PowerFLOW,新一代著名汽车CFD软件。

PowerFLOW 新一代的CFD工具

关于EXA公司

美国Exa 公司，成立于1991 年，公司总部位于美国柏林顿，麻萨诸塞州。目前在斯图加特、慕尼黑、巴黎、伦敦、底特律、波士顿和东京、首尔、上海、北京等地设有技术中心。开拓并支持一系列的CAE，CFD 仿真软件工具包括PowerFLOW?, PowerCLAY?, PowerWRAP?, PowerCASE?,PowerPREP?，PowerCOOL?，PowerTHERM?，PowerVIZ?，PowerSPECTRUM?, Pow erEXPORT?等,并提供专业化的技术顾问服务。Exa 的产品及服务帮助工程师们建立有竞争力的设计，缩短产品设计周期并加快产品上市的时间。

PowerFLOW?是美国EXA 公司基于LBM（格子-波尔兹曼方法）开发的CFD 求解器。LBM相对于FVM（有限体积法）的先进性使PowerFLOW?具有无需简化复杂的CAD 模型、全自动生成笛卡尔网格、非定常模拟、几乎线性的并行效率、精确度极高等优点。另外它还具有在初始结构上增加并减少部件方便地进行参数化研究、利用同一个模型可以进行空气动力学、气动声学和热管理等多学科模拟等独特优势。对CAD无需做任何修改和简化、网格自动生成、专业化的咨询服务团队服务使得PowerFLOW?变得非常易于使用，让企业使用CFD软件的门槛降到最低。这使PowerFLOW?已经成为全球顶尖地面交通工具公司在气动、噪声及热管理等方面数值模拟的首选软件。它能为空气动力学优化提供一个真实的数字风洞求解，在全球占有统治地位。PowerFLOW进行内外空气动力学模拟的独特优势已经使得Exa成为该领域的领先者。

由于EXA 的旗舰产品PowerFLOW?采用了独一无二的技术算法，各大著名的地面交通工具制造商奥迪、宝马、大众、戴姆勒克莱斯勒、福特、日产、丰田、现代、雷诺、菲亚特、标志、保时捷、肯沃斯、曼、彼得比尔特、斯堪尼亚、沃尔沃卡车、阿尔斯通、西门子、庞巴迪、川崎重工等都选用PowerFLOW?作为最主流的流体计算工具。PowerFlow为这些厂商基本替代了绝大部分价格昂贵的风洞试验和散热、噪声试验。如今，EXA公司的销售额每年仍然在以超过40%的高速递增。

PowerFLOW的主要特点求解快速、完全的几何细节和瞬态分析–已经使得流体力学模拟成为一种真正可用于生产设计的工具，改变了空气动力学开发的方式。

处理真实的模型，使设计迭代更容易…

无需对几何进行简化或理想化！这大大减少了建立模拟模型所需要的时间，用户可能花费一个月的时间去对一个整车模型进行简化和画网格，这使得针对整车的快速设计及优化变得举步维艰。保留了所有的几何细节同时也成为PowerFLOW进行空气动力学研究的另一个主要优势，因为小的几何细节常常会对汽车的空气动力学特性产生重要的影响。

另外，Exa的独特变形工具——PowerCLAY，允许您在原始模拟模型的基础上进行快速高质量的几何修改，因此允许通过实验设计和其它优化技术对设计空间进行彻底的调查研究，并确定汽车的优化形状。

数字风洞?

PowerFLOW包括一个全尺寸数字风洞–可以显著减少模拟设置所需要的时间。在汽车开发过程的初期，在概念和设计选择期间，许多Exa的客户都已经完全使用PowerFLOW 的数字风洞开发来代替传统缩比例模型的风洞实验开发。

数字风洞也能进行完全的道路模拟，例如带有旋转车轮和移动地面的模拟(这是基于PowerFLOW开发的另一个优势，因为一般在缩比例风洞中不能进行这些开发)。

该数字过程的一个重要优势是能在开发的初期就使用具有所有细节的模型，包括发动机舱内和车身底部细节，进行各种模拟。在这种方式下，进行空气动力学开发的同时也考虑了冷却气流的要求——而传统的开发过程是在确定了汽车的外形之后再单独考虑冷却气流的要求，这就使得修改困难而且费用高。

利用PowerCLAY进行空气动力学设计优化PowerFLOW的数字风洞

PowerFLOW是当今汽车工业用于气动声学模拟强而有力的CFD工具。声学现象被定义为可压缩非定常问题，而PowerFLOW基于格子-玻尔兹曼方法，本身就是可压缩非定常的。这允许PowerFLOW捕捉所有与汽车气动声学相关的关键流动现象。事实上，PowerFLOW不仅能够捕捉流体力学和声压波动，而且能够捕捉这些影响之间的耦合，这使得PowerFLOW成为该领域的一个独特工具。

我们的客户使用PowerFLOW模拟各种各样的气动声学现象，包括：

?风噪声：车身表面的流体力学和声压波动。

?振动：由于天窗和侧窗打开而产生的低频蜂鸣声。

风噪声问题一直是汽车客户满意度调查中抱怨最多的问题。随着现代汽车中其它噪声源，例如发动机噪声和滚动噪声的不断降低，风噪声问题的重要性愈加突出。我们的客户可以使用PowerFLOW在车型开发初期探测到令人讨厌的风噪声声源，并改善它们。以前如果在风洞中进行这些实验将需要花费很长的时间。

由于天窗和侧窗打开而产生的低频振动噪声是最令人苦恼的气动声学现象，出现在许多车的特定车速下。在天窗前缘或者侧窗开口处的周期性气流分离而导致的压力波动共振耦合后将会产生振动噪声。要用模拟工具捕捉这种现象，就必须要求流体力学和气动声学之间互相耦合——这正是PowerFLOW的强项之一。

对后视镜风噪声的研究模型A(左)是初始模拟；模型B（右）是调整改进之后的模拟。

PowerFLOW的热管理能力：

?扩展了温度范围：所有的热力学计算都被完全耦合到PowerFLOW中的动量计算

中，例如密度和温度以与实际完全一致的方式被耦合。这就使得PowerFLOW能

够处理汽车领域中的各种温度范围。

?PowerCOOL?：使用PowerCOOL可以模拟热交换器的冷却侧，例如散热器或

中冷器。PowerCOOL模拟能够与PowerFLOW模拟完全集成、紧密耦合。

?PowerTHERM处理辐射和传导。在一个完全集成、紧密耦合的方式下进行

PowerTHERM模拟——保证使用方便，精度高。

使用这些扩展功能，PowerFLOW能够查出并分析影响汽车热力学性能的关键流动情况——格栅开口太小不能提供足够的冷却气流，冷却剂温度超过了工作极限或者部件的温度高于使用材料的允许值。一旦发现这些问题，立刻模拟补救措施——用PowerCLAY创建一个更大的格栅开口，在PowerCASE中通过改变单个的位置参数将风扇移动到别的位置，或者增加或者移走一个隔热板，只需点击几下鼠标即可。

中央对称面上的气流温度变化

局部热传递系数变化

在当今的交通工具仿真开发过程中，通常都不能充分回答多学科问题——例如，格栅开口增大是如何影响阻力和升力的？或者前端附加扰流板是如何影响顶箱的温度的？现在我们能在开发初期同时回答这些问题，避免在开发后期进行昂贵的重新设计。

Exa已经多次证明了，与我们的客户合作可以使所有涉及的工业产品更出色。十年前，我们仅提供外部空气动力学模拟的求解，但是很快，我们以及我们的客户都发现，这么多的模拟结果都取决于许多因素。当公司将一个模型的所有模拟数据收集起来，并合作进行工程决策，则会诞生最好的产品——我们知道这一点，因为我们看见我们的客户每天都在这么做。今天，Exa提供了广泛的求解，不仅包括空气动力学，而且包括热管理和气动声学。拥有一套软件，可以模拟和生成多方面的数据，这是部门之间相互合作进行工程模拟和设计优化的关键。

有了这个共同的目标，Exa就有一个使命，为我们的客户提供TotalANALYSIS。将软件和求解无缝融入到真实的环境中…。

TotalANALYSIS目标：

?在开发过程的几乎所有阶段，为设计师和工程师提供模拟结果

?为所有需要的领域提供定制的软件求解….而非改型的求解

?提高所有部门之间对结果的工程通信和合作

?验证几乎所有模拟领域的物体特性

?进一步改进和扩展Exa所支持的产品包，使模拟设置更快速，使资源利用最大化

?提供一套可靠的产品求解器，能够处理大多数的需求，淘汰昂贵的多个软件包和昂

贵的年许可费

某皮卡车的外流场分析侧风下气动噪声分析

主要特点

?高速的流体计算功能

做整车的CAD流体分析时间小于5天；

优化时间小于1天。

?无需简化的CAD模型

考虑完全的外部特征、底盘特征和内部特征；

所有设计细节完全考虑在内。

?准确的计算精度

与风洞试验曲线的完全吻合。

?同一个模型可用于多学科的优化

利用同一个模型可进行空气动力学优化、气动噪声优化、散热分析优化。

?可进行参数化研究

在初始结构上增加并减少部件方便地进行参数化研究

?全自动生成笛卡尔网格

全自动网格生成节省时间和费用

?非定常模拟

真实的瞬态模拟特性能改善功能设计。

?多处理器的性能呈线性增加

多处理器机器的性能与单处理器的相比，呈线性增加，可达上百倍。

?易于使用

PowerFLOW的使用者无需对CAD及CAE网格划分有高深的理解，且除了软件销售和安装之外，Exa全球的工程咨询服务机构会为企业提供全面的咨询服务。

?数值稳定性好

求解结果不依赖于几何及网格的优劣，不管几何多么复杂，PowerFLOW都能提供可信的结果。

?兼容性好

带有CAD通用接口，能够跨平台使用，PowerFLOW可以用于现有的工程学环境。主要应用：

- 汽车：气动阻力外形设计及优化、气动噪声和整车散热、发动机散热、除霜、刹车冷却； - 高速铁道机车：气动阻力外形设计及优化、气动噪声和整车散热、发动机散热、刹车冷却；

- 建筑设计：虚拟风洞试验；

- 船舶武器设计：水下武器阻力外形设计及优化、水动噪声计算。

应用案例

轿车应用实例

缩短投放市场的时间并降低开发成本，同时增加市场份额已经成为当今汽车界领军者成功的关键。供应商和原始设备制造商都正在将Exa公司的软件应用包作为他们进行整车设计开发过程的一部分，从概念和量产车的外部空气动力学模拟到传动系、气候控制和其它部件的流体动力学分析。由于Exa的PowerFLOW模拟精确，结果是瞬态的，而且能够使用带有所有细节的模型，因此全球95%以上的汽车制造商都指望Exa的软件模拟包进行工程模拟。

两辆宝马车的外部空气动力学模拟的动画展示了尾流结构的瞬态变化。

日产Azeal车的外部空气动力学流态显示侧视图

路虎LR3车身底部的表面温度使用PowerSPECTRUM进行气动噪声研究

重型车辆/商用车应用案例

PowerFLOW在轿车开发方面的优势同样可以很好地用于商用车。在冷却气流要求的限制下，高速公路载货汽车的设计开发在很大程度上受到空气阻力性能的影响。设计保险杠、牌照、挡泥板、发动机罩、驾驶室、车顶整流装置和侧面整流装置，以满足载货汽车燃油经济性的目标。PowerFLOW为汽车开发提供了一个数字化的设计过程。模拟能够诊断出产生阻力的压力分布——平的头部区域产生高压，增大阻力，但是弧形前端能够产生低压峰值，降低阻力。其它区域，例如发动机罩和车顶，都要求对面板角度、半径和曲率剖面进行优化，适当引导气流，使压差阻力最小。可以优化后缘的气流分离，使得与涡流和尾流相关的低压最小。汽车下部部件，尤其是车轮和车轴周围的气流偏转，对于降低阻力是至关重要的。最终，可以估算出载货汽车后部大型尾流区中的气流循环对汽车基本压阻的影响。

复杂的几何外形对于PowerFLOW来说没有任何问题，该图片由Freightliner免费提供。

对于载货汽车而言，虽然其空气动力学性能要求是很重要的，但是它却排在冷却性能之后。大的格栅开口、热交换器和冷却风扇是载货汽车前端最显著的特征，需要对前端进行优化，使最大的冷却气流进入发动机罩下面。也可以管理冷却气流，来控制发动机罩下面部件的温度。发动机和通过热交换器的热气流和废气都将加热发动机罩下面的部件。

对于低速或静止的商用车，可以通过设计冷却流的路径、热交换器、冷却风扇，布置热部件和热防护板来满足热管理的要求。

赛车应用案例

赛车的性能需要根据速度、每圈的时间和车手的等级来评定。但是这些标准的基础是汽车工程学，包括发动机、悬架和车身设计。空气动力学和气流管理在车辆工程的每个方面都扮演着重要的角色，要求气动阻力、下压力、升力、侧向力和力矩，发动机和制动器的冷却气流流速之间保持平衡。

PowerFLOW能够提供广泛的数据和流态显示，所以能够适应赛车快速变换的环境，可以使用PowerFLOW调节汽车设计优化性能。通过模拟赛道上的关键点，来计算其对乘驾高度、车速、车轮位置、侧风或者侧滑角的依赖程度。在这些条件下评估气动调节和设计选择的作用，实际上在赛道上也将遇到这些情况。

Tatuus赛车的外部空气动力学模拟。PowerFLOW使数据更容易显示，使用PowerVIZ可以显示模型表面以及汽车尾流各个断面上的流态。该图片由Tatuus免费提供。

各种赛车和高性能车之间的一个公共因素是空气动力学装置，例如翼、分隔板、扰流板。使用车身底部地面效应来捕捉车身上表面上的高压，在下表面上产生吸力。这些装置往往会产生很高的瞬时流动特征，例如涡流和尾流，所以必须很好地对它们进行理解，以调整汽车形状。PowerFLOW固有的瞬态模拟方法既能提供精确度，又能为理解非定常流动结构提供一个有价值的工具。对空气动力学行为的理解可以获得改进的想法，最终减少圈行驶时间。

赛车对气流管理提出了很多挑战。改变气流流向以冷却高性能的发动机和制动器，这已经与汽车阻力和下压力方面的费用联系在一起。PowerFLOW的热管理能力为优化形状、冷

却路径和热交换器或者制动器冷却性能提供了一种统一的方法。

高速列车应用案例

利用ＰowerFLOW对列车车身外形、车头外形、车体截面形状等进行参数化的优化设

计，可以寻找出高速列车的最佳气动外形。

利用PowerCLAY，可以更好的研究不同的挡风墙的形状和高度、不同的横风风速、对列车横向气动特性、空气升力特性的影响。

随着列车运行速度的不断提高，列车空气阻力和气动噪声急剧增加，危及行车安全，降低旅客舒适度，影响周围环境。客户可以使用PowerFLOW在车型开发初期探测到令人讨厌的风噪声声源，并改善它们。如果在风洞中进行这些实验将是非常困难的，而且将需要花费很长的时间。

ALSTOM利用PowerFLOW进行气动噪声研究，并与风洞试验结果进行对比

客户评价

“Exa的PowerFLOW数字风洞已经被证明是可以进行空气动力学模拟的唯一可行的数字方法，因此它是我们进军整个数字化开发的关键部分。”

“可以同时运行多个程序，而且可以进行更多的新型设计，因此用更高效的工程测试过程代替耗时的实际测试是很重要的。”

——Hans Kerschbaum 空气动力学和热管理主管宝马有限公司

“PowerFLOW已经成为尼桑公司进行气动设计优化的标准。我们选择Exa公司作为我们的合作伙伴是基于其提供的强大服务，PowerFLOW的精度以及它进行气动模拟计算周期的快速性。PowerFLOW是我们设计过程的一个必备部分，被尼桑公司的设计和工程部门广泛使用，用于优化尼桑车辆的性能。”

——Kazuya Asao 车辆性能开发部气动工程组高级主管NISSAN汽车有限公司

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