SOLIDWORKS利用流动冻结加速瞬态仿真

瞬态冷却仿真耗时久的原因

当仿真中不同物理过程的时间尺度差异巨大时，瞬态仿真求解会耗费大量时间。如果零件周边的流动场很早就达到稳态，而零件的升温或冷却过程仍在持续进行，**流动冻结（Flow Freezing）**功能可以将已经建立完成的流动场固定，只继续求解较慢的物理过程，从而缩短仿真时长。

锻造或热处理后工件冷却就是典型场景。本例中，多组金属锤初始温度为 1000℃，持续暴露在 30℃的恒定气流中，仿真目标是确定金属锤冷却至 200℃所需的时间。

金属锤周边气流的发展速度相对很快，但金属本体冷却要漫长得多。那么，气流充分形成之后，我们是否还有必要持续反复求解流场？

流动冻结正是用来解决这个问题的功能。

图：高温锻造金属件示例；这类冷却过程中，气流与固体传热之间会形成巨大的时间尺度差。

仿真模型搭建

模型由多排金属锤阵列组成。在真实冷却工艺中，金属锤悬挂在支架上，保证气流可以环绕工件流动。本次仿真为简化模型，省略支架与悬挂构件。

气流以 10 m/s 的流速掠过工件（由假想风机提供来流）。分析类型设置为瞬态仿真，在仿真时长内，金属锤温度与周边流场都允许发生变化。

图：仿真内金属锤按阵列排布，气流自左向右流过工件实现冷却（支架已简化省略）。

模型搭建完成后，仿真需要同时求解金属锤周边气流以及金属内部的传热过程。常规模式下，流场在整个仿真周期内持续参与求解。

由此引出一个关键问题：气流充分发展稳定之后，是否还需要持续计算流场？

什么是流动冻结

部分仿真包含多种发展速率差异显著的物理过程。如果其中一项过程远早于其他过程达到稳态，持续反复求解这个快速过程会占用大量 CPU 资源，却几乎不再输出新增有效信息。

在 SOLIDWORKS Flow Simulation中，对流带来的质量、动量与能量输运，通常比扩散类过程（例如温度变化、组分浓度变化）发展更快。流动冻结功能支持将压力场与速度场固定冻结，同时继续求解温度场与组分场。该功能非常适合流场近似保持稳态，但伴随较慢的热扩散或组分扩散过程的场景。

前面金属锤仿真就属于这类场景：气流环绕工件流动，流场建立完成后，我们重点关注的是金属本体缓慢的温度变化。

我们无需持续消耗算力反复求解已经稳定的流场，可以冻结流场，只继续开展热计算。

使用永久流动冻结

流动冻结设置位于【计算控制选项】>【求解】页面，包含三个选项：禁用（Disabled）、周期性（Periodic）、永久（Permanent）。本例选用永久流动冻结。仿真先按常规模式运行，完成气流发展；流动冻结的启动时刻由用户自定义，可以预留充足时间让流场充分建立后再执行冻结。

图：流动冻结在 SOLIDWORKS Flow Simulation中的路径：【计算控制选项】>【求解】

冻结时机不宜过早。必须预留足够时间让气流在金属锤周边充分发展。如果过早冻结，速度场无法真实反映稳定后的流动状态。举一个极端例子：仿真一开始就冻结流场，此时气流速度为 0 或接近 0，冻结之后无法体现 10 m/s 的强制对流，自然对流也无法继续发展，仿真结果会完全失真。

流动冻结的使用指引建议：初始发展时长至少取0.25 个行程时间（travels），多数工程问题下 0.5 个行程时间基本够用。但发展时长随模型结构与流动条件变化，用户需要结合自身算例测试，确认流场充分稳定之后再冻结。

本案例设置流动冻结在 1 个行程时间之后启动，保证气流充分发展，再固定速度场。冻结之后，已建立的速度场保持不变，金属锤继续冷却求解。

图：速度场充分发展后，金属锤周边气流形态示例。

冻结之后的仿真行为

启用永久流动冻结后，速度场不再重新计算，仿真算力集中处理较慢的热过程。

金属锤依旧持续向空气散热，温度随时间不断变化；随着金属降温，工件向周边空气的换热量也同步改变。仿真持续计算直到达到目标温度。

本案例的仿真目标不变：金属锤从 1000℃冷却至 200℃需要多长时间？

可以节省多少仿真时间？

不开启流动冻结时，流场速度场在整个仿真周期内持续求解，因此时间步长必须设置得很小。该金属锤算例，常规仿真自动确定的时间步长约为 0.003 s。开启流动冻结后，速度场固定冻结，仅求解冷热之间的热扩散，时间步长可以大幅放大，且不会出现大步长常见的数值不稳定问题。本例冻结后的时间步长达到 30 s，放大倍数高达 10000 倍！

不启用流动冻结时，预估仿真运行时长约 100 小时；开启流动冻结后，整套仿真仅需约 2.5 分钟即可完成。

未使用流动冻结时，工程师常会直接调大时间步长来加快出结果。本算例中该方式勉强可行，默认 0.003 s 步长余量很大，调大步长后不一定会明显失稳。但这并不具备普适性：部分流动仿真中，如果依靠单纯放大时间步长来缩短求解时间，极易引发数值失稳，出现速度畸高、温度异常飙升等不合理结果。

图：冻结方案结果（蓝色曲线）对比常规仿真方案（橙色曲线）。两者估算冷却时长均约 30–35 分钟，但求解耗时差距巨大。

周期性流动冻结

永久流动冻结适用于速度场可视为稳态、仅温度或其他慢变量持续变化的场景。但并不是所有工况都满足这个前提，这时就适合使用周期性流动冻结。

周期性流动冻结不会永久停止流场计算，而是交替执行两种状态：一段时间冻结流场，一段时间重新更新速度场；温度场与浓度场在每一轮迭代中始终保持计算。

该模式适合速度受温度影响的工况，例如流体密度随温度大幅变化的流动、浮力主导自然对流问题。回到金属锤冷却案例，来流速度恒定维持 10 m/s，不受工件温度影响，因此永久流动冻结效率更高，是更合适的选择。

流动冻结让瞬态算例具备工程可行性

金属锤冷却就是典型的多时间尺度仿真：工件周边气流很快达到稳态，而金属冷却过程漫长。常规全瞬态求解，即便流场已经稳定，依然持续计算流场。

借助流动冻结，仿真先完成气流建立；流场充分发展之后冻结速度场，算力聚焦在缓慢的热过程求解。

工程使用要点总结：当算例中速度、压力场快速收敛平稳，同时伴随热扩散、组分扩散这类耗时更长的慢过程时，启用流动冻结可以极大缩短求解时间。

备注：流动冻结同样支持稳态仿真。相关示例可查阅 智诚科技ICT 技术文章