建立模型

CFD模拟采用的是DrivAer汽车模型的CAD几何。该模型旨在对乘用车空气动力学的验证，填补SAE极为简化的模型和Ahmed车身等极为复杂的量产车模型对于车辆模拟验证的不足。为体现实际应用的情形，该模型使用完整尺寸并包括旋转的车轮(见图1)。

MATLAB处理模型由拉夫堡大学的6-DoF和Stewart平台驾驶模拟器设计。这是一个综合、真实的动态模型，包含完整的悬架系统和驾驶员反应。当出现侧风激发时，车辆的共振频率可能导致驾驶员做出反应，减轻或加重车辆的反应。本研究的一个目的是，确定出现这种情况的频率，从而提升车辆在侧风条件下的稳定性。

将STAR-CCM+®与MATLAB进行耦合

STAR-CCM+®与MATLAB的耦合方法主要分为三种：

方法一涉及在STAR-CCM+®中计算不同偏航角下的一组稳态解，同时使用插值方法获取对侧风的一般反应。然后，可将这一反应输入到MATLAB模型。理论上讲，这是获知近似侧风反应的最简单方法。

方法二是运行非稳态CFD模拟，获取力的瞬态历史并发送到处理模型。

方法三是将来自CFD模拟的空气动力学数据发送给处理模型，处理模型则返回每个时间步长的位置数据(见图2)。

前两种方法被称为单向耦合：采用开环系统，因此处理模型的反应不会回馈至CFD，而这可能导致空气动力学性能的改变，有关这两种类型的耦合已有大量的研究。而使用闭环、完全耦合的系统则是一种较新的方法。单向耦合具有低成本的优势，但其固有的精度缺陷也比较明显。

本文通过使用JAVA宏，将STAR-CCM+®与MATLAB模拟进行连接，实现直接耦合，从而可在每个时间步长进行数据交换。此类耦合的一个极大好处是，可在大型HPC系统上运行CFD模拟，同时在本地设备上运行MATLAB的处理模型。

构建终极模拟，完整超车过程

上述模型建立和耦合操作为模拟测试完整的超车过程提供了基础。首先，使用带STAR-CCM+®的内置6-DOF DFBI模型的重叠网格，可以模拟对车辆空气动力学激发的极为简化的几何反应。然后对重叠网格零间隙接口进行研究，从而为实际的旋转车轮和道路之间的接触面完成建模。

另一个步骤涉及与MATLAB耦合以模拟侧风：首先仅纳入侧向力和偏航力矩，逐渐过渡到可以在悬架上横摇和纵摇的6-DOF车辆模型。最后，执行采用重叠网格零间隙接口以及直接耦合至MATLAB的DES计算，这需要四到五天的时间运行(图3)。

本文将完全耦合的模拟结果与稳态模拟结果进行了比较(见图4)。对比结果显示，稳态空气动力学无法预测此类事件的不稳定气流特征，尤其无法模拟车辆进入和离开侧风时的偏航力矩过冲和下冲。

结论与展望

本文展示了如何在全面而真实的地面车辆模拟中进行STAR-CCM+®和MATLAB的完全耦合。对于汽车行业，这意味着侧风和超车等各种测试的模拟执行最终将可在设计周期中被大大提前，从而在制作实物原型之前消除设计弱点、节省时间并降低成本。

下一步，此类手段将应用于对完整超车过程的研究(在侧风条件下)。从跟随前车的某一车辆开始，后车超车并从背风面进入侧风，研究过程将对其反应进行模拟分析。