嵌入至CAD中的CFD軟件可以使一些中小型公司像OEM一樣進行流動和熱仿真

最近一份獨立的研究報告表明：業內頂尖企業使用流動仿真的數量是其競爭對手的兩倍。但是直到目前為止，由于計算流體動力學軟件高昂的價格和復雜的操作性，只有一些研究機構、學術組織和OEM能很好的使用。令人感到高興的是，一款來自Flomerics公司稱之為工程流體動力學（EFD）的軟件，使每一位工程師都能輕松使用CFD軟件。應用的方面包括為激光光學構建良好的保護罩、控制閥門內流動和提高大型熱交換器內的熱力學效率。Flomerics將其命名為EFD，從而與傳統的CFD軟件進行區分。
首先， EFD軟件嵌入至主流機械設計軟件中的這一特點非常值得關注。而傳統的CFD軟件只能用于具體的分析。在這些軟件中，幾何模型可能只有80％能進行轉化，其它的需要手動進行簡化。一些設計工程師可能需要在模型轉換進CFD軟件中浪費幾天的時間，當然前提還是建立在能成功轉換的基礎之上。EFD不僅僅能進行仿真，同時也可以進行模型設計的改變。
EFD軟件有若干個版本，不同版本適用于不同的主流CAD軟件。使用相應的軟件工具包可以將EFD嵌入至對應的CAD軟件中。EFD軟件可以使工程師直接采用原始的CAD模型，不需要進行任何的轉換和復制。此外，后處理的結果也可以直接顯示在CAD模型之上。
在這個案例中， EFD.Pro被完全嵌入至Pro/ENGINEER Wildfire中。因此CFD軟件具有Pro/E相同的操作界面和模型樹。所有的設計變更可以直接在CAD軟件中進行。對于諸如材料特性和邊界條件等流動仿真所必須的相關數據被關聯到相應的實體模型。流動條件被直接定義到固體模型，并且以類似于模型樹進行管理。


為了擴大應用范圍， Flomerics也為其它CAD軟件提供EFD。舉例，大型的汽車制造商可能需要大量其它格式的3D數據（IGES， STEP， VDAFS）輸入和輸出。進行 “What-if”方案設計需要頻繁的在軟件中進行模型修改， EFD軟件可以很好的避免時間的浪費和模型數據交換出錯的可能。這正是傳統CFD軟件所無法做到的。
可能許多用戶對生產商提供3D模型的應力和耐用性功能測試已經相當熟悉。EFD同樣具有讓用戶進行流體流動和熱交換測試的功能，從而讓設計趨于完美。EFD軟件可以對： “設計方案是否能工作在特定的條件下，是否能經受特定的壓力和溫度？”等類似問題給出滿意答復。由于軟件嵌入至CAD之中，所以具有相同的軟件界面，給人一種似曾相識的感覺。此外由于不存在模型數據轉換的問題，大大的減少了工作量。

由于EFD直接使用CAD模型，而CAD模型建立之初是進行制造，并非用于計算分析。但EFD的優先級可以很好的確定感興趣的流動區域，工程師不必進行手動確定特征和進行簡化。
事實上， EFD可以處理具有曲面和銳利拐角的復雜幾何模型，這主要是因為軟件采用了矩形自適應網格技術。 “矩形”意味著是正交六面體網格。求解器會自動的在需要更多網格的地方進行網格加密。而在其它區域使用粗糙的網格，從而節省計算機資源。由于網格有六個面，相對而言其求解更加穩定和高效。
與之相反，傳統的CFD軟件需要對網格進行大量的手動調整，從而保證網格的質量。最為棘手的是，每當設計發生改變，必須再一次進行手動網格調整。

盡管嚴格意義上說有限體積法（FVM）和有限元法（FEM）是一樣的， P EFD求解準則利用實際的體積空間并且直接從核函數得到這些結果值。EFD采用的是有限體積法。對于有限元法而言，計算節點或求解矢量通常保存在每一個網格面的中心和邊上。但是流體流動分析通常不是穩態的，并且需要不同的計算。有限體積法的計算節點保存在網格的中心。由于EFD在CAD軟件中工作，所以幾何模型應盡可能的精確。EFD會直接采用CAD模型，并且會判別重要流動現象發生區域處的CAD表面。簡而言之，EFD求解準則利用實際的體積空間并且直接從核函數得到這些結果值。
現在許多CAD模型都是基于參數化的特征， EFD也充分利用了這種方法的優點。除了幾何參數之外，流動條件也被直接定義到CAD模型之上。和其它設計參數相類似，這些條件以特征樹形式管理。例如你設計了一個閥門并且需要模擬其內部的流動狀態。流動中包含了溫度和相變等復雜的物理特征。使用EFD軟件可以獲得一些諸如壓降等重要的數據。EFD也可以使用參數化，所以用戶可以快速的完成多個仿真方案。一旦用戶完成了第一個方案求解，會以復制的方式創建第二個方案。復制的方案保留了諸如邊界條件和負載等相關數據。例如，對一個具有很多變量的閥門進行分析，僅僅需要半天的時間。
構建良好激光光學保護罩的方法
EFD.Pro是嵌入至Pro/E的EFD版本，其幫助一家芯片封裝機械制造商提升用于PCB和內存的元件性能。Fico公司致力于最新的半導體制造。
由于在制造過程中小的元件很容易損壞，所以必須具有非常高的制造精度。這家公司生產了一種新型機器，這種機器采用激光來加工零件。
這一新型機器有玻璃窗式的激光保護罩。保護罩可以避免激光照向其它地方，同時保證激光生成器不會受到灰塵和煙氣所玷污。但是這臺新機器只能正常工作15分鐘，之后就由于切割的激光失效而無法工作。這主要是因為切割過程中的灰塵弄臟了保護罩，使一部分激光被這些灰塵所吸收。清洗保護罩需要一定時間，從而降低了生產效率。

Fico的工程師Peter Venema說： “我們需要延長保護罩清洗的間隔時間，從而滿足我們客戶所提出的4小時清洗間隔時間，當然我們最終的目標是8小時。因此我們必須快速的尋找一種避免灰塵污染的方法。盡管我們的研發團隊沒有計算流體動力學方面的使用經驗，但是通過EFD.Pro我們獲取了大量有助于設計的數據。
我們的研發團隊設計了幾種不同的方案，之后逐步的提高保護罩內的空氣流動，在30<天內我們就滿足了客戶的要求。若像以往采用測試的方法，則需要更長的時間。
之后的沒多久，這個研發團隊實現了8小時清洗間隔時間。Venema說： “我們的客戶對產品非常滿意，但我們發現還有一種方法可以使清洗間隔時間更長。隨后我們采用EFD<進行最后的設計。最終我們的客戶告訴我們，我們設計的產品一次可以加工20，000個零件，也是就連續工作11個小時。”

最初通過EFD.Pro獲取的防護罩仿真結果表明設計方案的流動效果很好，但是在中間的流動再循環太強，以致很多灰塵進入到激光入口的玻璃窗中。每隔15分鐘就要進行清洗一次。

防護罩空氣入口進行重新設計之后，仿真結果表明氣流流動形式發生變化，玻璃上的灰塵減少。清洗的間隔時間大為延長。
嵌入至CAD
Flomerics對不同的CAD軟件提供了相應的EFD版本。EFD.Pro嵌入至Pro/ENGINEER Wildfire、EFD.V5嵌入至CATIA V5。很多用戶不知道EFD也被完全嵌入至Solidworks中，稱之為CosmosFloWorks。另外EFD.Lab可以于Autodesk Inventor和Siemens PLM CAD軟件一起工作。EFD.Flexx適合多CAD平臺的EFD licence，可以用于EFD.Pro， EFD.V5或者EFD.Lab。這給了工程師一個很大的選擇余地，他們可以根據其特定客戶和供應商的需要來選擇使用的軟件。

有一個使用CFD軟件進行設計的防回流裝置和自動控制閥門。Watts Industries制造的裝置通常要達到15個不同的水力要求，諸如：最小化壓力損失、高壓減壓閥和避免氣蝕現象。由于受污染的飲用水會造成災難性的后果，歐洲衛生部已經針對引用水頒布了嚴格的標準。除此之外，法國、德國、意大利和荷蘭等國家有更為嚴格的標準。
為了能滿足這些標準要求， Watts進行了數值模型系統的研究。它們公司的“Dry”研發部門采用Autodesk Inventor進行實體建模，并且使用EFD.Lab進行仿真模擬，此外 “Wet”研發部門對于實際的物理模型進行了測試。Watts公司的工程師說： “在最初的十個月中采用了數值模型研究，在一天之內就可以建立1～2個模型，并且進行測試。由于這個方法非常可靠，我們現在幾乎一直在使用。”
研發工程師主管Rene Aarntzen說： “我們以前的研發過程需要為所有的設計構建物理模型。通常構建一個物理模型就需要1～2個星期，之后的測試有需要幾個星期。所以驗證一個新的設計方案至少需要兩個星期的時間。往往需要進行測試的方案有很多，但是由于時間的限制無法進行那么多的測試。
Aarntzen說： “EFD的出現加快了我們產品研發的步伐。首先，機械工程師發現EFD.Lab易于使用。此外，軟件采用的是現有的CAD模型。事實上，軟件包含了許多非常實用的功能。例如，在特定流量下的壓力損失必須被維持在閥門和水不受污染的條件下。在EFD.Lab中可以觀察壓降變化和自動尋求平衡點。”
EFD軟件也幫助用戶從一個新的角度進行設計和研發。Aarntzen說：“我們的研發團隊在流體流動現象方面具有40年的經驗，我們知道產品中會出現何種現象，但是在我們使用EFD之前，我們不知道這種現象會造成什么結果。此外，我們在EFD中獲得的結果與測試結果很好的吻合。這對于我們以后建立一個結果數據庫非常有幫助。”
控制閥門內流動
許多汽車制造商在生產汽車空調系統的時，采用了二氧化碳而不是破壞臭氧的氫氟化碳。盡管二氧化碳被認為會造成溫室效應，但是和氫氟化碳的危害相比不值一提。采用二氧化碳進行工作時，對于諸如用于制冷劑充注的閥門等系統元件而言，需要重新進行設計，從而能在比以往壓力高7～10倍的條件下工作。

Ventrex Automotive GmbH的Graz 說：“以往在解決類似問題時，在獲得正確設計方案之前往往需要構建50個物理閥門模型。由于我們公司使用CATIA軟件，使用嵌入其中的EFD.V5軟件之后，縮短了我們研發時間。”

研發工程師首先在CATIA軟件中建立模型。之后直接在CATIA軟件界面菜單中選擇EFD.V5。EFD可以驗證閥門是否存在流動問題。此外EFD軟件自動生成的網格質量很高。工程師最后所要做的就是在CAD模型上施加相應的邊界條件。在這個例子中，入口處的壓力為59bar，而出口處的壓力為1bar。
Ventrex的項目主管Peter Pfaffenwimmer說：“我們僅僅花費了幾個小時的時間，就完成了我們最初設計方案的仿真模擬。我們直接在CATIA中觀察仿真結果，在原始的CAD模型上生成溫度云圖。矢量云圖顯示了制冷劑在每一個點的速度、方向和流動狀況，標量云圖顯示了速度和壓力值。EFD軟件幫助我們確定了流動急劇變化的區域。”
Pfaffenwimmer說：“之后我們就著重關注流動變化劇烈的區域，我們在壓力降變化劇烈的地方進行倒角。最后方便的生成網格，并進行計算。我們可以直觀的看到設計改變對壓降和流量方面的影響，從而了解哪一些設計改變具有積極的意義。”
當然，事實也表明不是所有的倒角都能改善流動狀況。EFD可以對局部區域的影響給出清晰的展示。所以我們對很多方案進行計算，并且對設計改動后影響進行判斷，確定是否滿足要求。
Pfaffenwimmer補充說：“由于CFD軟件仿真耗時很長，在仿真結果獲得之前可能某個設計已經被剔除了，所以在進行這些工作的時候采用CFD軟件是不明智的。與此相反，EFD軟件可以快速的對方案進行評估。幫助我們在給定壓力下減少了壓降，從而使流量提升了15％。此外，我們不再需要太多的物理模型，這又為我們節省了不少的開支。最為重要的是，我們使產品更快的進入市場。客戶反映我們的閥門在實際中運行的性能和仿真模擬幾乎一樣。
不破壞環境的熱交換
熱交換器、壓縮機和風機設計和制造商Bronswerk Heat Transfer BV 想要研發一種新型的空冷制冷器和風扇，并且要求它們要比同領域內產品具有更高的效率，同時還要考慮它們對環境的影響。這個制冷器可以用于石油、燃氣和化學行業。風扇的直徑尺寸的變化在2～10米，它們用于冷卻非常大的熱交換器。 設計的挑戰在于如何滿足ECB（Environmental Control Boards）嚴格的標準。ECB一個致力于健康、安全和環境等生活品質問題的政府組織。此外，設計的風扇還要抵御大風和由于建筑物遮擋所引起的空氣流動。

由此整個研發團隊求助于EFD.Pro。Bronswerk的高級工程師Guus Bertels說：“對于工程師而言，工程動力學軟件比傳統的計算流體動力學軟件更易使用和強大。此外，EFD可以獲得更多制冷器空氣動力學方面的數據，這是我們采用物理測量和實驗所無法得到的。”
這些新的設計要求研發團隊完全了解其空氣流動形式，并且將它們與以往的風扇進行比較。Bertels說：EFD.Pro使我們方便的對模型進行了數百個變動，從而將風扇和熱交換器優化到最佳設計，并且在不降低質量品質的前提下降低了成本。
Bertels補充說：“事實上，EFD軟件可以處理極度復雜的幾何體，由于風扇很大，其截面積也很厚。風扇葉片的傾斜角度只有0.5毫米。在這么大的尺寸范圍內進行仿真計算，對于仿真軟件而言是一個很大的挑戰。但EFD成功的進行了仿真計算。通過調整設計，我們最后獲得了高性能的制冷器。傳統的此類設備效率最高也就60％，但這個新型制冷器效率高達80％。因此，節約了不少能源消耗。即便擁有30年的流體流動方面的分析經驗，但Beretls說如果沒有EFD.Pro恐怕很難解決此類問題。”

仿真所得到的冷卻器的相關空氣動力學信息

仿真所得到的空氣流動截面圖
詢問商家
如果你想購買CFD軟件，請先詢問你的商家以下幾個問題：

• 能否使用現有的幾何模型？模型的轉換過程是如何進行的？（通過使用你現有的模型來檢驗軟件是否能達到商家的承諾）
• 用戶是否必須簡化模型？用戶如何使用軟件進行簡化？
• 自動生成的網格質量如何？
• 請商家對軟件如何處理空穴流動區域給出演示。
• 是否必須給問題設定層流或湍流？
• 請商家演示如何進行 “What-if”方案。
• 證明設計工程師也能使用軟件。
• 軟件的價格——永久性或每年租用。

EFD七大關鍵技術
EFD與傳統CFD采用的數學基礎是一樣的。但是EFD軟件中具有七個重要的關鍵技術，它們有助于工程師解決所遇到的工程問題。
直接應用CAD模型 傳統 CFD 軟件的前處理過程，首先是將結構CAD模型導入 CFD軟件的前處理系統，然后人為判斷哪些是流體流動區域，哪些是實體區域，據此再進行輔助幾何造型，通過布爾操作完成對實體區域的切割、刪除等等工作，稍微規模大一點的模型整個準備工作將需要耗去不少的時間。而在布爾操作等幾何操作失敗的情況下，CAD 結構工程師將不得不對結構進行重新造型。糾其癥結，主要的原因是CAD結構工程師與CFD分析工程師關注點不同。EFD軟件的出現，為CFD分析工程師帶來了巨大的方便，這得益于EFD與幾大主流CAD軟件的完全集成，使得EFD能夠直接應用CAD模型，自動區分固體區域，自動區分固體之外的流體區域，自動判定內部流動和外部流動。
矩形的自適應網格 網格劃分是傳統CFD軟件分析中的人工耗時最多的一個關鍵工作，網格的質量與分析結果的準確性具有直接的關系，傳統的CFD分析工程師都需要花費大量的時間去劃分高質量的網格。而這一現狀在EFD軟件中將徹底改觀，EFD的強大網格生成能力將CFD工程師從繁重的網格劃分工作中解放出來，因為EFD能夠自動進行固體和流體區域的網格劃分，并且根據幾何模型和/或求解自適應要求自動細化/粗化網格。完全支持人工網格控制。
修正的壁面函數 近壁面邊界層網格的劃分一直是傳統CFD軟件中一項重要的內容，EFD軟件對壁面的處理有自己獨特的優點：應用部分單元技術，壁面處理與網格無關。物理上修正的流動與換熱邊界層模擬
強大的層流-過渡-湍流模擬能力 自動應用與網格無關的的修正壁面函數進行層流與湍流的模擬。自動判定層流區,過渡區,湍流區，無需指定流動特征。
自動收斂控制 采用Cutting-edge數值方法和多重網格技術。健壯的收斂性，求解可靠。一次求解成功，無數值假擴散。
變量設計分析 支持“What-If”分析的特征克隆技術，無需對模型進行任何進一步的定義。允許對產品設計進行變量模擬，可用于產品設計中最優變量的確定。完全支持產品配置(Product Configuration)概念。支持多CPU計算，支持批處理求解。
工程化的用戶界面 易于使用的用戶界面。工程化的參數定義語言。基于特征的建模。動態可視后處理功能。帶有工程數據庫，可直接調用許多。工程材料等數據，包括風扇性能曲線等。MS Office后處理報表。使用風格同 CAD軟件，易于學習。支持將結果文件導入主流EFA分析軟件中。 關于如何在機械設計應用中使用工程流體動力學技術的更多信息，敬請聯系你當地的Flomerics分公司。登陸 www.flomerics.com網站查詢所有分公司或代理商。