技术分享 | Simcenter FLOEFD前端流体仿真软件

上世纪60-70年代CFD仿真软件主要根据客户需求，采用定制化开发，使用范围主要在军工航天等个别领域；随着硬件技术和算法的不断更新，现如今CFD仿真已形成多物理场、定制化模块的仿真软件，无论是航空航天、汽车制造工业机械、医药生物等行业都有CFD的身影。软件的种类也十分丰富，其中Simcenter FLOEFD作为一款前端流体仿真软件，具有的七大关键技术使得FLOEFD无论是计算精度、可靠度；还是使用便捷度都用很大提升，在市场上具有一定的竞争力。本文主要针对该软件关键技术进行介绍，使读者对FLOEFD有一定认知；软件的具体使用技巧会在后续的推文再给予介绍。

Simcenter FLOEFD作为一款无缝集成于CAD软件的工程化热流分析软件，前身为苏联时期应用于航空航天领域的Aershape-3D；软件基于笛卡尔网格法进行CFD仿真，该方法是数值、分析和经验数据相结合的产物，在几乎任何复杂计算域中都可以产生高质量的仿真结果，同时又保持较低的资源需求。此外，FLOEFD完全嵌入到设计环境中，将CFD模拟早期移动设计过程中，减少传统CFD仿真过程中的模型在设计软件和CFD软件之间的转换，帮助工程师尽早的查找趋势，排除不理想设计；对于整个仿真模拟过程而言，降低了75%以上的时间。

图1 FLOEFD与传统CFD仿真过程对比

传统CFD仿真软件除了在仿真流程上较为繁琐复杂外，对使用者的数学素养、网格划分技术以及编程能力等都提出了一定的要求，增加了用户使用的门槛。FLOEFD是针对机械设计人员开发的软件，使用者只需要掌握基础的流体动力学和传热学知识，无需理解更多的数值分析方法和流体方程，便可在熟悉的CAD界面中完成包括CAD模型建立、边界条件选取、自动网格划分、目标设置以及后处理等模拟分析；FLOEFD软件的易用性、快速性、准确性使得软件从学习到掌握只需要短短数天便可完成。

图2 FLOEFD VS传统CFD

FLOEFD作为全球唯一一款嵌入到CAD软件中的流体和热流分析软件，在模型设计阶段便可同时开展模型模拟验证，降低设计成本，节省设计资源。本文将对FLOEFD软件的关键技术特点以及使用场景进行阐述。

FLOEFD软件具有七大关键技术，分别为直接嵌入CAD软件环境、矩形的自适应网格、强大的层流-过度-湍流模拟能力、自动收敛控制、变量设计分析、工程化的用户界面以及边界层修正壁面函数；接下来将对每一部分内容进行详细介绍：

图3 FLOEFD七大关键技术

图4 嵌入CAD运行环境

FLOEFD与CAD软件无缝集成，完全支持直接打开Pro/E、Catia、Solidworks、NX、Solid Edge以及Inventor等主流三维CAD模型；并且可以导入IGES、STEP、ASIC、VDAFS等格式的模型文件。由于FLOEFD是嵌入CAD软件中直接面向结构设计工程师，因此与传统CFD软件有以下不同：

首先在FLOEFD直接使用CAD模型，不需要模型在不同软件之间进行切换；减少了转化过程中可能存在的模型细节丢失；

其次FLOEFD可自动区分固体域和流体域，无需人为设置。

图5 FLOEFD自适应网格

网格划分是CFD仿真的重点，网格划分的质量直接影响模拟的分析结果。传统的流体仿真过程中网格划分要占到整的模拟时间的80%以上，而且对使用者的专业背景要求很高。FLOEFD使用自适应网格技术对流体和固体区域进行自动啮合，并对界面处进行局部加密；把繁琐的网格划分工作交给软件，减少执行时间。此外，软件也支持手动网格细化，增加网格局部质量，提高仿真精度。

图6 FLOEFD层流-过度-湍流模拟

Simcenter FLOEFD采用修正的K-epsilon 2方程模型求解湍流；该湍流模型已经在整个雷诺数范围内进行了基准测试和验证，解决层流-过渡-湍流的自动求解。此外，自动应用与网格无关的修正壁面函数，进行层流与湍流模型。与传统CFD仿真求解方式对比，具有更短的设置时间以及更高的求解精度。

图7 FLOEFD自动收敛控制

与传统CFD工具不同，FLOEFD并不主要使用残差图来确定收敛性，FLOEFD采用基于目标的收敛方式，使用者也可以在仿真的过程中设置感兴趣的参数作为目标，求解器在停止求解之前确保指定参数的求解精度。

指定模拟目标的好处是，求解器从分析中知道什么是重要的，并将确保在这些目标上有良好的收敛性。Simcenter FLOEFD有一个非常稳定和健壮的求解器，保证一次求解成功，无数值假扩散永。

图8 FLOEFD变量设计分析

由于现代CAD软件的参数特性，单个组件可以用于驱动具有不同部件或约束的许多不同配置。Simcenter FLOEFD可以利用这种参数配置能力，并自动将CFD项目标记到每个配置上。这意味着Simcenter FLOEFD项目只需要设置一次，然后简单地克隆到后续配置中。所有设置信息在项目之间保持不变。批处理运行还允许对所有配置进行顺序求解。

图9 工程化用户界面

Simcenter FLOEFD使用向导驱动的设置过程来确定分析类型和设置基本参数。求解后，结果以易于使用的可视化或数值格式显示，也可导出到Excel或Word中进行进一步处理。同样，该工具关注的是工程师和他们期望如何使用该软件。这样做的好处是减少了设置时间，并且能够轻松快速地提取选定的工程数据。许多报告生成都是自动化的，以进一步提高生产率。

图10 边界层修正壁面函数

Simcenter FLOEFD修正壁面函数、网格模型和湍流模型都有关联。壁函数给出了精确的和网格无关的边界层模拟，而不需要精细网格。经验测试数据再次被用于基准测试和验证与Simcenter FLOEFD的Smartcells应用的边界层模型。壁面函数的好处是，正确的边界层应用于所有场景，我们不需要在壁面加密网格。

Simcenter FLOEFD软件作为全球唯一一款嵌入CAD的热流仿真软件，基于当今广泛采用的有限体积法开发，能够内置于Pro/E、Catia、NX、Solid Edge等多款主流CAD设计软件；软件使用界面直观简洁、灵活方便，新用户尤其机械设计人员能够熟悉并完成流体和传热分析。