全新体验的Fluent Meshing | 在汽车外气动和热管理中的应用

对于一名CFD分析工程师来说，要想获得高精度的分析结果就意味着需要花费较多的时间和精力来进行几何模型清理和网格准备工作，Ansys通过持续改善产品功能，助力分析流程加速。目前Ansys旗下针对通用流体分析的网格生成工具主要有：ICEM CFD、Workbench Meshing、Fluent Meshing (FM)、SpaceClaim Interactive Meshing (SCIM)这四大类：

Fluent Meshing的前身是鼎鼎大名的TGrid，它是一个非常强大的非结构网格生成工具，但由于交互方式和用户体验等原因，一直没有得到广泛的应用。尽管如此，由于其强大的网格生成和优化能力，国内还是有一些忠实的用户在最关键的体网格生成环节选用TGrid来保证体网格的质量和生成效率。为了让TGrid的强大网格生成功能被更加广泛的行业客户采用，Ansys从R14.5版本开始推出了Fluent Meshing，并在后续版本中持续改善工作流程和交互方式。

为了让各行各业的广大用户更全面深入地了解Fluent Meshing全新体验，Ansys将推出一系列针对Fluent Meshing在不同行业的具体应用案例，旨在通过这一系列工业产品全方位的网格生成解决方案的展示，让大家切身体验到Fluent Meshing所带来的超强能力和价值。本文作为该系列专题内容的开篇，将详细介绍Fluent Meshing在汽车整车空气动力学和热管理分析中的应用。

汽车整车空气动力学和热管理性能是汽车设计和研发过程中的一个必经验证环节，也是风噪、涉水过程分析的基础。虽然从流动和传热过程类型看，汽车空气动力学和热管理性能评估属于传统的外部绕流流动和传热分析，但也具有鲜明的行业特点和分析流程。因此，要保证分析的可靠性，必须在前处理过程中基于分析需求进行针对性处理。

综合看来，想要完成一个高精度的整车空气动力学和热管理性能评估任务，前处理过程中也会面临诸多难点，一款优秀的前处理工具需要对这些难点提供针对性解决方案，帮助用户各个击破。

一般来说，汽车一般由发动机、底盘、车身、电气设备等四个基础部分组成，这四大系统又可以细化分为若干子系统，一般车型的零部件数量都在上万个以上，一个工程化的整车分析几何模型文件一般都达数GB，显而易见，这就对前处理工具的稳定性能和网格划分效率提出更加苛刻的要求。

整车主要系统部件

汽车是装配关系高度复杂的工业产品，零部件众多，供应链体系庞大。不同零部件在创建CAD模型时有不同的要求和方法，这就导致整车装配几何模型存在较多的间隙和缺陷，这会给后续的面网格生成带来巨大的障碍，常规的基于几何表面细化的面网格生成算**面临低效甚至失败的风险；此外由于主机厂车型保密原因，很难提供可以直接修改的CAD文件，更多厂商都倾向于使用不体现建模历史的刻面数据来进行模型输入。这就直接决定了整车外流场和热管理分析必要的工作流程和工具的选择，当前阶段很多厂商都会在刻面数据的基础上进行面网格的修复和优化然后进行后续的体网格生成。

汽车零部件之间的几何尺度从几百毫米到几毫米不等，在进行外流场分析时，必须能够精确区分出这些细节特征，而不造成网格数量的激增，这对前处理工具的稳健性和算法提出了更高的要求。

在整车的外气动和热管理分析中，除了常规的车身、底盘、空气动力学套件等部件，整车前端冷却组件中的散热器、冷凝器、中冷器、油冷器等部件都会对整车的风阻特性和热管理性能产生较大的影响，一般在分析中需要使用多孔介质模型或者Heat Exchanger 集总参数模型模拟前端冷却组件的气动阻力和液侧气侧的换热特性。在前处理流程中需要对这些部件使用等效实体网格进行近似。并与外部空气流动区域进行有效的连接。

Heat Exchanger等效模型

即使在高效的图形工作站上，一套合理的网格生成时间都以数小时计，分析人员为了提高工作效率，往往会借助于脚本，批处理工具让网格划分流程在后台自动执行，这就对前处理流程的执行效率和交互方式提出了更高的要求；另外，对于一个整车气动分析设计人员来说，尾部扰流板、底部扩散器、前唇、侧裙、气坝、主动格栅等空气动力学套件是提高风阻特性常用的挖潜选项，但很多时候优化并不是单一目标的优化，必须结合其他专业需求例如车身造型、冷却性能等进行通盘考虑，这就要考察不同组合形式中的最优解。因此，设计初期必然会有大量工况和部件组合方式的验证分析，从而对前处理工具的执行效率提出了更高的要求。

FTM集成了数值风洞自动创建、多种尾流加密区域自定义等关键节点，用户可以方便地在流程中进行定义和后续修改。

车身外形自适应尾流加密区域（纵向）-3层

车身外形自适应尾流加密区域（横向）-1层

采用导入CAD模型（CAD Assembly）、几何对象（Geometry Object）、网格对象（Mesh Object）三个类别的对象类型管理导入数据，几何对象基于CAD模型进行编组和取舍，网格对象则用于处理规则的表面网格，例如MRF交界面，HX表面等，这样就方便进行部件的替换和修改，而不影响后续的设置过程。

对于短时间内无法人工修复的表面，FTM提供了基于Shrink-wrap技术的封闭表面网格生成技术，可以自动将破洞面积小于所设置的泄露探测阈值的孔隙自动填充，随后再进行整体面网格重构，最终构建封闭的面网格。包面是借助于背景笛卡尔网格与导入CAD模型的相交关系识别几何表面，并进行泄露封堵的技术。

1. 原始几何模型

2. 背景笛卡尔网格

3. 泄露填充后封闭的面网格

         

         

         

         

       

       

       

         

         

         

         

左 右 滑 动

包面执行过程原理：1-2-3

除了车身外部的空气流动区域，如果需要封闭整车模型中其他零部件的外表面，例如发动机，变速器等，FTM还提供了灵活的基于内部包面和外部包面的定义方式来处理多个封闭区域的面网格抽取问题。

     

←

外部包面

(Outer Wrap)

     

内部包面

(Inner Wrap)

→

     

     

对于前端冷却组件中需要使用等效模型的部件，FTM流程可以通过选取多孔介质区域的4个角点来自动生成规则的内部实体网格，并在流程执行完成后可以完成交界面区域的自动配对。

FTM多孔介质区域定义

前端冷却组件附近体网格

Fluent Meshing支持体网格并行划分，可以充分利用计算资源提升网格生成效率。下图是一个卡车模型包含90个对象，在16个物理核心的平台上只需要39分钟即可以完成29.4M 的Hex-core网格的生成。

计算区域体网格

并行网格划分效率

在FTM流程中定义的所有参数、对象和区域选取都会自动记录并跟随网格文件一起保存，在设计输入或参数更改时，只用右键选择“Update“即可完成流程的自动执行和更新。用户也可以选择将划分流程创建为自定义模板进行发布，这样就保证了网格划分流程的标准化，尤其是尾流加密区域的定义、尺寸函数的定义等关键设置节点的一致性。

FTM执行界面

在上述的前处理流程完成后，可以直接切换到求解器环境中，执行后续的整车外气动、热管理以及其他方向的仿真分析。

整车外气动分析 

排气系统散热分析

汽车涉水分析

综上所述，全新体验的Fluent meshing凭借其强大的非结构化网格生成能力，可对汽车整车空气动力学和热管理分析在前处理过程的特定需求提供支持，通过采用更易于自动执行和设置的流程化网格生成模块：Fault-tolerant mesh (FTM)，配合稳健和高效的Fluent 求解器，实现在统一界面环境下完成整车空气动力学和热管理分析。