1     前言

随着国内汽车厂商越来越多的从逆向设计过程转向正向设计过程，CFD仿真在汽车的研发、设计过程中起到越来越重要的作用。一方面，整车的外气动性能，直接影响了汽车的油耗，受到非常多的关注；另一方面随着发动机升功率不断提高，前段散热器的散热量需求大幅增加，而汽车机舱内部结构布置空间却越来越紧凑，从而对发动机舱的散热性能提出了更高的要求。因此，整车风阻系数的降低和发动机舱热管理在整车项目开发中占据越来越重要的位置。

由于整车涉及到几千甚至上万的零部件，结构复杂[图1]，因此，在进行整车的外气动、发动机舱热管理仿真分析时，通常需要花费数周、乃至数月的时间，模拟效率不高。如何提高模拟整车效率CFD分析人员一个重要的课题。

图1 整车零部件示意图

本文介绍一个全新的整车CFD模拟工具——STAR-CCM+ VSim程序包，使用该工具，整车CFD仿真工程师可以大大提高工作效率。本文将从STAR-CCM+ VSim功能、运行架构等方面来介绍该工具。

图2 STAR-CCM+ VSim汽车外气动运行结果 

2     STAR-CCM+ VSim功能介绍

VSim是 Vehicle Simulation（车辆仿真）的英文缩写，是我们对常规汽车外气动、发动机舱热管理模拟过程的命名。

1) VSim程序包用于自动化执行整车CFD仿真流程：从CAD文件，自动执行CFD仿真流程的每一步，直至生成PPT格式的结果报告。

2) VSim程序包是数年来我们的汽车行业模拟专家的经验积累，以及数年来所编写的每一步模拟流程宏命令的集成。

3) VSim程序包以STAR-CCM+嵌入式(plug-in)方式运行，具有GUI界面[图3]，方便用户的使用。

图3 STAR-CCM+ VSim用户界面

STAR-CCM+ VSim程序包自动化的执行内容包括：

1)   几何模型的分组、归类，目的用于后续仿真中的不同网格参数、边界条件设置；

2)   生成风洞几何模型；

3)   网格模型、参数设置；

4)   风扇模型设置；

5)   车轮旋转设置；

6)   换热器设置，包括单流体换热器和双流体换热器模型；

7)   基于尾涡的自动网格加密；

8)   体源加密设置；

9)   自动生成PPT格式的报告。

STAR-CCM+ VSim程序包免费提供给西门子STAR-CCM+的正式客户，目前已经有大量客户使用VSim实现汽车外气动和热管理仿真流程自动化，提高他们的生产力。同时，用户也可以基于此创建一些新的宏文件添加到分析流程中以满足特定的工作流需求。

3     STAR-CCM+ VSim工作流程

STAR-CCM+ VSim程序包在整车外气动、发动机舱热管理CFD模拟中，自动化执行从CAD到报告的完整分析流程。

1）使用Excel电子数据表来完全定义模拟参数。

2）CAD数据文件保存在一个文件夹中。

3）自动进行模拟流程的网格划分、运行、后处理过程。

4）结果生成一个PPT格式的报告。

图4 VSim模拟流程图 

STAR-CCM+ VSim程序包工作流程：

1)   准备工作目录：在工作目录下，包含

a)   一个Excel电子表格，电子表格中定义模拟所需要的参数。

b)   名为“CAD”的文件夹，文件夹中包含整车模型。

图5 工作目录文件结构

2)   通过VSim的GUI界面选择相应的操作并执行。可以执行部分操作，比如前处理，或者整个模拟流程。

图6 VSim中选择前处理操作

 3)   计算完成后，自动输出PPT格式的报告。报告内容可以在Excel中定义。

图7 VSim运行输出报告

图8 VSim运行输出报告-总压系数等值面图

 4    STAR-CCM+ VSim输入表格

Excel电子表格控制着STAR-CCM+ VSim模拟流程的整个参数。使用Excel表格来定义参数的好处是显而易见的：一方面众多参数集中定义，可以更加清晰明了，不会遗漏；更为重要的是，Excel表格中定义的参数可以固化用户整车模拟中的最佳实践参数，这样即使对于新工程师来说，也可以得到满足要求的计算精度。因此，熟练使用Excel表格对于VSim的成功运行是至关重要的。

Excel电子表格下游多个工作表，用于定义不同的功能，比如：

1）分组定义GroupDefinitions

2）表面过滤器SurfaceFilters

3）网格参数Meshing

4）坐标系CoordinateSystems

5）热交换器HX

6）旋转域SpinRegions

7）后处理PostProcessing

 4.1 主工作表

第一个工作表是主工作表，该页红的内容是VSim需要被重写的变量，这些变量值将会覆盖VSim的默认参数定义。

主工作表中的定义为变量名+变量值的方式。第一列为变量名，第二列为响应的变量值。变量定义的顺序无关紧要。

在主工作表中，你可以定义：

           1）进口边界条件

        2）通用网格参数

        3）包面参数设置

        4）其他域，比如换热器、旋转域

        5）求解控制参数

图9  主工作表 

4.2  分组（GroupDefinitions）工作表

该工作表用于零部件组的定义，是为网格生成和物理模型建立做准备的。通过字符串过滤器完成分组，过滤器的功能有：

 1) FilterString:包含的字符串

 2) StartWith: 首字符串

 3)Exception:不包含的字符串

图10  分组工作表

4.3  分组网格参数（Group Settings）工作表

该工作表用于设置每一个组的网格参数，包括最小/最大网格尺寸、边界层参数、网格尺寸过度方式。

图11  分组网格参数工作表

4.4 体源加密（VolumeSource）工作表

该工作表用于定义体源加密。

•    方向

0 – 各向同性加密

1 – 只有 X 向加密

2 – 只有 Y向加密

3 – 只有 Z向加密

4 – 尾部加密设置

•      RangeID

用来进行体加密的区域，与工作表Surface Range相对应。

•      Size

加密区域的网格目标尺寸

图12  体源加密工作表

4.5  换热器工作表

该工作表用于定义换热器的参数输入，支持单流体模型和双流体模型。定义内容包括：

1) 几何模型ID

2)流动阻力参数

3)换热参数

4)双流体流动、换热参数

图13  换热器工作表

4.6 后处理工作表

该工作表用于定义后处理的定义。内容包括：

1)力、力系数、温度等监测数据

2)切面视图

3)表面视图

4)等值面云图

5)视角定义、场函数定义、标尺范围定义

图14  后处理工作表

 5   STAR-CCM+ VSim未来发展

从STAR-CCM+ v12.04版本开发，西门子PL部门发布官方支持的VSim程序包，进行持续的开发，以更好的满足整车CFD仿真工程师在汽车外气动、发动机舱热管理模拟的需要。VSim程序包的未来开发将会：

1)随着STAR-CCM+版本的更新，进行官方发布，并带有bug修复和新功能。

2)不断改进GUI界面。

3)添加新功能，比如后处理体渲染、固体导热等模型。

随着西门子PL部门对于STAR-CCM+ VSim程序包的持续开发，未来将会满足客户对于汽车模拟更多、更高级功能的需求。

来源：西莫电机论坛

作者： 范俊磊