計(jì)算得到的CD值卻可以很好的吻合于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
 
前輩們分析其原因是：
1、那些案例中，占主導(dǎo)的是“王寶強(qiáng)”式的分離現(xiàn)象。因此，對(duì)邊界層細(xì)節(jié)的仿真錯(cuò)誤，并不會(huì)影響計(jì)算的分離點(diǎn)位置。
2、無論計(jì)算得到的邊界層輪廓是怎樣的，完整的穿過邊界層的總體渦量同邊界層外側(cè)的自由流速度相等，因此正確的渦量被剝離到分離區(qū)的尾跡中。這兩個(gè)因素，減小了邊界層增長(zhǎng)對(duì)預(yù)測(cè)表面壓力的影響。
3、在汽車幾何形狀中，表面摩擦阻力只占總阻力的10-15%左右，剩余的都是壓差阻力。因此，如果由于邊界層求解不正確使得計(jì)算得到的表面摩擦阻力是錯(cuò)誤的，但它對(duì)整體風(fēng)阻的影響也不會(huì)非常大。
 
這些因素共同導(dǎo)致，這種方法預(yù)測(cè)的CD值，可以很好的同風(fēng)洞數(shù)據(jù)相吻合。
 
那么，現(xiàn)在的“算命先生”們，是怎么知道自己預(yù)測(cè)了正確的邊界層發(fā)展和氣流分離現(xiàn)象呢？即使你算的風(fēng)阻系數(shù)跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果一模一樣！暈了有木有？
要能夠做出這些判斷，需要非常豐富的CFD基礎(chǔ)理論知識(shí)。
 
CFD小伙伴們的真正價(jià)值
 
從18世紀(jì)末開始，前輩們就已經(jīng)嘗試著將空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用到汽車工程領(lǐng)域。但是，最早主要是某些技術(shù)“極客”的個(gè)人探索。
在19世紀(jì)初，整車廠逐漸認(rèn)識(shí)到風(fēng)阻的重要性，并開始開發(fā)一些“流線型”車，但最初也僅僅是基于從航空領(lǐng)域“借”來的經(jīng)驗(yàn)，甚至有些是出于主觀臆斷。
之后前輩們開始改造一些航空風(fēng)洞用于實(shí)驗(yàn)，并在上世紀(jì)七、八十年代開始集中的建設(shè)大型汽車專用風(fēng)洞?？梢哉f，在很長(zhǎng)的時(shí)間里，汽車空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)工作，是完全依靠理論分析和風(fēng)洞試驗(yàn)完成的。
 
但是在國(guó)內(nèi)，由于試驗(yàn)設(shè)備和開發(fā)水平的限制，自主車企僅僅在近幾年才開始進(jìn)行被稱為“土豪試驗(yàn)”的汽車風(fēng)洞試驗(yàn)?？梢哉f，很多國(guó)內(nèi)自主車企的CFD能力建設(shè)早于風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)芰Α?br />  
蝸牛君覺得，如果空氣動(dòng)力學(xué)性能不是開發(fā)的主要訴求，完全依靠經(jīng)驗(yàn)和CFD計(jì)算勉強(qiáng)可以開發(fā)一臺(tái)中規(guī)中矩的車。但是，如果希望有所突破，風(fēng)洞試驗(yàn)仍然是必不可少的。
 
如前文所述，單就精度而言，目前CFD計(jì)算的能力和風(fēng)洞試驗(yàn)還是有一定的差距的。然而，CFD的目標(biāo)，并不完全是替代風(fēng)洞試驗(yàn)。由風(fēng)洞試驗(yàn)提供的信息，很少能解釋問題的根本原因。而CFD仿真（如果它能正確的代表物理現(xiàn)象），可以提供這些信息。利用CFD技術(shù)和風(fēng)洞試驗(yàn)兩種技術(shù)之間的差異，使得它們各司其職，對(duì)于推動(dòng)高效的空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)工作是非常重要的。
 
結(jié)語(yǔ)
目前，CFD手段已經(jīng)成為汽車空氣動(dòng)力學(xué)開發(fā)過程必不可少的一部分。蝸牛君一直反感某些信誓旦旦忽悠的人，因?yàn)橛羞@樣一小撮人，不明真相的“吃瓜群眾”們，往往出現(xiàn)對(duì)CFD的“神化”或者“徹底懷疑”兩種極端傾向。通過這篇文章，蝸牛君希望可以還原一個(gè)真實(shí)的CFD。
 
作者簡(jiǎn)介
李濤 先生
中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)委員會(huì)委員，北京新能源汽車股份有限公司整車性能部整車CFD分析及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)主管工程師，負(fù)責(zé)項(xiàng)目開發(fā)過程中的整車CFD分析工作。
李濤先生自營(yíng)公眾號(hào)“路面車輛空氣動(dòng)力學(xué)”，自謙為“緩慢但堅(jiān)韌的蝸牛君——汽車空氣動(dòng)力學(xué)專業(yè)知識(shí)的搬運(yùn)工！”  
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