赛车车轮旋转+车身转向复杂运动快速低成本求解

2025-02-08

  DIMAXER革命性高解析度工业软件

DIMAXER革命性高解析度工业软件

  赛车仿真面临的挑战:

  • 赛车在高速行驶时,周围的空气流动非常复杂,涉及湍流、边界层分离、涡旋脱落等现象。传统的数值方法如RANS在处理瞬态流动时可能不够精确,而传统大涡模拟(LES)或直接数值模拟(DNS)计算成本太高。
  • 赛车结构复杂精细,前翼、尾翼、底板、扩散器等部件之间气流相互影响,对网格生成要求极高。
  • 边界条件的设定也是一个难点。赛车在赛道上运动,涉及到旋转的轮胎与地面之间的相对运动,还有散热器的进气口和排气口的模拟,这些动态边界条件如何准确建模,可能会影响结果的准确性。

  秩益科技自主开发的高解析度工业仿真软件DIMAXER采用高阶通量重构离散方法,时空解耦一体显式推进、CPU/GPU异构加速相较于传统商业软件在同等仿真精度更低算力成本、同等算力成本更高仿真精度的显著优势。

  对于赛车仿真,DIMAXER软件具有以下优势:

  1.IBM功能,基于网格的高质量的特性实现快速大涡模拟以验证流场结构(8GPU即可实现3.5亿求解点赛车整车计算, 完成1个车长流动周期<24h)。

  2.使用PreciseMesh方法,在较少网格数量的情况下,通过高阶格式实现精细的表面细节捕捉。

  3.简单易用的复合运动绑定模式,还原复杂的刚体运动轨迹。

  4.实现真实轮胎运动(旋转、转向及倾、束角变化),同时支持复杂轮胎胎面与地面动态切割ContactPatch。

  本算例基于DIMAXER软件动静态混合ibm方法对赛车模型的轮胎转向复合运动进行快速大涡模拟,针对ibm壁面解析力、动态ibm轮胎穿透计算域地面边界等进行仿真分析,同时也对流场及常用的气动力指标进行了计算。

  前处理-网格

  采用F1 2016(Perrinn)模型,使用DIMAXER软件Hypermesh功能将几何进行清理为数个单连通曲面,模型共7个部件:

  1. 车身&底板+前翼+尾翼+悬架杆系集成为1个部件

  2. 车轮 x 4

  3. 前轮通风导管 x 2

采用F1 2016(Perrinn)模型

  模型细节较多且结构跨尺度,需要大量加密区来捕捉几何细节并加密部件尾迹区域,对于典型流动位置,如端板/Y250位置/底板边缘/扩散器kinkline这些位置及其下游也进行了加密:

F1 2016(Perrinn)模型

  新一代高阶IBM几何识别Precise算法,

  自动、灵活的网格加密,低成本解析多尺度特征

前 翼

  前 翼

后悬挂及尾翼

  后悬挂及尾翼

轮 胎

  轮 胎

  将单侧转向加密区域镜像为双侧:

单侧转向加密区域镜像为双侧

  计算设置

  考虑到有限的计算时间,各部件运动方案如下:

  1. 车轮旋转:

  车速=144kph=40m/s,对应车轮转速=1186.25rpm;观测时间为0.001s,轮辐运动为7.12deg/帧,10辐轮毂辐板间隔的一半为18deg。

  2. 前轮转向:

  计算开始0.1s车轮开始向右转向,考虑简单阿克曼角影响,在0.4s内左前轮及其制动通风罩壳匀速转过10deg,右前轮及其制动通风罩壳匀速转过6deg,后保持该角度继续计算0.05s。

  采用不可压求解器,地面不绘制边界层网格,但指定其切向壁面速度为40m/s;xmin设置为速度入口,其余各边界均设为压力出口。

  计算资源

  3.5亿求解点

  计算资源采用8GPU

  完成1个车长流动周期计算时长<24h

  计算结果

  1:高效、低成本的高解析度实时流场

  轮胎复合运动效果

前翼-前轮区域Z200截面速度云图

前翼-前轮区域Z200截面总压系数云图

轮胎表面Cp云图

  2:带有纹理的轮胎模型测试

  为展示dynibm对于带有纹理的真实几何的还原以及对于纹理与地面接触问题的解决能力,使用带有表面纹理的雨胎几何进行计算,下右侧图为固体区域ibm壁面:

固体区域ibm壁面固体区域ibm壁面

  流体域采用与生成固体相同的加密设置但取消precise网格,动态ibm解析出的壁面会出现明显层纹,solver5328如下左图所示,solver5504如下右图所示,侧面层纹有所改善:

solver5328solver5504

  带有表面纹理轮胎旋转效果的后处理,X截面速度卷积云图

  可以看到:地面接触位置的ibm裁剪表现得很稳定。

  此外,轮胎侧部壁面存在凹痕,轮胎纹理及地面间的部分流体区域需要进一步去除。DIMAXER软件Dynibm对于赛车轮胎滚动和地面间挤压形成的tire jets有比较好的捕捉能力(下图中counterrotating的两个结构),这种压力主导的流动现象很适合使用Dynibm进行快速计算:

counterrotating的两个结构

  https://www.racecar-engineering.com/articles/wheel-aerodynamics-the-flow-deflector-explained/

counterrotating结构

  3:轮胎下游流场分辨率 & 输出平均结果

  增加了轮胎下游及地面附近的分辨率,用于更好地捕捉流动细节:

轮胎下游 x+0.5R截面

  轮胎下游 x+0.5R截面,增加尾迹分辨率

  在0.1s内平均的流场上输出了总压截面,相比瞬时结果流场细节被平均,但tirejet区域更具有可读性:

 0.2-0.3s内平均

  0.2-0.3s内平均

0.3s时刻结果

 

  0.3s时刻结果

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