01 FLOEFD軟件介紹

上世紀60-70年代CFD仿真軟件主要根據(jù)客戶需求，采用定制化開發(fā)，使用范圍主要在軍工航天等個別領(lǐng)域；隨著硬件技術(shù)和算法的不斷更新，現(xiàn)如今CFD仿真已形成多物理場、定制化模塊的仿真軟件，無論是航空航天、汽車制造工業(yè)機械、醫(yī)藥生物等行業(yè)都有CFD的身影。軟件的種類也十分豐富，其中Simcenter FLOEFD作為一款前端流體仿真軟件，具有的七大關(guān)鍵技術(shù)使得FLOEFD無論是計算精度、可靠度；還是使用便捷度都用很大提升，在市場上具有一定的競爭力。本文主要針對該軟件關(guān)鍵技術(shù)進行介紹，使讀者對FLOEFD有一定認知；軟件的具體使用技巧會在后續(xù)的推文再給予介紹。

(資料圖)

Simcenter FLOEFD作為一款無縫集成于CAD軟件的工程化熱流分析軟件，前身為蘇聯(lián)時期應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的Aershape-3D；軟件基于笛卡爾網(wǎng)格法進行CFD仿真，該方法是數(shù)值、分析和經(jīng)驗數(shù)據(jù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在幾乎任何復(fù)雜計算域中都可以產(chǎn)生高質(zhì)量的仿真結(jié)果，同時又保持較低的資源需求。此外，F(xiàn)LOEFD完全嵌入到設(shè)計環(huán)境中，將CFD模擬早期移動設(shè)計過程中，減少傳統(tǒng)CFD仿真過程中的模型在設(shè)計軟件和CFD軟件之間的轉(zhuǎn)換，幫助工程師盡早的查找趨勢，排除不理想設(shè)計；對于整個仿真模擬過程而言，降低了75%以上的時間。

圖1 FLOEFD與傳統(tǒng)CFD仿真過程對比

傳統(tǒng)CFD仿真軟件除了在仿真流程上較為繁瑣復(fù)雜外，對使用者的數(shù)學(xué)素養(yǎng)、網(wǎng)格劃分技術(shù)以及編程能力等都提出了一定的要求，增加了用戶使用的門檻。FLOEFD是針對機械設(shè)計人員開發(fā)的軟件，使用者只需要掌握基礎(chǔ)的流體動力學(xué)和傳熱學(xué)知識，無需理解更多的數(shù)值分析方法和流體方程，便可在熟悉的CAD界面中完成包括CAD模型建立、邊界條件選取、自動網(wǎng)格劃分、目標設(shè)置以及后處理等模擬分析；FLOEFD軟件的易用性、快速性、準確性使得軟件從學(xué)習(xí)到掌握只需要短短數(shù)天便可完成。

圖2 FLOEFD VS傳統(tǒng)CFD

FLOEFD作為全球唯一一款嵌入到CAD軟件中的流體和熱流分析軟件，在模型設(shè)計階段便可同時開展模型模擬驗證，降低設(shè)計成本，節(jié)省設(shè)計資源。本文將對FLOEFD軟件的關(guān)鍵技術(shù)特點以及使用場景進行闡述。

02 軟件關(guān)鍵技術(shù)

FLOEFD軟件具有七大關(guān)鍵技術(shù)，分別為直接嵌入CAD軟件環(huán)境、矩形的自適應(yīng)網(wǎng)格、強大的層流-過度-湍流模擬能力、自動收斂控制、變量設(shè)計分析、工程化的用戶界面以及邊界層修正壁面函數(shù)；接下來將對每一部分內(nèi)容進行詳細介紹：

圖3 FLOEFD七大關(guān)鍵技術(shù)

1嵌入CAD運行環(huán)境

圖4 嵌入CAD運行環(huán)境

FLOEFD與CAD軟件無縫集成，完全支持直接打開Pro/E、CATIA、Solidworks、NX、Solid Edge以及Inventor等主流三維CAD模型；并且可以導(dǎo)入IGES、STEP、ASIC、VDAFS等格式的模型文件。由于FLOEFD是嵌入CAD軟件中直接面向結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師，因此與傳統(tǒng)CFD軟件有以下不同：

首先在FLOEFD直接使用CAD模型，不需要模型在不同軟件之間進行切換；減少了轉(zhuǎn)化過程中可能存在的模型細節(jié)丟失；

其次FLOEFD可自動區(qū)分固體域和流體域，無需人為設(shè)置。

2矩形的自適應(yīng)網(wǎng)格

圖5 FLOEFD自適應(yīng)網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是CFD仿真的重點，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響模擬的分析結(jié)果。傳統(tǒng)的流體仿真過程中網(wǎng)格劃分要占到整的模擬時間的80%以上，而且對使用者的專業(yè)背景要求很高。FLOEFD使用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對流體和固體區(qū)域進行自動嚙合，并對界面處進行局部加密；把繁瑣的網(wǎng)格劃分工作交給軟件，減少執(zhí)行時間。此外，軟件也支持手動網(wǎng)格細化，增加網(wǎng)格局部質(zhì)量，提高仿真精度。

3強大的層流-過度-湍流模擬能力

圖6 FLOEFD層流-過度-湍流模擬

Simcenter FLOEFD采用修正的K-epsilon 2方程模型求解湍流；該湍流模型已經(jīng)在整個雷諾數(shù)范圍內(nèi)進行了基準測試和驗證，解決層流-過渡-湍流的自動求解。此外，自動應(yīng)用與網(wǎng)格無關(guān)的修正壁面函數(shù)，進行層流與湍流模型。與傳統(tǒng)CFD仿真求解方式對比，具有更短的設(shè)置時間以及更高的求解精度。

4自動收斂控制

圖7 FLOEFD自動收斂控制

與傳統(tǒng)CFD工具不同，F(xiàn)LOEFD并不主要使用殘差圖來確定收斂性，F(xiàn)LOEFD采用基于目標的收斂方式，使用者也可以在仿真的過程中設(shè)置感興趣的參數(shù)作為目標，求解器在停止求解之前確保指定參數(shù)的求解精度。

指定模擬目標的好處是，求解器從分析中知道什么是重要的，并將確保在這些目標上有良好的收斂性。Simcenter FLOEFD有一個非常穩(wěn)定和健壯的求解器，保證一次求解成功，無數(shù)值假擴散永。

5變量設(shè)計分析

圖8 FLOEFD變量設(shè)計分析

由于現(xiàn)代CAD軟件的參數(shù)特性，單個組件可以用于驅(qū)動具有不同部件或約束的許多不同配置。Simcenter FLOEFD可以利用這種參數(shù)配置能力，并自動將CFD項目標記到每個配置上。這意味著Simcenter FLOEFD項目只需要設(shè)置一次，然后簡單地克隆到后續(xù)配置中。所有設(shè)置信息在項目之間保持不變。批處理運行還允許對所有配置進行順序求解。

6工程化的用戶界面

圖9 工程化用戶界面

Simcenter FLOEFD使用向?qū)?qū)動的設(shè)置過程來確定分析類型和設(shè)置基本參數(shù)。求解后，結(jié)果以易于使用的可視化或數(shù)值格式顯示，也可導(dǎo)出到Excel或Word中進行進一步處理。同樣，該工具關(guān)注的是工程師和他們期望如何使用該軟件。這樣做的好處是減少了設(shè)置時間，并且能夠輕松快速地提取選定的工程數(shù)據(jù)。許多報告生成都是自動化的，以進一步提高生產(chǎn)率。

7邊界層修正壁面函數(shù)

圖10 邊界層修正壁面函數(shù)

Simcenter FLOEFD修正壁面函數(shù)、網(wǎng)格模型和湍流模型都有關(guān)聯(lián)。壁函數(shù)給出了精確的和網(wǎng)格無關(guān)的邊界層模擬，而不需要精細網(wǎng)格。經(jīng)驗測試數(shù)據(jù)再次被用于基準測試和驗證與Simcenter FLOEFD的Smartcells應(yīng)用的邊界層模型。壁面函數(shù)的好處是，正確的邊界層應(yīng)用于所有場景，我們不需要在壁面加密網(wǎng)格。

03 總結(jié)

Simcenter FLOEFD軟件作為全球唯一一款嵌入CAD的熱流仿真軟件，基于當(dāng)今廣泛采用的有限體積法開發(fā)，能夠內(nèi)置于Pro/E、Catia、NX、Solid Edge等多款主流CAD設(shè)計軟件；軟件使用界面直觀簡潔、靈活方便，新用戶尤其機械設(shè)計人員能夠熟悉并完成流體和傳熱分析。