用早期CFD优化流体系统设计

导师图形夫妻将其用于组件和系统级CFD的工具

CFD曾经是具有深厚理论背景和丰富经验的分析师的独家领域。尽管这些分析师仍然统治着领域，但他们不再孤单。

早期（通常称为“前期”或“并发”）CFD工具的增长已为新型用户开放：机械设计工程师。

早期的CFD工具不是替代传统CFD工具的替代工具，也不是使用它们的分析师。它们被优化，以易于使用和速度，并嵌入了CAD中，并且在产品开发过程的早期，当变化的成本低时，机械设计工程师通常会使用机械设计工程师。

早期CFD的好处是完善的。PLM行业咨询公司Cimdata指出了早期CFD中的许多潜在业务价值：

更快的设计过程
改进的产品设计
减少返工
提高质量
原型还原
更快的时间生产

早期CFD的供应商和支持者通常在组件或组件的背景下表征了这些好处。但是他们没有谈论系统。

这可能是因为早期的CFD工具或传统CFD工具都不能够对流体系统进行建模。他们都缺少关键组件：1D分析。

1d和3d：CFD的兄弟双胞胎
大多数工程师熟悉的CFD软件实际上是3D CFD。它可以为复合物3D组件提供有关流体动力学（包括流动状态，相变和化学反应）的详细信息。

许多工程师不熟悉的CFD软件是1D CFD。它用于建模一维流体系统中的流速，压力变化和温度波动。本质上，管道，连接器，阀门，泵，压缩机，热交换器和其他类似组件的网络。这种流体系统通常在汽车，航空，石油，天然气，电力和能源行业中发现。

1D CFD用于建模一维流体系统（例如此自动冷却系统）中的流速，压力变化和温度波动。

1D和3D CFD截然不同，但互补的技术。1D CFD用于分析流体系统。3D CFD用于分析组件和组件。虽然3D CFD分析需要从详细的组件几何形状开始，但1D CFD从组件模型库开始，其特征在经验或半经验上已被预先确定。1D CFD分析提供了对流体系统的整体行为的理解，但没有提供对3D CFD分析可以提供的单个组件的局部行为的详细理解。虽然3D CFD计算通常需要数小时，但1D CFD计算相对较快，并且可能只需几分钟即可执行。

在复杂的流体系统中，通常存在具有复杂内部流量的非标准组件。建模这样的系统的理想解决方案是将一对1D和3D CFD分析。此操作允许对整体流体系统进行一维分析，并在需要时进行更详细的3D分析。

耦合
耦合是多域分析的一种标准策略。耦合1D和3D CFD有两种常见的方法。第一个是共拟合，一种方法，可以通过同时运行的不同模拟工具并以协作方式交换信息来模拟单个组件。

第二个是组件表征，其中使用多个3D CFD分析来基于一系列边界条件为组件构建响应模型。然后可以在1D系统模型中使用该模型。

选择哪种方法取决于正在分析的系统。通常，如果1D模型的变化影响3D模型，则共模拟是正确的方法。如果两种模型的变化都不影响另一个模型，则组件表征是一个不错的选择。

如果1D-3D CFD耦合，尤其是共同模拟存在问题，那就是它是一种专业技能。尽管有一些基于标准的耦合工具可用（例如，来自Fraunhofer SCAI的MPCCI耦合环境），但所需的确切过程很大程度上取决于所使用的特定代码。

早期CFD的教训
早期CFD的好处不是来自改进的分析功能，而是来自传统CFD的工作流程的改善。这表明了一个有趣的可能性：如果可以使用早期CFD工具而不是传统的CFD工具来实施1D-3D CFD耦合，并且没有专家的服务？

Mentor Graphics已经完成了此操作，最近宣布了其FloeFD并发3D CFD软件与Flowmaster 1D System CFD软件之间的本机耦合。

Mentor Graphics的FloeFD CFD软件使用实验设计来表征复杂3D组件（例如水夹克）的边界条件。这些数据可以在流动员系统模型中使用，以预测冷却系统的性能。

Floefd是早期CFD的出色例子。它可在主要的CAD系统中（包括Catia V5，NX，Pro/E，Creo和Solidworks）和独立的嵌入其中，并与发明家和实心边缘紧密地集成。它设计用于机械设计工程师的使用，通常需要少于8个小时的培训，并且在从CAD模型中创建分析网格方面非常快速，有效。

导师在今年早些时候获得的Flowmaster已成为一项重要的1D CFD工具，已有20年的历史了，并被广泛用于汽车，航空，石油，油，天然气，电力和能源工业。

Floefd和Flowmaster之间的耦合工作流程很简单，不需要编程。它从系统工程师开始创建带有流量器的流体系统模型，并为需要表征的3D组件使用集总质量表示。系统工程师将边界条件从该模型传递给设计3D组件的机械设计工程师。然后，设计工程师使用这些边界条件来创建并运行Floefd中3D组件的实验分析的设计，从而创建响应模型文件。系统工程师只需在Flowmaster中打开文件即可使用响应模型。响应模型保存在Flowmaster的组件数据库中，可以在以后在同一或其他项目上重复使用。

耦合的Floefd/Flowmaster解决方案将不适用于所有流体系统。有些系统面临边界挑战，可以通过共同模拟更好地满足。（并不是说这对导师来说是一个问题，因为Flowmaster支持使用MPCCI进行共同模拟。）然而，对于大量的应用程序，耦合的floefd/Flowmaster解决方案将在异常工作，并且将提供比更有效的工作流程共模拟。

从业务的角度来看，降低产品开发风险的关键是在此过程中更早提供更多信息。Mentor的1D-3D CFD解决方案与任何可比解决方案相比，在产品开发过程中提供了更多信息。

导师图形
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