3DEXPERIENCE基于几何方法的计算流体动力学分析

仿真结果的精度，取决于用于表征实际几何模型的网格质量。在过往的工程应用中，计算流体动力学（CFD）仿真一直采用基于网格的实现方式。

相较于传统方法，基于几何的仿真方法具备多项核心优势。3DEXPERIENCE 平台上的仿真工具，能够让你在保持传统网格法所具备的、我们熟知且信赖的仿真精度的同时，实现更高效的设计与仿真工作。

一、什么是基于网格的方法？

在基于网格的方法中，用户需要在几何模型周围创建计算网格，网格所占据的空间是求解流体流动控制方程的基础。该方法虽能实现有效仿真，但整体流程耗时较长，往往会限制设计迭代的灵活性。在产品创新对速度与精度都提出严苛要求的当下，我们无法在仿真的网格划分阶段耗费大量时间。

二、什么是基于几何的方法？

在基于几何的方法中，用户直接将所需的仿真特征分配至仿真体（该几何体专门用于表征待分析的流体流动区域）。该方法是工程师开展流体动力学计算方式的重大革新，提供了更直观、更高效的工作流程。基于几何的方法彻底摆脱了对传统网格划分的依赖，直接依托 CAD 原始几何模型开展仿真计算。

三、3DEXPERIENCE 仿真如何应用基于几何的方法

3DEXPERIENCE 平台中的流体动力学工程师（FMK） 角色，近期新增了基于几何的方法，用于定义流体力学仿真中的流动计算域。用户可通过几何理想化 Essentials 应用程序创建仿真体。

在3DEXPERIENCE上使用 SIMULIA

使用 3DEXPERIENCE 平台中的 SIMULIA 仿真工具时，需先定义抽象形状以生成模型副本。随后，根据流动分析的具体类型，提取对应的流体域以完成仿真体的定义。

流体域提取共分为三种类型：内部域、外部域、保形域。具体采用哪种类型，取决于模型的几何特征与流体仿真的分析类型。

开展内部流分析时，提取的内部域需精准表征模型内部的目标流体空间。

开展外部流分析时，提取的外部域需精准表征模型周围的目标流体空间。

若模型中存在部件间交互界面，且该界面与内部域或外部域存在关联，则需要提取保形域。保形域提取会生成实体域，并基于网格简洁性优先处理重叠界面。

四、基于几何方法搭建 CFD 分析的步骤

1. 几何预处理

第一步是完成仿真所需的几何模型预处理工作。针对内部流分析，预处理包括创建封盖以封闭模型上的所有开口，并创建封装体以指定流体域提取的区域。若选中带有孔洞的曲面，封盖工具会自动封闭该曲面上的所有孔洞；该方法同样可用于检测封闭空间的泄漏点。

为几何方法准备模型

2. 流体域提取

几何预处理完成后，下一步是提取流动计算域。根据仿真的具体需求，可提取内部域、外部域、保形域或包裹域。

计算流体力学研究中的提取体积

3. 物理场分离

提取流动域后，需要为每个域指定对应的物理场参数，包括将仿真体分配至已提取的流动域、定义物理场域、材料属性，以及流动分析类型等其他关键参数。

定义仿真体积

4. 网格划分

开展仿真计算前的最后一步，是对几何模型进行网格划分。这一步能够确保仿真精准捕捉指定域内的流体动力学特性。

图示为外部流分析中，基于几何方法生成的仿真网格。

五、CFD 分析的核心注意事项

使用 3DEXPERIENCE 平台的 CFD 工具时，需要牢记以下要点：

若模型中存在部件间交互界面，且该界面与内部域或外部域存在关联，必须提取保形域。保形域会同时提取内部流体域与模型的实体域。

开展外部流分析时，需通过封装体工具定义边界几何。封装体可为包裹模型的立方体、圆柱体或球体壳体，用于界定外部流体域的计算范围。

图示为无人机模型周围定义的外部流体域。

流体场景设置需要完整定义初始条件、边界条件以及仿真所需的其他参数。为保证仿真结果精度，务必让这些参数尽可能贴合实际工况。

应用程序会以不同颜色渲染实体域，方便你在分析中快速识别与区分。

六、基于网格方法 vs 基于几何方法

传统基于网格的方法，需要通过零件、开口与区域定义流动域的位置，再在网格划分阶段生成流动计算域。相较于基于几何的方法，该方法支持更多样的工作流程，但操作复杂度更高。

而基于几何的方法，通过聚焦几何预处理与流体域提取简化了整体流程，是易用性更强的方案。该方法简化了工作流程，让工程师能够更高效地完成常规流体计算，从而将更多精力投入设计优化与创新方案研发，最终缩短产品上市周期。

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