使用 Ansys Discovery 探索外部空气动力学

通过探索绊线的作用，使用最新版本的 Ansys Discovery 及其新功能来评估空气动力学性能。

 

挑战

空气动力学是研究气体（尤其是空气）如何与运动中的固体物体相互作用的学科。它在各种工程领域发挥着关键作用，影响着车辆、建筑和工业系统的设计和性能。空气动力学中的关键力之一是阻力，即物体在流体中移动所承受的阻力。阻力来自物体周围的摩擦和压力差，直接影响其速度、效率和能耗。在许多行业中，最大限度地减少阻力对于提高性能和降低运营成本至关重要。受益于低阻力的行业包括：

• 汽车。电动汽车、高性能跑车。
• 航空航天。飞机、无人机。
• 可再生能源。风力涡轮机叶片、太阳能电池板空气动力学。
• 海洋工程.船只、潜艇。

 

为了减少阻力，工程师使用了流体控制技术 [1]，例如简化形状、添加涡流发生器、使用 riblet 和应用边界层吸力。另一种有效的方法是绊线，这是放置在表面上的一个小突起，用于触发从层流到湍流的早期过渡。虽然湍流通常会增加阻力，但位置良好的绊线可以帮助延迟流动分离，减少球体、圆柱体和翼型等钝体上的压力阻力。

 

工程解决方案

工程师使用分析、实验和数值技术研究了绊线的影响，以了解它们对流动特性和减阻的影响。

• 分析模型依靠边界层理论和经验相关性来预测绊线如何影响从层流到湍流的转变。这些模型有助于估计临界雷诺数以及由此产生的阻力和压力分布的变化。虽然分析方法提供了有价值的初步见解，但对于复杂的几何形状和流动条件，其准确性受到限制。
   
• 为了验证和改进这些模型，研究人员使用风洞、水道和压力传感器进行实验研究，以测量绊线周围的流动特性。粒子图像测速 （PIV） 和热线风速测量等技术可以对速度场和湍流进行详细的可视化和量化。
   
• 作为对这些实验的补充，使用计算流体动力学 （CFD） 的数值仿真通过求解各种绊线配置的 Navier-Stokes 方程来提供更深入的见解。CFD 研究可帮助工程师分析不同的绊线尺寸、位置和工作条件，从而为航空航天、汽车和工业系统中的应用提供优化设计。

Ansys 提供了一系列经过验证的 Discovery 2025 R1 案例，这些案例可以在帮助手册中找到。其中之一是 Ahmed 体阻力系数仿真。下图显示了使用 Explore （探索） 模式的结果，结果很好。在下一节中，介绍了使用 2025 R1 的外部空气动力学流的另一种应用。

 

方法

案例研究：球体上的绊线效应

Son 等人在 2011 年进行的部分实验 [2] 已在 Ansys Discovery 中进行了数值复制。通常，建议使用 Refine 模式以获得更准确的结果，但在此演示中，结果是在 Explore 模式下获得的，以展示 2025 R1 版本的新功能。此功能是指增强的力监视器，现在除了压力外，还包括粘性剪切力，这是阻力的性质 （参见 [3] 中的第 7 章）。因此，阻力系数 （CD） 由下式给出：

 

一些几何细节如下：

• 球体直径，D = 150 mm
• 绊线直径和位置，d = 2毫米&q = 距停滞点50°
• 风洞，横截面积 （L1）：600 毫米 x 600 毫米 （堵塞率：4.9%）
• 流体：空气（密度 = 1.16 kg/m3、粘度 = 1.832x10-5Pa.s）
• 雷诺数，Re = 5x104 (速度 = 5.24 米/秒)

 

在求解过程中，可以在 Explore Mode 中以 3D 视图或通过切割平面可视化网格。默认情况下，网格在入口和出口部分包括细化，以提高精度。为了确保精确的结果，应用了表面细化，球体表面的局部保真度为 0.4 mm，绊线的局部保真度为 0.1 mm。模拟是使用以最高容量工作的 NVIDIA T1000 8GB GPU 执行的。

 

结果

下图比较了有绊线和没有绊线的球体上的流动。正如预期的那样，绊线延迟了流动分离，减少了低压尾流，从而减少了压力阻力。从实验中确定的阻力系数（见 [1] 中的图 4）d/D = 1.33x10-2和 Re = 5x104 为 0.42。验证是根据 Drag force 计算实现的。监控器在 Explore Mode （探索模式） 中报告的值为 0.118 N。然后，使用此结果，计算数字阻力系数如下：

 

 

Ansys 解决方案的优势

Ansys Discovery 是一款交互式仿真工具，集成了 3D 建模、设计和实时分析，可简化工程工作流程。它将直接建模技术与即时物理仿真相结合，使用户能够修改设计、优化拓扑并高效探索多种变化。它支持结构、流体、热和电磁仿真，为数据驱动的决策提供快速洞察。

该平台分三个阶段运行：用于直观几何创建的模型，用于实时分析和快速迭代的探索，以及使用Ansys Fluent和Mechanical进行高保真仿真的优化。Ansys Discovery 专为效率和创新而设计，可帮助工程师应对复杂挑战并提高设计性能。下面列出了一些主要功能：

• 参数研究。参数扫描使工程师能够同时评估多个设计选项，从而揭示不同配置之间的权衡。通过分析几何结构或物理场变化如何影响结果，可以优化设计以获得最佳解决方案。在 Ansys Discovery 中，此过程是自动化的，允许高效修改几何和仿真参数。

• 优化。无论您是使用云连接的突发计算加速设计探索，还是使用 optiSLang 无缝优化设计，这些最新的增强功能都能使工程工作流程比以往任何时候都更快、更直观。有关 这些主题的更多信息，请访问专用网站。