利用早期CFD优化流体系统设计

Mentor Graphics将其组件级和系统级CFD工具结合在一起

CFD曾经是具有深层理论背景和丰富经验的分析师的独家境界。虽然这些分析师仍然统治领域，但它们不再孤单。

早期(通常称为“前期”或“并发”)CFD工具的发展为机械设计工程师这一新型用户打开了该领域的大门。

早期的CFD工具不是传统CFD工具的替代品，或使用它们的分析师。它们易于使用和速度优化，嵌入CAD，最常用于机械设计工程师，在产品开发过程中早期，当变化成本低时。

早期CFD的好处是显而易见的。PLM行业咨询公司CIMdata指出了CFD早期的一些潜在商业价值:

更快的设计过程
改进产品设计
减少返工
提高质量
减少原型
更快的时间到生产的时间

早期CFD的供应商和支持者通常在组件零件或组件的背景下表征这些益处。但他们没有谈论系统。

这可能是因为早期的CFD工具，也不是传统的CFD工具，通过自身造型流体系统。它们都缺少关键组成部分：1D分析。

1D和3D：CFD的兄弟双胞胎
大多数工程师所熟悉的CFD软件实际上是3D CFD。它可以为复杂的3D组分提供流体动力学(包括流动状态、相变和化学反应)的详细信息。

很多工程师不熟悉的CFD软件是1D CFD。它被用来模拟一维流体系统中的流量、压力变化和温度波动。基本上是由管道、连接器、阀门、泵、压缩机、热交换器和其他类似部件组成的网络。这些流体系统在汽车、航空、石油、天然气、电力和能源工业中很常见。

1D CFD用于模拟流速，压力变化和一维流体系统中的温度波动，例如该自动冷却系统。

1D和3D CFD非常不同但互补技术。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分析要求从详细的组件几何开始，但是1D CFD从一个组件模型库开始，其特性已经经验或半经验地预定了预先确定。1D CFD分析提供了对流体系统的整体行为的理解，但不提供通过3D CFD分析可以提供的各个组件的本地行为的详细了解。虽然3D CFD计算通常需要数小时，但是1D CFD计算相对较快，并且可能只需要几分钟的时间。

在复杂流体系统中，通常存在具有复杂内部流动的非标准部件。一个理想的解决方案，模拟这样的系统，是耦合一维和三维CFD分析。该操作允许对整个流体系统进行一维分析，并在需要时进行更详细的三维分析。

耦合
耦合是多领域分析的一种标准策略。耦合一维和三维CFD有两种常用的方法。第一种是协同模拟，这种方法允许不同的模拟工具同时对单个组件进行模拟，并以协作的方式交换信息。

第二部分是组件特性，使用多个3D CFD分析来基于一系列边界条件为组件建立响应模型。该模型可用于一维系统模型。

选择采取的方法取决于分析的系统。通常，如果1D模型的变化会影响3D模型，则共模是正确的方法。如果型号中的更改不会影响另一个，则组件表征是一个不错的选择。

如果1D-3D CFD耦合，特别是联合模拟存在问题，那就是这是一项专业技能。虽然有一些基于标准的耦合工具可用(例如，来自Fraunhofer SCAI的MpCCI CouplingEnvironment)，但所需的确切过程在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能力，而是来自与传统CFD相比改进的工作流程。这表明了一种有趣的可能性:如果使用早期的CFD工具而不是传统的CFD工具来实现一维-三维CFD耦合，并且没有专业人员的服务，会怎么样?

Mentor Graphics已经做到了这一点，最近他们宣布了FloEFD Concurrent 3D CFD软件和Flowmaster 1D System CFD软件之间的本地耦合。

导师图形的FLOEFD CFD软件使用实验设计来表征复杂3D部件的边界条件，例如水夹克。这些数据可用于流动系统模型，以预测冷却系统的性能。

FloEFD是早期CFD的一个杰出例子。它可以嵌入到主要的CAD系统中(包括CATIA V5, NX, Pro/E, Creo，和SolidWorks)，也可以独立使用，与Inventor和Solid Edge紧密集成。它是为机械设计工程师使用而设计的，通常需要少于8小时的培训，并且在从CAD模型创建分析网格方面非常快速和有效。

Mentor在今年早些时候收购的Flowmaster是一种重要的一维CFD工具，已有20年的历史，广泛应用于汽车、航空、石油、天然气、电力和能源行业。

FloEFD和Flowmaster之间的耦合工作流很简单，不需要编程。首先，系统工程师使用Flowmaster创建流体系统模型，并使用集中质量表示来描述需要描述的3D组件。系统工程师将边界条件从模型传递给设计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为FloEFD中的3D组件创建并运行实验分析设计，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，以后可以在相同或其他项目中重用。

FloEFD/Flowmaster的耦合解决方案并不适用于所有流体系统。对于一些具有边界挑战的系统，联合模拟可能会更好地服务于它们。(这对Mentor来说并不是一个问题，因为Flowmaster支持使用MpCCI进行联合模拟。)然而，对于大量的应用程序，耦合的FloEFD/Flowmaster解决方案将工作得非常好，并将提供比联合模拟更有效的工作流程。

从业务角度来看，降低产品开发风险的关键是在流程的早期提供更多可用信息。Mentor的耦合1D-3D CFD解决方案在产品开发过程中提供了比任何同类解决方案更早的信息。

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