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基于Starccm+的某车型外气动特性DOE优化付强，赵婧，芦克龙，马金英，范士杰（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春，130011）摘要：本文以某三厢阶背式经济型轿车为研究对象，使用Starccm+计算软件，结合实验设计和优化理论，对某车型外气动特性进行DOE优化，使目标车型风阻系数降低6.5%。
关键词：外气动降阻优化，实验设计（DOE），CFD0 前言本文使用Starccm+仿真软件，结合实验设计和优化理论，对某经济型轿车开展基于参数化模型的外气动特性DOE优化，综合考虑空气动力学专业特有的耦合特性，解决以往降阻分析过程中仅对单参数进行优化而导致分析结果不全面的问题，以及因多参数优化工作量巨大而难以依靠人工完成的问题。
1 技术路线本文首先使用与优化目标车型具有相同造型特征的参数化模型进行降阻优化分析，通过改变目标参数来获得参数间最佳匹配关系，进而将优化结果反馈至目标车型上，指导目标车型进行降阻优化改进，最终获得最佳低风阻车身造型。
具有计算速度快，分析效率高，结果反馈及时迅速的特点，适合在总布置阶段及造型设计初期使用，可及时明确降阻目标，提供优化方向，使工作更加具有针对性。
本文研究工作建立在一个可实现对多参数、大样本量问题进行自动计算、全局寻优的优化计算平台的基础上，通过集成体网格变形文件Sculptor、流体计算软件Starccm+和优化软件 Isight，实现自动寻优计算。
本文的技术路线具体实现形式为：建立参数化模型→设置变形参数→选取试验设计方法→搭建DOE模型→全局变形计算→模型参数关系分析→自动寻优→最终优化方案确定→最佳参数组合验证→CAS模型验证。
2 参数化模型整车的总体参数匹配是影响整车风阻系数的关键因素之一，良好的参数匹配是低风阻车型的基础。
基于量化参数的思想，建立参数化模型，方便定量修改，基于空气动力学分析的目标与基本原理，确定简化模型需要符合以下原则：1.体现原造型方案的基本特征；2.为满足与实际车型符合度高、适于修改和方便计算的多方面需求，简化模型应多由平面构成，连接处为圆弧曲面；3.需保证简化模型与CAS模型的匹配关系，当简化模型向真实模型拓扑时，由简化模型计算得出的优化方案在CAS造型上使用可获得相应的降阻效果。
基于Star CCM+的船舶风阻数值计算研究杨春蕾，樊涛，吕烈彪（江南造船（集团）有限责任公司江南研究院，上海 201913）1.背景及意义随着绿色船舶设计理念逐渐深入，一些新的节能船型更多的体现了风阻优化，并取得了较好收益。
比如日本MOL（商船三井）的圆弓形设计以及集装箱船“挡风墙”设计，预期能够减少约2%的CO2排放。
在船舶实际运营时，整个航程相当一部分是迎风航行，且在风力等级较高的海况下船舶以服务航速航行时，克服风阻的油耗将显著上升。
在船舶初期设计阶段，如果设计者能够在平衡上建布局和成本的基础上考虑船舶风阻优化，将能够增加船型的科技含量，从而提升船型产品的竞争力。
2.实现方法依托Starccm+软件，对9400TEU集装箱船设计水线以上三维船体、居住区和烟囱风场绕流进行粘流数值模拟。
虽然风场粘性效应较小，但数值结果显示风阻摩擦成分仍然占约3-5%，且与粘性有关的风场涡旋引起的非定常压力也较显著，因此采用粘流RANS 求解器。
风场绕流尺度较大且雷诺数较在水中小，因此几何模型采用实尺度计算。
较航空领域高速可压缩风场不同，绕船风速仍然偏低，因此在不可压缩流中，选择船舶领域常用的K-E湍流模型。
为保持高效计算，风场流域计算所需离散网格控制在约150万以内，且在风场物理量变化梯度剧烈的区域进行加密，离散网格示意图如图1所示。
图1 网格3. 结果分析9400TEU 主尺度及计算工况如表1.Vwind (m/s)15.0图2 模型投影图计算结果见表1。
CFD 计算可以分别对上建及船体阻力进行监测，以15m/s 风速计算为例，居住区风阻约占总风阻的35%-45%，由此可知优化居住区对降低风阻非常显著。
由于风场绕流产生非定常涡旋，使得风阻力积分值在一定区间波动，波动区间约为均值的3%-10%。
纵向风力系数表达式为:2()0.5AA WR air XVFxC V A ρψ=其中Fx 为纵向风力，Axv 为船体横截面投影面积。
第一作者：张克鹏，男，年生，工程师，从事车辆气动与热管理工作。
1985动量方程为平均速度分量，、为坐标分量，—u x (+—(—x —x —x —u x进行整车外流场分析时，其模拟风洞要减小其阻塞效应，研究表明，只有低于的风洞试验结果，阻塞干扰产生的误差才不需要修正。
根据这一理论，计算域上部留倍车高，左右各倍车宽。
从车辆空气动力学研究经验来看，在汽车风洞试验过程中，汽车尾部有一个比较大的湍流区域，这个区域的流动非常紊乱，数值计算过程中，这个区域如果模拟得不好对结果会产生重大的影响。
所以车辆尾部一般设定倍车长的区域，鉴于厢式半挂列车总车长较长，此处选择倍车长区域，保证汽车湍流区域充分发1%6586湍流动能耗散率方程：式中，为流体密度，为因平均速度梯度引起的湍流动能；e ?=4.0G A —t (—x —x ——(—x —x —(——u x —u x 图１厢式半挂列车面网格模型图２厢式半挂列车体网格模型——u x（ａ）Ａ型（ｃ）Ａ型＋Ｂ型＋Ｃ型图７厢式半挂列车不同导流装置（ｂ）Ａ型＋Ｂ型（ｄ）Ａ型＋Ｂ型＋Ｃ型＋Ｄ型原型车ＣＦＤ计算结果分析该厢式半挂列车原型车模型中驾驶室与车厢距离为，没有驾驶室导流罩等辅助装置。
滞止，形成一个正压区。
1图３厢式半挂列车体网格模型（中心对称面处）图４边界条件示意图速度进口固壁无滑移壁面边界滑移壁面边界导流装置对气动阻力特性的改进通过上面分析，利用比较成熟的种导流装置，进行整车气动阻力特性的改进。
在驾驶室顶部加装顶导流罩，定义为型。
侧面加装侧导流板，定义为型。
在半挂列车车厢前端增加导流装置，定义为型；在车厢后部增加导流装置，定义为型。
厢4a.A B c.C d.D 图５原型车表面压力等值云图图６原型车速度等值线云图（中心对称面处）边界条件的设定厢式半挂列车外流场的数值模拟过程中，前端来流方向的端面为入口边界，设定入口边界为速度入口，流速，湍流强度为；出口边界为压力出口，出口压力为相对于大气v p =85km/h 1%=0Pa(驾驶室与车厢距离对气动性能影响在最佳导流装置组合基础上，研究厢式半挂列车驾驶室与车厢间距变化对气动阻力系数的影响。
飞行器气动性能的数值模拟与优化一、引言随着科技的不断进步，飞行器的设计与优化也变得日益重要。
其中，气动性能是决定飞行器飞行稳定性和效率的关键因素之一。
数值模拟与优化方法为研究和改善飞行器气动性能提供了有效的手段。
本文将介绍飞行器气动性能的数值模拟与优化方法，以及应用于不同类型飞行器的案例研究。
二、数值模拟方法数值模拟方法是通过计算流体力学（CFD）模型来模拟飞行器在空气中的流动情况。
常用的数值模拟方法包括有限体积法、有限元法和面元法等。
数值模拟方法的核心是在三维空间内离散化飞行器和周围空气的物理性质，然后通过求解流动方程来得出流动场的速度、压力和温度等参数。
常用的数值模拟软件包有FLUENT、STAR-CCM+和OpenFOAM等。
三、气动性能参数气动性能参数是量化飞行器的气动性能的指标，在数值模拟和优化中起着重要的作用。
常见的气动性能参数包括升力系数、阻力系数和升阻比等。
升力系数是描述飞行器升力产生能力的参数，是飞行器升力与空气密度和速度的比值。
阻力系数是描述阻力大小的参数，是飞行器阻力与空气密度和速度的比值。
升阻比是飞行器升力系数与阻力系数的比值，是评估飞行器气动性能的关键指标。
四、飞行器类型和案例研究飞行器的类型多种多样，每种类型的飞行器对气动性能的要求也不尽相同。
下面将以常见的直升机和飞行汽车为例，分别介绍数值模拟与优化方法的应用。
1. 直升机直升机是一种能够垂直起降的飞行器，其气动性能直接影响着飞行稳定性和操纵性能。
研究表明，使用数值模拟与优化方法可以改进直升机的升力产生能力和操纵性能，从而提高飞行稳定性和安全性。
其中，通过改变旋翼叶型和布局参数，优化旋翼桨叶的气动外形，可以减小阻力并提高升力系数。
此外，优化尾桨的设计可以减小尾推力和阻力，提高直升机的操纵响应和飞行效率。
2. 飞行汽车飞行汽车是结合了汽车和飞机的一种交通工具，其气动性能对于实现平稳的空中飞行和高效的地面行驶至关重要。
数值模拟与优化方法可以帮助改进飞行汽车的外形设计和飞行控制系统，从而提高速度性能和操纵性能。
高速列车气动外形的CFD计算与优化ＤｉｇｉｔａｌＤｅｓｉｇｎ数字化设计西迪阿特公司ｆ简称ＣＤＡＪ—ＣＨｌＮＡ）是计算流体动力学软件｛ＳＴＡＲ—ＣＣＭ＋）和优化软件（ｍｏｄｅＦＲｏＮＴＩＥＲ）亚太地区的独家代理商。
该文基于庞巴迪公司发表＂于２００８年ＣＤ－ａｄａｐｃｏＪｚ澜欧洲用户大会上利用这两款软件进行气动外形优化的成果，向大家介绍如何利用ＳＴＡＲ—ＣＣＭ＋和ｍｏｄｅＦＲＯＮＴＩＥＲ软件进行高速列车气动外形ＣＦＤ计算和优化的过程。
－＿＿｜Ｌ－一口同速列车气动外形的ＣＦＤ计算与优化口西迪阿特信息科技（上海）有限公司刘俊刘伟一、项目背景庞巴迪（Ｂｏｍｂａｒｄｉｅｒ）公司是加拿大的国际性交通运输设备制造公司，从支线飞机、公务机到完整的铁路、轨道交通运输设备、系统和服务等创新交通运输解决方案的制造方面，均居世界领导地位。
庞巴迪在产品设计过程中，广泛使用ＣＡＥ分析及优化工具来提高产品性能，基于计算流体动力学软件（ＳＴＡＲ—ＣＤ和ＳＴＡＲ－ＣＣＨ＋胙为流体开发工具，并应用优化软件（ｍｏｄｅＦＲＯＮＴＩＥＲ）作为优化平台。
鉴于庞巴迪公司在铁路行业已经与我国展开了广泛的合作，本文将高速列车ＣＦＤ分析和优化方面的内容介绍给大家。
高速列车外形设计是列车公司的重要课题，然而借助计算流体动力学软件（简称ＣＦＤ）进行分析和优化是最前沿的手段，有周期短、成本低的显著特点。
通过使用ＣＤ－ａｄａｐｃｏ公司开发的ＣＦＤ软件ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋以及意大＃ｌＪＥＳＴＥＣＯ公司开发的优化软件ｍｏｄｅＦＲＯＮＴＩＥＲ，庞巴迪公司对其设计的列车头型进行了ＣＦＤ分析和优化设计，并将研究成果发表于ＣＤ－ａｄａｐｃ０２００８年欧洲用户大会上，下面将向大家介绍此项目的流程与思路。
二、优化流程ｍｏｄｅＦＲＯ｝《ＴＩＥＲ作为一款专业的多学科多目标稳健性设计优化软件，具有强大的平台集成与整合能力，能够完备地集成包括ＣＡＤ、ＣＦＤ及ＦＥＡ等在内的各种成熟商业软件。
StarCCM+分析报告1. 简介本文档旨在介绍使用StarCCM+软件进行分析的过程和结果。
StarCCM+是一款流体力学软件，可以用于模拟和分析流体流动、传热和结构力学等问题。
2. 模型建立在进行分析之前，首先需要建立分析模型。
在本次分析中，我们以流体流动为例。
模型的建立包括以下几个步骤：2.1 几何建模首先，我们需要准备一个几何模型，用来描述待分析系统的形状和结构。
在StarCCM+中，可以通过导入CAD模型或者手动创建几何体来建立几何模型。
2.2 网格生成接下来，需要对几何模型进行网格划分，将其划分为无数个小单元，以便进行数值计算。
网格的划分需要考虑到流体流动的特性和分析的精度要求。
2.3 材料属性和边界条件设置在进行分析之前，还需要设置材料的物性参数和边界条件。
材料的物性参数可以通过实验或者文献数据获取，边界条件可以根据实际情况进行设置。
3. 数值计算完成模型的建立和设置之后，就可以进行数值计算了。
StarCCM+使用计算流体力学（CFD）方法进行数值计算，其基本原理是将流体流动问题转化为一组偏微分方程，并采用数值方法求解。
3.1 流场计算流场计算是流体流动分析的核心内容。
通过求解连续方程、动量方程和能量方程，可以得到流体流动的速度分布、压力分布和温度分布等信息。
3.2 结果后处理完成流场计算之后，还需要对结果进行后处理。
在StarCCM+中，可以对流场进行可视化处理，生成流线图、等温线图等用于分析和展示的图形结果。
4. 结果分析根据数值计算的结果，可以进行流体流动的分析和评估。
例如，可以计算流体的阻力、压降和换热效率等参数，评估系统的性能和优化设计。
5. 结论总结本次分析的结果和分析过程，提出改进和优化的建议。
同时，还可以指出分析中存在的不足和局限性，为后续的研究提供参考。
6. 参考文献列出本文档中引用的相关文献或者资料，供读者深入了解和参考。
以上是关于使用StarCCM+进行流体流动分析的简要介绍和分析报告。
2 二次开发过程2.1 二次开发背景Java是Sun公司推出的能够跨越多平台的、可移植性最高的一种面向对象的编程语言。
自面世以来，Java凭借其易学易用、功能强大的特点得到了广泛的应用。
其强大的跨平台也许是Java程序可以运行在大部分系统平台上。
随着Java技术的不断更新，在全球云计算和移动互联网的产业环境下，Java的显著优势和广阔前景将进一步呈现出来。
STAR-CCM+软件就是使用Java语言编写的一款软件，本文二次开发即是基于此项特征。
气道稳态仿真计算的操作步骤为，通过移动气门到不同升程，生成计算的几何模型（图1），使用Hyper-mesh软件生成面网格，然后导入STAR-CCM+软件进行计算模型、物理模型、计算体网格的操作，最后进行仿真计算。
为了更真实的模拟气道的性能，气道稳态仿真计算一般会计算8-10个升程，开发一个新的气道一般需要优化20轮次，因此工作量巨大，并且仿真优化周期较长。
图1 不同气门升程几何模型展示2.2 二次开发关键技术深度分析气道稳态计算的操作步骤可知，工作量的来源为气门升程的变化，计算的气门升程数量会让气道稳态计算的工作量呈几何增长，因此，二次开发需要突破的核心问题就是如何简化CFD工程师在气门升程变化上花费的时间与精力。
布尔运算是数字符号化的逻辑推演，通过对两个以上物体进行取并集（图2）、交集（图3）、差集（图4）的运算，从而得到新的物体形态。
气道稳态计算所涉及的气门升程变化可借鉴此逻辑推演。
图2 布尔并集图3 布尔交集图4 布尔差集2.3 二次开发程序代码实现发动机气道开发周期长（开发流程如图5所示），优化轮次多，CFD稳态分析是关键环节之一，气道稳态分析流程如图6所示。
目前工程师进行CFD稳态分析时，每一方案都需要计算多个升程，涉及到的计算操作步骤多，且重复性较大，其中前后处理占时长，效率低。
图5 发动机气道开发流程图 图6 发动机气道稳态CFD 分析流程图 本文针对此问题进行了深入研究，提出了通过软件二次开发实现发动机气道稳态CFD 分析自动化的研究思路，使用Java 语言编写源程序，源程序可实现气道稳态分析大部分前后处理操作步骤。
使用STAR-CCM+计算二维翼型气动性能Andrew MoaSTAR-CCM+是CD-adapco公司开发的通用CFD软件，采用先进的连续介质力学数值技术，支持非结构网格，集成了高效的CFD求解器及前、后处理单元。
STAR-CCM+支持导入复杂形状的几何数据，可进行表面修复，根据导入的几何自动生成高质量的非结构网格。
本文采用STAR-CCM+ 9.02.005 R8，以NACA 63(3)-218翼型为例，简单介绍使用STAR-CCM+进行二维翼型气动性能计算的一般步骤。
1、建立翼型几何在多数情况下，翼型的气动性能计算一般采用二维网格模型。
二维网格能够满足计算的需求，同时又不至于消耗过多的计算资源，一定程度上了提高计算的效率。
STAR-CCM+虽然支持对二维网格模型的求解，但不支持导入二维几何实体，也无法生成二维网格。
该软件可以导入二维网格，同时也提供了三维网格到二维网格的转换。
本文利用STAR-CCM+三维网格转换成二维网格的功能，先在STAR-CCM+中生成三维的翼型绕流网格，在将该三维网格转换成二维网格，最后利用二维网格进行求解。
A、生成翼型三维模型打开STAR-CCM+，软件界面如下：点击File->New Simulation，OK确认建立新的模拟器。
右键单击树状图中Geometry下的3D-CAD Models，选择New，在3D设计模式中建立三维翼型实体。
右键点击3D-CAD Model 1，选择Import->3D Curve，选择翼型数据文件。
必须确保翼型数据文件为以下形式：翼型数据应为.CSV格式文件，每行依次为各数据点的x、y、z三点坐标，中间以英文半角逗号分隔。
OK确认导入，生成的翼型曲线自动命名为3DCurve 1。
右键点击Features下的XY，选择Create Sketch，建立XY平面上的草图。
在草图中右键点击翼型曲线，此时选中的曲线变成品红色，在弹出菜单中选择Project to sketch，将3D曲线映射到草图中。
使用Create point在翼型尾缘（1,0,0）处放置一个点，右键单机该点，选择Apply Fixation Constraint，建立固定约束，使该点的位置不发生改变。
使用Create center-point circular arc建立翼型流场前段的圆弧，以新建立的固定点为圆心，使圆弧的两个端点与圆心同处于一条垂直线上。
利用Create line工具建立余下的线段。
如下所示：a a在线段上点击鼠标右键添加约束。
给两条垂直线段添加水平约束（Apply Horizontal Constraint）, 给两条垂直线段添加垂直约束（Apply Vertical Constraint）。
同时选中圆心点和垂直线段，右键点击Apply Distance Dimension添加尺寸，输入尺寸”20.0 m”；在圆弧上点击右键，选择Apply Radius Dimension添加圆弧半径尺寸，输入尺寸”10.0 m”。
OK退出草图。
生成的草图自动命名为Sketch 1，树状图中右键点击草图Sketch 1，选择Create Extrute，拉伸草图使之形成实体。
在Distance中输入”1.0m”，不要使用双向拉伸，确保有一个面在XY平面上，OK形成实体。
选择翼型壁面的表面，右键Rename将其命名为Wall。
a a将半圆表面和流场上下表面命名为Inlet。
将流场尾部的垂直表面命名为Outlet。
将翼型壁面的两条特征曲线命名为Airfoil Curves。
aa点击Close 3D-CAD 退出3D 设计模式。
B 、生成流场实体模型可以看到3D-CAD Model 下多出了3D-CAD Model 1，3D-CAD Model 1即为新生成的翼型流程几何模型，我们需要将它转换成实体模型。
右键单击3D-CAD Model 1，选择New Geometry Part ，在弹出的Part Creation Options 中将Coincidence Tolerance 设置为1.0E-8，Tessellation Density 设置为Very Fine ，OK 确认生成的实体。
此时新生成的实体模型显示为Parts 下的Body 1，命名的特征曲面和特征线也显示在模型树中。
点击工具栏上的Create/Open Senses->Geometry 建立新的几何场景，可以查看实体模型。
C 、指定网格参数在模型树中的Operations 上点击右键，选择New->Automated Mesh ，在Create Automated Mesh Operation 窗口中选择Body 1 Parts ，在Select Meshers 中选择Surface Remesher 、Automatic Surface Repair 、Polyhedral Mesher （多面体网格）、Prism Layer Mesher （棱柱层网格），OK 确认退出。
在Operations 下可以看到新生成的Automated Mesh 。
将Meshers 下的Surface Remesher 的Minimum face quality 改为0.1；将Automatic Surface Repair 的Minimum Face Quality 同样改为0.1；将Polyhedral Mesher 的Optimization Cycles 改为3，Quality Threshold 改为0.7。
在Default Controls 下，将Surface Growth Rate 的参数改为1.1。
右键单击Custom Control ，选择New->Curve Controls 。
Curve Controls 的Part Curves 选择Body 1的Airfoil Curves 特征曲线。
将Controls 下的TargetSurfacea aSize和Minimum Surface Size均改为Specify Custom Value，在Values中将Target Surface Size和Minimum Surface Siz的Size type均改为Absolute，Target Surface Size的Value改为0.001m，Minimum Surface Siz的Value改为0.0005m。
2、生成翼型流场网格A、指定流场区域右键点击Parts中的Body 1，选择Assign Parts to Region，在弹出窗口中选择Body 1 Parts，选择Create a Region for Each Part、Create a Boundary for Each Part Surface，Apply确认，Close退出。
在Regions下可以查看新生成的流场区域。
将Regions中Body 1的Inlet边界设置为Velocity Inlet边界类型，Outlet边界设置为Pressure Outlet边界类型，Default和Wall保持默认为Wall边界类型。
先保存模拟器，再生成网格，否则程序无法进行网格生成操作。
B、生成三维网格点击工具栏上的Generate V olume Mesh，或则右键单击Automated Mesh选择Execute，程序自动生成网格。
有条件的话，建议打开MPI（并行计算），程序调用多个CPU核心进行计算，加快网格生成的速度。
Output窗口中可以查看网Representations->V olume Mesh，可以查看生成的三维网格。
翼型壁面加密情况：C、网格转换在删除Scenes下的所有的场景，点击菜单栏的Mesh->Convert to 2D，在弹出的Convert Regions To 2D中选择Body 1 Parts，选中Delete 3D Regions After Conversion，将Tolerance设置为1.0E-8，OK确认。
此时的Regions下Body 1被删除，取而代之的是Body 1 2D。
点击工具栏上的Create/Open Senses->Geometry 建立新的几何场景，点击工具栏的Show All Mesh查看新生成的二维网格。
壁面处加密情况：点击模型树中Representations 下的V olume Mesh ，可以查看网格信息。
D 、导出二维网格 导出二维网格，可以在其它的模拟器中使用生成的网格。
点击File->Export ，Export 选项选择Mesh Only ，将Regions 和Boundaries 的所有项选中，选择导出的网格文件类型和文件名。
3、设置求解器A 、选择物理模型网格转换后，在树状图中Continua 下可以看到多出了Parts Meshes 、Physicsa a1和Physics 1 2D，其中Parts Meshes是网格模型，Physics 1和Physics 1 2D是物理模型。
Physics 1是三维网格的物理模型，这里不需要它，将其删除；Physics 1 2D是二维网格的物理模型，右键单击Physics 1 2D，选择Select models，选择二维网格的物理模型。
在弹出的选择窗口中依次选择如下模型：选择物理模型之后，树状图中Physics 1 2D变成激活状态。
将物理模型中气体状态参数（Air->Material Properties）的密度（Density）改为1.225kg/m3，动力粘度（Dynamic Viscosity）改为1.7894E-5Pa·s。
在物理模型中设置初始状态（Initial Conditions）可以减少迭代次数，加快计算收敛速度。
将Turbulence Specification设置为Intensity+Length Scale，Turbulence Intensity设置为0.01（1.0%），Turbulence Length Scale设置为0.07m。
湍流长度尺寸L=0.07D，D为湍流充分发展管道的水力直径。
B、设置边界参数将Inlet边界Physics Conditions的Flow Direction Specification更改为Method，Turbulence Specification设置为Intensity+Length Scale；Physics Value中Flow Direction设置来流方向为”0.9962,0.0872,0”（攻角为5°），Turbulence Intensity设置为0.01，Turbulence Length Scale设置为0.07m，Velocity Magnitude设置为22.0m/s。
