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[讨论] 前端装载 CFD - 必不可少的技术

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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2019-8-13 09:25:56 |显示全部楼层

    当前,随着新产品或数量越来越多的产品以更快地速度进入市场,需要不断缩短制造产品的设计周期。以汽车行业为例,包括对现有车型的小改款以及几乎每 3-4 年推出的新一代车型,市场中出现的新车型数量与日俱增,工程设计中心需要在更短的时间内设计出同等甚至更高质量的产品。利用工程仿真技术,可以提高产品设计的复杂度,使其更加逼近产品的极限,从而减少过度设计;但这对计算机辅助工程 (CAE) 仿真请求越来越多而仿真专家数量捉襟见肘的局面产生了巨大的冲击效应。


    摘要

    当前,随着新产品或数量越来越多的产品以更快地速度进入市场,需要不断缩短制造产品的设计周期。以汽车行业为例,包括对现有车型的小改款以及几乎每 3-4 年推出的新一代车型,市场中出现的新车型数量与日俱增,工程设计中心需要在更短的时间内设计出同等甚至更高质量的产品。利用工程仿真技术,可以提高产品设计的复杂度,使其更加逼近产品的极限,从而减少过度设计;但这对计算机辅助工程(CAE) 仿真请求越来越多而仿真专家数量捉襟见肘的局面产生了巨大的冲击效应。在设计部门内对所有种类的仿真(包括计算流体动力学 (CFD))进行前端装载,是具有最高投资回报的“参考标准”。另外,这一做法已得到广泛认同,而且扮演着越来越重要的角色,在汽车行业尤其如此。这类前端装载的 CFD 仿真需要直接在最新的 3D 计算机辅助设计 (CAD) 模型上进行,并且需要在几个小时而不是几天或几周内提供结果。CFD 仿真工具数值阶数高的固有性质决定了它们非常复杂,要求对相关的物理和数值算法有着深入的理解。一般情况下需要运用著名的 CFD 方法,例如用于求解基本纳维-斯托克斯方程的有限体积法 (FVM) 等,但推动技术进步的源动力实际是数值、工程技术与分析方法之间的协同效应。这类协同效应为降低工程师及分析师的数值技能要求,以及减少其花在此类工具上为给定几何形状划分网格的手动时间打下了基础。若要高效使用嵌入 CAD 系统中的 CFD 工具,必须开发出专门的方法。借助这些方法,应该能够求解基于复杂 CAD 几何形状的任务。例如,通过将分析方法应用于数值任务,可使用描述流体边界层行为的物理特性来降低构建高精度网格的技能要求,以及减少花在几何形状和网格生成任务上的手动时间,并且减少幅度可达一个数量级。通过此方法可应用相对较粗的 CFD 网格,并借助实施分析数据来克服子网格物理特性的问题。因此,与划分薄边界层的网格相比,所考虑的方法能够减少网格数。利用此方法还能实现在流体-固体界面及固体-固体界面上配合使用自动笛卡尔网格与基于笛卡尔的多面体网格,从而消除创建精细的边界层网格的繁重手动工作。它还支持网格划分过程完全自动执行,对工程师或分析师的数值技能或时间要求非常低。本白皮书将详细论述基于 SmartCells™ 的前端装载 CFD 方法。该方法已在广泛的应用中被证明行之有效,并被 OEM 厂商和一级供应商应用于汽车、航空航天和其他行业。下面将通过若干基准示例来介绍该方法。最终,通过本文所述的方法,CAD 工程师可以在设计流程中使用 CFD,并在通用 CAD 环境和 PLM 工作流程中自动完成繁琐的 CFD 网格划分,与典型的传统 CFD 解决方案(即便采用粗网格)相比,该方法的速度要快一个数量级,而结果精度却未受任何影响。


    1. 概述

    计算流体动力学是一个非常成熟的计算机辅助工程仿真软件行业,拥有 40 余年的商用历史,其目前的全球年收入约为 10 亿美元(Hanna 和 Parry,2011 年)。全球各地开展的绝大部分 CFD 仿真(超过 90%)是基于有限体积 (FV) 法,该方法主要采用鲁棒且计算效率高的雷诺平均纳维-斯托克斯方程 (RANS) 模型。CFD 基于广为接受的数值方法来求解控制流体流动、传热和传质的基本纳维-斯托克斯方程(Boysan、Choudhury和 Engelman,2009 年)。但是,CFD 行业的技术源动力不外乎是已有三四十年之久的数值和工程技术与分析方法的结合(Spalding,2007 年)。实际上,全球目前开展的绝大部分 CFD 是基于久经考验的 k-ε湍流模型的变体,该模型是这个行业公认的“老黄牛”,已有 40 余年的历史(Launder 和 Spalding,1974 年)。

    初次使用 CFD 仿真工具时,用户会发现该工具非常难用,因为用户必须掌握极为复杂的前处理(几何形状和网格生成)方法,而且由于其固有的数学本质,代码本身常常要求用户对底层的物理和数值算法有深刻了解。CFD 预测的质量总是与所运用的前处理方法存在着莫大的关系。通过将更现代化的新分析方法应用于数值 CFD 任务来解析描述流体流动、传热和传质的现象,可以降低高精度近壁网格构建对用户技能的要求,并减少此任务所需的手动操作时间。本文所述的方法让关键网格划分任务实现自动化,这使得无论 CAD 工程师还是专家,都可以在设计过程中使用 CFD;即使网格比典型 CFD 网格要粗,最终结果的精度也无损失。高效的仿真方法必须降低运用和部署 CFD 的数值技能要求,适合希望在工作中简单了解 CFD 使用的工程师。此方法非常稳健耐用,CFD 分析师和设计人员均可利用;在产品制造工作流程中,用户可以“前端装载”其 CFD 仿真(Eigner,2010 年;Marovic,2013 年;Sabeur M.,2015 年;Dumnov G. 等,2016 年),从而以最少的时间成本获得最高的仿真效率。设计工程师面临的最大挑战归根到底在于产品的复杂度与日俱增。当今制造的许多产品已演化为包含机械零部件、电子设备和软件的复杂系统,涉及到多个工程学科。此外,日益增长的元器件数量以及随之而来的小型化要求,都需要他们更好地理解这些元器件之间的热交互方式,确保元器件不会出现过热现象。而且,产品通常以多种配置提供,这就进一步增加了产品的复杂性,设计工程师必须了解每种配置的性能。

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