SIMULIA 流体动力学工程师中的流体仿真

SOLIDWORKS用户可能通过接触SOLIDWORKS仿真和SOLIDWORKS流仿真等工具，熟悉CAD嵌入式仿真，用于解决有限元分析（FEA）和计算流体动力学（CFD）的工程问题。这些工具既可以作为计算机辅助工程（CAE）的极佳入门，在熟练用户手中，还能提供一种相当准确的设计时预测。

如果需要超出这些入门级工具的功能，达索系统SIMULIA品牌将成为能力的下一阶段。SIMULIA 品牌最著名的是 Abaqus/CAE，这是一款桌面产品，配备了强大的有限元素分析求解器，因其解决高度非线性问题的能力而被广泛应用。如今，SIMULIA工具也提供在3DEXPERIENCE平台上，支持HPC资源用于云端大型模拟的解决，以及跨多个学科的多种求解器。

图1。河坝问题在SIMULIA流体动力学工程师中解决。

本文将重点介绍3D体验中的CFD能力，模拟流体动力学工程师，并探讨SOLIDWORKS和非SOLIDWORKS用户应考虑的用例。

什么是SIMULIA流体动力学工程师？

SIMULIA 流体动力学工程师是一个三维经验岗位，提供多个应用程序，这些应用共同构成了一个强大且通用的CFD软件包。你有时会听到它被称为产品代码或“三角关系”，即FMK。

以下是其中最值得关注的应用：

• 流体模型创建

• 流动场景创建

• 物理结果探索器

• 仿真管理器

在传统工作流程中，CAD几何体被引入“流体模型创建”，用于几何抽象和网格生成。然后是“流动场景创建”阶段，其余研究的预处理工作进行：分配边界条件、设置输出请求以监控关键结果以及调整求解器选项。最后，结果会在“物理结果浏览器”中进行解读以便后处理。

实际上，所有这些都通过3DEXPERIENCE中的一个统一用户界面实现，加载的应用程序会根据用户激活的命令上下文自动切换——所以通常你无需担心使用哪个应用！

示例设置流程

让我们快速回顾一下设置过程。

几何体可以通过多种方式迁移。3DEXPERIENCE 为 SOLIDWORKS 提供了内置连接器，以实现与 CAD 模型的关联链接，此外也提供适用于其他 CAD 软件的连接器，如 Creo 和 Inventor。话虽如此，你总可以退回拖拽 。STEP文件或其他中性CAD格式（如有需要）。

图2。CAD 模型导入到 3DExperience。

模型上传到 3DEXPERIENCE 平台后，用户可以在 Fluid Scenario Creation 应用中开始设置流程。

类似于SOLIDWORKS桌面仿真产品，系统提供助手一步步指导用户完成主要设置考虑，包括定义相关物理和材料、设置边界条件等。

图3。流动场景创建。

点击助手中的“模型”或“网格”标签，用户即可无缝切换到网格创建工作。软件通常默认采用六边形为主的网格，并支持边界层元素，但也有四面体和扫掠网格等其他选项。

图4。流体模型创建。

当助手中的所有结果都恢复正常时，模拟就可以运行了。一旦解决，软件会自动切换到物理结果浏览器进行后处理。点击助手里的“结果”标签也能达到同样效果。

系统需求

目前讨论的三个应用都是云连接的，但需要本地桌面安装。复杂任务如网格生成、求解和后处理可以卸载到云HPC资源中，但利用现代Microsoft Windows工程工作站以确保本地安装顺利进行仍是明智之举。

模拟管理器应用可以通过网页浏览器访问，并支持一些实用的管理功能：在完成任务时监控提交的作业进度，以及识别占用大量存储空间的结果文件。它还允许用户删除仅删除结果，或删除整个模拟。

求解器许可模型

基础流体动力学工程师职位包括“嵌入式许可”，允许在最多16个CPU核心上求解，无论是在云端还是本地，且无需额外费用。这个16核云实例非常强大，已经用来解决本文中所有的例子。

在任何情况下，用户可能需要>16个CPU核心或超过基础实例提供的内存，他们可以使用令牌或信用点来增加其授权的计算能力。

信用点是一种消耗性资源，以包形式出售，代币则是一种“浮动”资源，在组织内部共享。对于爆发性工作量，信用点几乎总是合理的。如果对高计算量有显著的基线要求，代币的成本效益就会更高。

图5。云解的CPU核心选择。

无论哪种方式，当选择较大的实例类型或指定多个模拟并行解决时，软件会提供所需的代币数量或估计的信用消耗率。在所有情况下，网格化和结果后处理都是“免费”的，不消耗信用点或使用代币。

既然我们已经把一些后勤问题都说清楚了，使用像3DEXPERIENCE SIMULIA Fluid Dynamics工程师这样的工具，有哪些理由？

SIMULIA 流体动力学工程师的用例

在文章的剩余部分，我们将识别3D体验Simulia Fluid Dynamics工程师的应用场景，特别关注那些在更入门级的CFD软件如SOLIDWORKS流动仿真中无法实现或不切实际的应用。

开放通道或“自由表面”问题

明渠流动或“自由表面”问题表现为液气界面，这在水和废弃物管理应用中非常常见，如水流通过开放式渡槽或部分注水管道，或海洋应用如船体阻力预测。在CFD中，这些任务通常通过数值方法完成，如“流体体积”方法。

SIMULIA 在几个关键方面扩展了 SOLIDWORKS 流仿真在“自由曲面”问题中的能力：

• 更高的性能

• 表面张力和毛细作用的支持

• 特殊边界条件的支持

首先，新一代CFD求解器和HPC云资源的结合，根据我的经验，中等或高复杂度的自由曲面问题在SIMULIA流体动力学工程师中通常比SOLIDWORKS流仿真更快求解。本文开头描绘河坝的动画在默认云端实例上仅用了大约30分钟的解算时间。

其次，SOLIDWORKS流动仿真的一个主要局限是无法表示表面张力。在SIMULIA中，表面张力和毛细作用都可以被表示，如下面简单的概念验证示例所示：将“吸管”插入液体腔室，无需其他特殊处理，液体因毛细作用上升至吸管。

图6。毛细作用的简单例子。

第三，软件提供了若干特殊的边界条件，对开放渠道问题非常有用。其中包括一个“浮动高程”进水口，避免了预测系统液压高度或进水线的“先有鸡还是先有蛋”的问题，并内置了海洋应用中的波浪生成支持。

图7。带有“浮动高程”进水口的大坝溢洪道。

此外，如果用户需要自定义功能，可以用JavaScript编写用户自定义子程序来规范边界条件的行为。

多物种与吸收或生产的混合

多物种流动，基本来说，是指混合问题，即两种或以上相同相态的流体可能被引入并沿着整体流动。

像SOLIDWORKS流仿真这样的工具完全能够在许多场景下模拟这些行为，但有一个特殊情况是，当特定物种必须通过与模型墙体或其他几何体的相互作用来吸收或产生时。在这里，能够在特定选择中指定吸收或生产速率的能力，在流体动力学工程师中变得极为宝贵。

图8。气体物质通过壁被吸收。

上方示例展示了一个粗略的概念验证模型，燃料电池吸收一种物质代表催化反应，会发生在电池壁上。

问题规模

有些问题在普通PC硬件上根本无法在合理时间内解决。在这种情况下，访问更高性能实例类型（撰写时最多可达144个核心）是有价值的。

常见的例子包括大型组件和系统的分析、旋转机械，或长期的热或混合问题。

图9。旋转机械示例。

SIMULIA 流体动力学工程师已被证明能够处理超过1亿单元的问题，使用顶级144个核心实例类型。对于长时间尺度的瞬态问题，堆积芯数也提供了将解题时间缩短至可管理水平的潜在方法。

高精度阻力预测

在利用计算流体力学预测物体阻力时，主要关注两个因素：“形态”阻力和“皮肤”阻力。

准确捕捉形阻相对简单，通常需要充分解析几何形状和尾流区域的整体形状，并使用合适的湍流模型。

高精度解析表皮阻力更为困难，这对于提高航空和流体动力学应用（如飞机、船舶及旋转机械如泵和叶轮）的效率尤为重要。

SIMULIA 工具在这里提供了几个关键优势。“体拟合”或共形网格法允许以极少的单元数高效捕捉CAD几何形状的精确形状。专用的边界层元件允许用户利用壁面功能，或直接解析对皮肤阻力至关重要的粘性子层。根据第一格高度和相关的“y+”值，自动切换。

图10。SIMULIA 流体动力学工程师中的人体贴合网格。

在使用带有切割单元的笛卡尔网格系统进行网格的SOLIDWORKS流仿真中，可能会出现几个问题。首先，虽然这种网格系统非常适合电子冷却应用中常见的块状零件，但对于有机形状的零件，可能需要相当程度的网格细化才能充分解析几何形状。

图11。SOLIDWORKS流模拟中的笛卡尔“切割单元”网格。

如上图放大图所示，即使设置了局部网格控制，翼型前缘仍存在几何离散误差。此外，由于没有专门的边界层元素定义，若需要，也无法实际完全解析粘性子层。理论上，如果网格细化足够，软件会转而解析子层，但实际上对于网格技术的真实三维问题来说，这并不现实。

SIMULIA 流体动力学工程师在高精度问题上的另一个主要优势是其额外的湍流模型。SOLIDWORKS 流速仿真仅提供 k-ε 模型，SIMULIA 增加了广受欢迎的通用 SST k-omega 模型，以及许多航空航天应用中青睐的 Spalart-Allmaras 模型。

图12。可用的湍流模型。

根据模拟的性质、流态和行业标准，用户可以选择最适合其应用的湍流模型，并恢复使用不当模型可能丢失的一些准确性。

多物理工作流程

3D EXPERIENCE SIMULIA 中另一个有趣的工作流程是 Multiphysics。之前提到过，不同领域存在多种求解器，且不同工具之间的接口相对标准化。

这为一项研究或研究类型的结果提供了极佳的选择，可以转移到另一项研究中，以应对多物理模拟。与需要学习多个独特软件包相比，用户在CFD研究中跳入有限元分析的体验相当直接。

图13。CAD模型、流体仿真和结构仿真。

在上述例子中，最终目标是分析河坝在洪水条件下所承受的载荷下的应力和挠度。CAD模型最初导入SIMULIA流体动力学工程师，并作为“流体体积”或自由表面仿真进行分析。

该项目的最终目标是将大坝表面计算出的流体压力映射到SIMULIA Structural Mechanics Engineer中的相关结构分析。

图14。期望的压力映射。

为此，在大坝期望的面上定义了一个“端口区域”，以便将相关场地与下游模拟连接起来。

图15。港口区域定义。

一旦港口区域确定，压力场便可轻松地作为载荷引入结构分析。这两种研究都可以顺序解决，以进行“单向”流体结构相互作用或FSI分析。

请注意，还可以将其他物理行为映射，比如热计算流体力学分析中的温度梯度映射到用于热应力预测的结构研究，甚至是来自其他求解器如电磁分析的数据。

摘要与结论

3D体验 SIMULIA 流体动力学工程师相比入门级工具如SOLIDWORKS流动仿真，提供了更高级的CFD能力。通过利用最新求解器技术、可扩展的云HPC资源和专用边界条件，它使得研究原本不切实际的问题成为可能，例如具有表面张力的自由表面流动、吸收或生产过程中多物种混合，以及需要体贴网格和高级湍流模型的高保真阻力预测。

3DEXPERIENCE的工作流程从几何体导入到网格、求解和后处理都很简单，同时通过代币或信用点灵活调整可用计算资源。这种可用性与计算深度的平衡使其非常适合处理大型组件、长时间尺度模拟以及流体-结构交互等多物理工作流。

话虽如此，它并非所有用例的显而易见选择。如果你只需要快速的设计时间检查和迭代，且可能不在意最后几个百分点的准确性，那么考虑真正嵌入CAD的CFD工具仍有充分理由。SOLIDWORKS流仿真的网格技术也非常适合电子冷却等特定任务，虽然SIMULIA流体动力学工程师也能解决这些研究，但可能需要更多的设置时间和几何准备。

然而，对于需要超越桌面计算流体力学或利用更高级物理技术的工程师来说，SIMULIA 流体动力学工程师提供了一个可行的选择，兼具准确性、可扩展性以及满足广泛应用高级分析所需的求解器选项。