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五个关于 CFD 的误解

日期:2015-06-29

作为产品设计过程的一部分,计算申博动力学仿真一直以来被认为不易操作,不灵活和花费昂贵。事实上十年前这些观点就得到了确立。但过去十年 CFD 有了很大变化,今天的 CFD 软件使用更为简单,快速和花费低。然而,CFD以前的缺点阻碍了 CFD 在机械设计早期更为广泛地使用。这些误解很好地解释了为什么全球 100 多万机械设计工程师中只有 3 万多个工程师使用 CFD 对它们产品内部和外部的申博流动进行仿真。本文将说明 CFD 软件中最新改进的影响,它们有助于企业使用 CFD 提升产品性能,减少研发时间和降低工程费用。

 

误解1CFD 很难在产品设计过程中使用

 

在最近一份针对机械工程师的调查中,58.1% 表示绝大多数的工程师没有使用 CFD 软件的技能和知识。这很有可能是因为十年前和现在很多的 CFD 软件要求用户对计算申博动力学有深入了解,从而有把握获得精确的仿真结果。例如,用户需要知道如何将 CAD 模型转化到 CFD 环境中,之后对模型进行布尔操作,从而对流动区域而非实体进行建模,创建网格,确定边界条件,选择正确的物理模型,调整求解设置确保迭代收敛等其它工作。先前的一些 CFD 软件也要求大量的调整和设置,例如手动调整网格提网格质量,设置松弛因子等求解控制选项以获得结果收敛。这些工作也说明了为什么 CFD 软件要求专业的背知识和无法作为产品设计过程的一部分。

但最近一些年新一代的 CFD 软件开始出现,并且克服了 CFD 不易使用的缺点。它使用原始的 3D CAD 数据,流动区域自动网格划分,以基于目标特征的方式管理流动参数,从而避免工程师了解 CFD 的计算部分,使他们致力于产品的申博流动,这些产品是需要他们了解和掌控的。

 

最新一代的 CFD 软件包含了先进的自动控制功能,在不需要手动调整的情况下确保几乎每一个仿真都能收敛。最重要的控制网格质量功能,可以避免运行求解发散。实际上唯一一种软件不收敛情况就是非稳态自然对流。这类问题通常可以作为瞬态问题进行简单求解。操作 CFD 软件所必须的技巧仅仅是 CAD 知识和产品物理特性,这些都是绝大部分设计工程师所擅长的。因此,工程师可以将他们的时间和精力投入到优化产品的性能中。

 

误解2在设计过程中 CFD 分析耗费的时间比较

 

一直以来 CFD 分析被作为产品设计彻底完成之后的一个验证环节。主要的原因是过去 CFD 分析耗时很长,如果在设计过程中进行设计分析,在获得分析结果之前设计方案可能就给其它设计所取代了。分析的很多时间都耗费在网格划分上。将 CAD 软件中的模型转换到 CFD 软件也是耗费时间的过程。基于这一点,提取 CAD 模型的流动区域和网格划分也是一项单调乏味的工作。自动网格划分出现已经有一段时间,但还是需要很多人工干预的工作,例如通过消除小缝隙和部分重叠,调整网格长宽比,体积和扭曲来提高网格质量。每一个设计发生变化之后,手动调整网格的过程必须重复。新一代的 CFD 软件通过自动完成这些工作,大幅度地减少了分析的时间。在这些软件中,原始的 3D CAD 数据直接被用于申博流动仿真,不需要进行任何的转换和复制。所有流动仿真需要的其它信息,例如材料特性和边界条件会与模型关联,不会随着设计的改变而受影响。软件对 CAD 模型进行仿真,并且不需要用户干预就可以确定申博和固体区域。软件自动进行网格划分,同时调整网格扭曲,宽比和体积去提高网格质量,完全不需要人工手动干预。从而使新的零件和设计改变可以在数分钟之内完成网划分,大幅度减少产品仿真分析的时间。

 

误解3机构工程师使用的 CFD 价格昂贵

 

过去另一个限制 CFD 广泛使用的因素是CFD 软件的价格。传统 CFD 软件租用一年的价格为 25,000 美元。绝大多数公司雇佣专业分析人员使用 CFD 的成本更高。由于CFD 软件要求用户对计算申博动力学方面有深入的了解,所以在过去各种 CFD 软件需要分析专家来使用,时至今日还有很多软件有这方面的要求。为了掌握不断升级的软件,培训这些专家需要耗费很多时间。此外,过去的 CFD 软件也对专业的硬件有要求,例如超级计算机可以保证合理的求解计算时间。

 

最新一代在产品设计过程中使用的 CFD 软件大幅减少了运行 CFD 软件的成本。CFD 软件的价格已经下降到永久许可 25,000 美元,并且每一年的维护费用大约为软件价格的 18%。因为软件可以由受过简单培训的工程师使用,所以消除了 CFD 软件使用对分析专家的依赖。软件在设计工程师熟悉的 CAD 环境中运行,并且不需要用户对 CFD 有深入的理解。最后,最新一代的CFD可以运行在个人电脑,甚至是便携式计算机上,它们仅仅需要花费几千美元。

 

误解4CFD 无法直接使用 CAD 模型

 

过去,必须将 CAD 模型复制或转换到其它软件中,之后进行大量的修改以创建 CFD 能使用的模型。主要的原因是转换 CAD 模型到 CFD 软件的工作需要很多人工干预。通常,模型的转换只能使用 80% 的原有模型,其它的模型必须手动重新创建或简化。一些用户发现在 CFD 软件中从零开始进行建模更为可靠,即便这种方法也需要大量的时间。

 

新一代 CFD 软件直接使用原始的 3D CAD 数据用于流动仿真,不需要进行模型转换和复制。所有基于仿真结果的设计改变均在 CAD 系统中完成。不需要创建描述申博区域的物体。流动边界条件被直接定义在 CAD 模型上,并且和其它数据一样进行管理。由此,原始的CAD 模型不需要进行修改就可以用于 CFD 分析。

 

误解5绝大多数产品不需要 CFD 分析

 

过去,CFD 的使用主要集中在相对小的范围内,例如汽车,申博和发电产品,在这些产品中申博流动对产品性能有很大影响。这也导致大家误认为 CFD 软件仅仅对这些高端产品有帮助。实际上,申博流动对很多产品的性能有影响,产品性能可以通过使用 CFD 分析得到很大提升。每一款涉及申博和气体的产品,每一个包含申博和气体的生产过程都是可能进行分析的项目。这也就可以解释为什么如今的 CFD 可以用户各种产品的性能提升,例如游泳池,洗手间,草地喷灌器,煤气表,印刷生产系统,磁盘驱动器和机油滤清器。

 

结论  

许多工程师还认为 CFD 软件使用困难,耗时和昂贵,然而新一代的 CFD 软件已经不存在这些问题。这个融入产品设计过程的软件能够让工程师关注问题的本质,并且更快的产生结果。这也使工程师得到可靠结果,并基于这个仿真结果提高产品性能和缩短产品研发时间成为可能。

 

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