虛擬風洞

所謂虛擬風洞，就是利用虛擬現實技術，在計算機上建立一個基於虛擬環境、集 CFD 計算、可視化以及三維交互等功能於一體的風洞模型。這樣，就可以在計算流體動力學(CFD)理論計算分析的基礎上，模擬飛行器模型在風洞中的實際情況。採用這種方法，能夠顯著地節省試驗費用，大大縮短設計週期，並提高設計的可靠性。

HyperWorks VWT的核心技術是Altair先進的計算流體動力學（CFD）求解器——AcuSolve。它是一款通用的、基於有限元技術的CFD求解器，因而在求解速度、可擴展性、精確性和穩健性方面有着獨特的優勢。

基於可靠的數學理論，AcuSolve可以高效地解決複雜和大規模的工業CFD問題。構架於共享和分佈式內存系統並行計算，採用混合的並行技術，AcuSolve在基於非結構單元拓撲上提供快速和高效的瞬態和穩態分析結果，同時有着很好的並行加速比。

HyperWorks VWT 採用雷諾平均Navier-Stokes (RANS)和分離渦（DES）技術來模擬湍流，預測流場和流動分離。DES技術採用RANS方法模擬近壁邊界層流動，而採用大渦模擬（LES）模擬車輛尾跡的分離流動。採用RANS方法進行穩態分析和DES方法進行瞬態模擬均可以得到精確的外流場計算結果。由於AcuSolve在時間推進上採用了一套非常高效和穩健的數值方法，瞬態分析的耗時較少，通常都在可接受的範圍內。這使得分析人員有充分的時間來採用更貼合實際的、更精確的瞬態仿真，而不必由於考慮到時間成本而採用穩態仿真來求解車輛的流場。

作為通用的CFD求解器，AcuSolve提供了豐富的物理模型和功能，如氣動彈性、氣動聲學仿真、剛體運動及流固耦合（FSI）來模擬整車或部件外流場性能，為汽車虛擬風洞仿真提供了真實、完整的建模環境。

HyperWorks VWT內嵌了一套快速、高效並完全自動化非結構網格和邊界層網格生成的技術。它包含了許多強大而靈活的表面網格和體網格生成工具，包括邊界層傳播技術、面網格和體網格拉伸技術、各向異性網格和邊緣協調網格技術、混合網格拓撲、區域影響網格及用户自定義網格技術。汽車外流場分析（包括底盤、發動機艙和邊界層）的體網格生成時間通常小於2小時。

HyperWorks VWT的自動非結構網格生成器對網格單元質量的要求不高。它可以有效處理由於網格完全自動化生成而出現的一些大展弦比及嚴重扭曲的單元。由於這一特點，很多其它求解器需要進行的網格優化過程可以省略，從而減小了網格生成的時間。

基於Altair solidThinking Inspire技術，HyperWorks虛擬風洞用户界面友好直觀。它是一個一體化的操作環境，用户可以導入CAD幾何模型（表面網格模型）、設置好求解問題、生成網格、提交計算，最後獲得一個計算報告。

仿真過程是高度自動化的、只需要輸入少量的用户參數，致使用户不容易犯錯而影響仿真結果。另外的一些參數控制通過AcuSolve專用的前處理AcuConsole在後台自動完成，同時AcuConsole也是一個集成在HyperWorksVWT中的模塊。

在HyperWorks VWT環境下提交任務到高性能計算機上十分容易，從而方便解決一些十分耗內存和計算資源的任務，如體網格生成、求解和後處理。

仿真完成後會自動生成定製的結果報告，包括問題的建立、網格信息及計算結果。另外，先進的CFD後處理器還允許用户能交互式或以批處理模式進行更復雜、更大數據的可視化工作。

虛擬風洞是在數值風洞研究的基礎上，將飛行器虛擬原型和數值風洞的計算結果有機地結合在一起，在桌面 VR 環境下建立虛擬飛行器風洞。虛擬飛行器風洞的硬件除了常規的計算機和外設外，主要添加的設備是 3D 圖形加速卡、紅外發生器和立體眼鏡等。虛擬飛行器風洞的支撐平台是WorldToolKit，簡稱 WTK。WTK 的一個重要特徵是硬件無關性，它可以在一系列圖形平台上運行，這意味着開發工作可以在低成本的平台上進行，然後將軟件移動到特定的較高性能的目標機上，使用何種主平台由應用需求決定。這也使虛擬飛行器風洞在 PC 機上實現成為可能。虛擬飛行器風洞系統包括模型建立、外流場的數值計算結果可視化、虛擬場景生成以及三維交互等三部分。 ^[2] 

與傳統的三維流場可視化方法相比，虛擬飛行器風洞能更直觀、更形象地動態觀察飛行器不同方位的速度矢量分佈情況，通過視點的控制，用户可以從任意位置、任意方向及視圖觀察虛擬風洞中出現的各種現象, 允許用户在虛擬風洞的場景中“漫遊”，仿真模擬結果也為風洞試驗和相關設備的研發提供了可靠的參考。虛擬飛行器風洞的研發為飛行器設計及飛行器空氣動力學的研究提供了一種切實可行的方法，這種將地面風洞試驗測量和虛擬風洞數值模擬相結合的方法在空氣動力學領域將是一條很有潛力的途徑。