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汽车数值风洞的前世今生（下）
2018-02-26 11:54:40·
引言本期蜗牛君希望可以分享一点工作心得，但是更多的只能是提出问题，希望可以达到抛砖引玉的效果。由于篇幅所限，本期仍然只针对气动力的CFD计算。援引Hucho先生的话，工程应用上对CFD计算的终极要求包括两个：（1）期望CFD仿真的量化结果，能够达到标准的风洞实验的水平，例如将风阻变化ΔCD的最小值分辨到0.002。
引言
本期蜗牛君希望可以分享一点工作心得，但是更多的只能是提出问题，希望可以达到抛砖引玉的效果。由于篇幅所限，本期仍然只针对气动力的CFD计算。
援引Hucho先生的话，工程应用上对CFD计算的终极要求包括两个：
（1）期望CFD仿真的量化结果，能够达到标准的风洞实验的水平，例如将风阻变化ΔCD的最小值分辨到0.002。
（2）CFD仿真所需要的计算时间，应该同在风洞试验中得到相同答案所用的时间相当。
计算时间的问题，在很大程度上是由硬件资源决定的，不好量化；这里主要关注“计算精度”的问题。
Hucho先生在20年前的判断是：对于当时的CFD代码而言，上面提到的限制（至少对于准确性来说）太严苛了，并且在可以预见的未来也不能达到。
那么问题来了，20年后的今天，这个问题的答案是什么呢？
“计算精度”到底是个什么？
经常可以听到，某某软件对风阻系数的计算误差是10%、5%甚至1%。
那么，数值风洞“计算精度”的定义应该是什么？
很多人通过风阻系数的相对计算误差来定义，也就是“（计算值-实验值）/实验值*100%”。
但在这个说法中，至少有两个问题值得讨论：
为什么基准是“实验值”？
相信很多小伙伴都听过这样一个段子，“实验的结果，除了实验工程师不信，所有人都信；CFD的结果，除了CFD工程师相信，所有人都不信”。
不得不面对各种质疑、甚至蔑视的目光，这是CFD圈子里的“算命先生”们的苦恼”！
但是，实际上“实验”也是对真实情况的仿真，基准值应该是“真实值”或者“理论值”。只是这些我们不知道，迫不得已用实验值来代替而已。
随着CFD技术的进步，蜗牛君觉得应该逐渐的将“实验值比计算值更接近真实值”这一潜台词抛弃掉。
将风阻系数算准，真的就能说明一切吗？
从流场角度来看，汽车外形是非常复杂的。
以风阻系数为例，不同位置的计算误差累积后，“负负得正”的结果可能跟实验结果非常接近。但是正确的风阻系数计算值背后，可能是完全错误的流场。
那么“计算精度”到底应该怎么定义呢？
就风阻系数这个值来说，CFD计算必须可以非常准确的预测整个车身表面的压力和剪切力（包括淹没在分离流动之中的部分），因为气动力是通过积分表面上的压力和剪切力得到的。所以风阻系数的计算精度应该是：CFD计算正确的预测整车外表面的压力和剪切力的程度。
上面的这个定义太过于学术化，不方便应用、也很难量化。
作为实用主义者，这个定义不符合蜗牛君的“审美”。
为了不沦为“正确的废话”，我们需要对它进行改造。
数值风洞的计算精度，以正确的预测汽车外流场中的边界层发展和气流分离现象为中心；以正确的预测整车风阻的绝对值和局部调整对风阻的影响，为工程应用的两个基本点。
蜗牛君最后再啰嗦一句，这个说法是“正确性”对“实用性”的妥协，从学理上讲并不完全准确。
在上篇中，蜗牛君就提到，目前工程上应用的汽车气动力计算方法主要是两类，其区别主要是对湍流的计算方法不同：
1、雷诺平均方法（reynolds-averaged Navier-Stokes RANS）。这种方法用各种近似的湍流模型，来封闭方程组。这就是大家喜闻乐见的稳态方法。
2、大涡模拟（large eddy simulation LES），这种方法求解大尺度的流动、同时近似或者模拟小尺度的涡流运动，它可以被视为一种单点封闭方法和直接模拟方法的妥协。这就是高端、大气、上档次的瞬态方法。
这两种方法的计算精度怎么样呢？
关于工程应用的“两个基本点”，根据蜗牛君的经验是：
1、计算整车风阻的绝对值
一般情况下，稳态方法计算的风阻系数比风洞试验低。偏低的程度跟车型有一定关系，三厢车低1-3%左右；两厢车和SUV低5%左右；对于风格更加硬朗的车型，比如越野车或者特别“方正”的单排座小车，可能低至10%左右。简单来说，稳态方法计算的风阻系数偏低，越接近流线型的车身偏低的幅度越小。
同风洞试验相比，瞬态方法的计算结果没有明显的趋势。其误差在±3%以内。
2、车身局部细节差异的影响
为了改善风阻的单个优化措施，大部分对整车风阻系数的影响都在0.01以内。一方面，这种幅度的差异，一般都处在整车风阻的计算误差之内；另一方面，不同位置的变更对风阻的影响机理不同。
因此，在这个问题上，蜗牛君也有一些混乱。
基本的结论是，现在“算命先生”们基本能正确的预测大部分设计变更对风阻影响的“趋势”；但是也存在“打脸”的风险。
比如增大发罩前缘的圆角这样的优化方式，主要是改善局部的小分离现象，这种分离是“王宝强”式的，而且优化之后可以直接消除分离。此时，CFD计算一般都可以正确的预测。相似的情况，主要发生在B柱之前。
但是对于那些改善或者延迟“谢霆锋”式的分离的优化方案，比如汽车尾端分离点附近的变更，小伙伴们就要加倍小心了。它们主要集中在汽车后端。此时稳妥的做法是，应该先对CFD计算模型进行实验标定，再用来工程计算。
关于“一个中心”的问题，也就是现有的两种方法能不能完全正确的预测边界层发展和分离现象，蜗牛君就更混乱了，CFD修炼的功力不够，不敢乱说。给大家举个例子吧！
上篇中提到了，日本的汽车工程师们，在20世纪90年代进行了DNS方法应用于汽车领域的尝试。从理论上来看，他们应用的方法存在严重缺陷；但是在很多案例中，计算得到的CD值却可以很好的吻合于实验结果。
前辈们分析其原因是：
1、那些案例中，占主导的是“王宝强”式的分离现象。因此，对边界层细节的仿真错误，并不会影响计算的分离点位置。
2、无论计算得到的边界层轮廓是怎样的，完整的穿过边界层的总体涡量同边界层外侧的自由流速度相等，因此正确的涡量被剥离到分离区的尾迹中。这两个因素，减小了边界层增长对预测表面压力的影响。
3、在汽车几何形状中，表面摩擦阻力只占总阻力的10-15%左右，剩余的都是压差阻力。因此，如果由于边界层求解不正确使得计算得到的表面摩擦阻力是错误的，但它对整体风阻的影响也不会非常大。
这些因素共同导致，这种方法预测的CD值，可以很好的同风洞数据相吻合。
那么，现在的“算命先生”们，是怎么知道自己预测了正确的边界层发展和气流分离现象呢？即使你算的风阻系数跟实验结果一模一样！晕了有木有？
要能够做出这些判断，需要非常丰富的CFD基础理论知识。
CFD小伙伴们的真正价值
从18世纪末开始，前辈们就已经尝试着将空气动力学应用到汽车工程领域。但是，最早主要是某些技术“极客”的个人探索。
在19世纪初，整车厂逐渐认识到风阻的重要性，并开始开发一些“流线型”车，但最初也仅仅是基于从航空领域“借”来的经验，甚至有些是出于主观臆断。
之后前辈们开始改造一些航空风洞用于实验，并在上世纪七、八十年代开始集中的建设大型汽车专用风洞。可以说，在很长的时间里，汽车空气动力学开发工作，是完全依靠理论分析和风洞试验完成的。
但是在国内，由于试验设备和开发水平的限制，自主车企仅仅在近几年才开始进行被称为“土豪试验”的汽车风洞试验。可以说，很多国内自主车企的CFD能力建设早于风洞试验能力。
蜗牛君觉得，如果空气动力学性能不是开发的主要诉求，完全依靠经验和CFD计算勉强可以开发一台中规中矩的车。但是，如果希望有所突破，风洞试验仍然是必不可少的。
如前文所述，单就精度而言，目前CFD计算的能力和风洞试验还是有一定的差距的。然而，CFD的目标，并不完全是替代风洞试验。由风洞试验提供的信息，很少能解释问题的根本原因。而CFD仿真（如果它能正确的代表物理现象），可以提供这些信息。利用CFD技术和风洞试验两种技术之间的差异，使得它们各司其职，对于推动高效的空气动力学开发工作是非常重要的。
结语
目前，CFD手段已经成为汽车空气动力学开发过程必不可少的一部分。蜗牛君一直反感某些信誓旦旦忽悠的人，因为有这样一小撮人，不明真相的“吃瓜群众”们，往往出现对CFD的“神化”或者“彻底怀疑”两种极端倾向。通过这篇文章，蜗牛君希望可以还原一个真实的CFD。
作者简介
李涛 先生
中国汽车工程学会汽车空气动力学分会委员会委员，北京新能源汽车股份有限公司整车性能部整车CFD分析及风洞实验主管工程师，负责项目开发过程中的整车CFD分析工作。
李涛先生自营公众号“路面车辆空气动力学”，自谦为“缓慢但坚韧的蜗牛君——汽车空气动力学专业知识的搬运工！” - 下一篇：风洞的前辈是谁？
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