[科普中国]-虚拟风洞

简介

所谓虚拟风洞，就是利用虚拟现实技术，在计算机上建立一个基于虚拟环境、集 CFD 计算、可视化以及三维交互等功能于一体的风洞模型。这样，就可以在计算流体动力学(CFD)理论计算分析的基础上，模拟飞行器模型在风洞中的实际情况。采用这种方法，能够显著地节省试验费用，大大缩短设计周期，并提高设计的可靠性。

精确、稳健和可扩展的CFD求解器HyperWorks VWT的核心技术是Altair先进的计算流体动力学（CFD）求解器——AcuSolve。它是一款通用的、基于有限元技术的CFD求解器，因而在求解速度、可扩展性、精确性和稳健性方面有着独特的优势。

基于可靠的数学理论，AcuSolve可以高效地解决复杂和大规模的工业CFD问题。构架于共享和分布式内存系统并行计算，采用混合的并行技术，AcuSolve在基于非结构单元拓扑上提供快速和高效的瞬态和稳态分析结果，同时有着很好的并行加速比。

HyperWorks VWT 采用雷诺平均Navier-Stokes (RANS)和分离涡（DES）技术来模拟湍流，预测流场和流动分离。DES技术采用RANS方法模拟近壁边界层流动，而采用大涡模拟（LES）模拟车辆尾迹的分离流动。采用RANS方法进行稳态分析和DES方法进行瞬态模拟均可以得到精确的外流场计算结果。由于AcuSolve在时间推进上采用了一套非常高效和稳健的数值方法，瞬态分析的耗时较少，通常都在可接受的范围内。这使得分析人员有充分的时间来采用更贴合实际的、更精确的瞬态仿真，而不必由于考虑到时间成本而采用稳态仿真来求解车辆的流场。

作为通用的CFD求解器，AcuSolve提供了丰富的物理模型和功能，如气动弹性、气动声学仿真、刚体运动及流固耦合（FSI）来模拟整车或部件外流场性能，为汽车虚拟风洞仿真提供了真实、完整的建模环境。

先进的网格生成技术HyperWorks VWT内嵌了一套快速、高效并完全自动化非结构网格和边界层网格生成的技术。它包含了许多强大而灵活的表面网格和体网格生成工具，包括边界层传播技术、面网格和体网格拉伸技术、各向异性网格和边缘协调网格技术、混合网格拓扑、区域影响网格及用户自定义网格技术。汽车外流场分析（包括底盘、发动机舱和边界层）的体网格生成时间通常小于2小时。

HyperWorks VWT的自动非结构网格生成器对网格单元质量的要求不高。它可以有效处理由于网格完全自动化生成而出现的一些大展弦比及严重扭曲的单元。由于这一特点，很多其它求解器需要进行的网格优化过程可以省略，从而减小了网格生成的时间。

高度自动化和流程化的工作流程基于Altair solidThinking Inspire技术，HyperWorks虚拟风洞用户界面友好直观。它是一个一体化的操作环境，用户可以导入CAD几何模型（表面网格模型）、设置好求解问题、生成网格、提交计算，最后获得一个计算报告。

仿真过程是高度自动化的、只需要输入少量的用户参数，致使用户不容易犯错而影响仿真结果。另外的一些参数控制通过AcuSolve专用的前处理AcuConsole在后台自动完成，同时AcuConsole也是一个集成在HyperWorksVWT中的模块。

在HyperWorks VWT环境下提交任务到高性能计算机上十分容易，从而方便解决一些十分耗内存和计算资源的任务，如体网格生成、求解和后处理。

仿真完成后会自动生成定制的结果报告，包括问题的建立、网格信息及计算结果。另外，先进的CFD后处理器还允许用户能交互式或以批处理模式进行更复杂、更大数据的可视化工作。

虚拟飞行器风洞虚拟风洞是在数值风洞研究的基础上，将飞行器虚拟原型和数值风洞的计算结果有机地结合在一起，在桌面 VR 环境下建立虚拟飞行器风洞。虚拟飞行器风洞的硬件除了常规的计算机和外设外，主要添加的设备是 3D 图形加速卡、红外发生器和立体眼镜等。虚拟飞行器风洞的支撑平台是WorldToolKit，简称 WTK。WTK 的一个重要特征是硬件无关性，它可以在一系列图形平台上运行，这意味着开发工作可以在低成本的平台上进行，然后将软件移动到特定的较高性能的目标机上，使用何种主平台由应用需求决定。这也使虚拟飞行器风洞在 PC 机上实现成为可能。虚拟飞行器风洞系统包括模型建立、外流场的数值计算结果可视化、虚拟场景生成以及三维交互等三部分。2

与传统的三维流场可视化方法相比，虚拟飞行器风洞能更直观、更形象地动态观察飞行器不同方位的速度矢量分布情况，通过视点的控制，用户可以从任意位置、任意方向及视图观察虚拟风洞中出现的各种现象, 允许用户在虚拟风洞的场景中“漫游”，仿真模拟结果也为风洞试验和相关设备的研发提供了可靠的参考。虚拟飞行器风洞的研发为飞行器设计及飞行器空气动力学的研究提供了一种切实可行的方法，这种将地面风洞试验测量和虚拟风洞数值模拟相结合的方法在空气动力学领域将是一条很有潜力的途径。