王鑫鑫

沈陽安世亞太

ANSYS Fluent 2022 R1版本在前處理、求解器和后處理方面的性能都有很多改善，使流場仿真功能更全面、流程更高效。本文將從這三個方面，介紹新版本軟件的主要功能更新。

前處理性能提升

1）復雜模型處理性能

現在，使用Fluent計算的模型越來越大、越來越復雜，很多時候一個計算模型中會包含大量的域，軟件的處理性能也隨之降低。2022 R1版本軟件，針對含有大量計算域的問題，在各種命令執行、圖形顯示以及讀寫方面都有了全面的改進。

如表1，顯示了用戶界面下不同命令性能的改善，尤其對于含有10000個以上計算域或邊界的問題，例如鋰電池Pack，速度可提升5-6倍。

2）替換部件劃分網格

在Fluent Meshing容錯幾何網格（FTM）流程中，增加了部件替換選項，可以增加、移除或替換模型中的幾何對象，而不需要對整個模型都進行網格重劃分，使設計變更迭代更加高效，功能支持所有類型的網格，能夠在面網格和體網格兩個級別實現部件的替換。例如汽車外氣動計算時，可以替換后視鏡、擾流板等部件，考察新設計方案對流場的影響。

圖2. 替換部件網格

3）邊界層連接

FTM流程中的添加邊界層任務，增加了邊界層后處理方法，當相鄰的計算域之間邊界層分辨率不同時，可以選擇Continuous，即使用非一致連接，避免使用默認的Stair-Stepping產生臺階過渡，改善邊界層區域厚度的一致性。

圖3.不同邊界層方法對比

4）表達式功能增強

之前版本的表達式，已經能夠使用Reduction Function例如平均、通量，獲取進、出口、壁面等邊界上的數據，新版本將該功能進行了擴展，可以使用這些函數獲取自定義面上的數據；如果模型中包含多孔介質域，可以考慮其對力的貢獻。

圖4. 自定義平面和多孔介質用于表達式

求解器功能改進

1）多GPU求解器

2022 R1版本的Fluent，推出了一個全新的多GPU求解器，盡管還是Beta功能，有一定的應用局限，但是測試結果顯示出了驚人的結果。如圖5所示的汽車外氣動模擬，采用1.05億網格，單精度+GEKO模型，在一個A100 80G顯卡上運行，每2s可迭代一次，從初始化到收斂僅用了20分鐘。一個NVIDIA A100 GPU的計算性能相當于640個AMD Milan核，ANSYS一些內部測試顯示，GPU服務器與同等的HPC集群相比，功耗降低了4倍，硬件成本降低了7倍。

圖5. GPU求解器加速比

2）專用的航空氣動模擬界面

Fluent引入了一個新的氣動界面，專門用于航空外氣動模擬，完整的實現從網格導入到結果后處理整個流程，并整合了最新的求解器和收斂增強功能，適用于亞音速到高超音速流動，也可以在界面內實現飛行條件參數化計算。

圖6. Fluent Aero Workspace

3）氣動噪聲

ANSYS Sound是一款后處理工具，可以通過聲音質量標準和聽覺測試對聲音進行分析和優化。Fluent 2021版本即增加了與ANSYS Sound的接口，2022 R1版本將該功能進行了擴展，增加了一個“ Ansys SoundAnalysis”對話窗口，可以使用來自某個位置的聲壓信號，并應用一個傳遞函數來模擬給定位置的聲音，如果有多個聲源，例如風噪、HVAC噪聲和電機噪聲，還可以分析在接收器位置這些聲源的合成效果。

可以使用單一部件的噪聲，如HVAC來預測艙內噪聲，這樣就可以在不建立艙內模型的情況下評估HVAC設計對噪聲的影響。

圖7. Ansys Sound Analysis界面

4）PCB Model

Fluent 2022 R1增加了一個非常好的工作流程“PCBModel”，可以將Icepak的設置導入到Fluent中進行更高級的熱分析。

如果模型包含更復雜的幾何、需要使用Fluent Meshing創建網格或者需要考慮冷凝等物理現象，而Icepak并不能滿足需求時，就可以使用Fluent讀入Icepack的文件和信息，包括ECAD的Trace、層、金屬百分比來計算PCB的各向異性導熱系數，Fluent會自動創建施加于PCB的固體材料，也可以讀入功率map分布。

圖8. Fluent PCB模型的應用

5）鋰電池仿真功能

在鋰電池仿真方面，第一個更新的功能是增加了新的基于物理的電池壽命模型，使用電化學原理而不是之前的經驗模型來預測電池容量衰減，能夠捕捉固體-電解質界面（SEI）層生長和析鋰。

圖9. 鋰電池壽命模型曲線

Fluent在模擬單個鋰電池模組和冷卻結構方面已有了很高效的流程，在此基礎上，增加了電池Pack生成工具（Pack Builder），可以使用已有的水冷板和復制/粘貼電池模組，簡化Pack模型的組裝和設置，通過Pack模擬獲得模組與模組之間的差異。

圖10. 鋰電池Pack生成工具

利用Ansys TwinBuilder的LTI和SVD ROM，可以在秒級得到3D瞬態熱結果，提高電池循環工況仿真的效率。之前版本的Fluent需要利用ACT、UDF和腳本為ROM提供訓練數據，2022 R1版本設置了LTI和SVD ROM工具可自動生成訓練數據，極大減少人工生成訓練數據的時間，

圖11. 鋰電池ROM工具

6）間隙模型

當使用動網格、Overset網格或者滑移網格模擬閥類、泵類的開閉問題時，會涉及到小間隙處流場的處理，此時可以使用間隙模型（Gap Model）。Fluent 2021R1將間隙處的流動完全阻塞，而2022R1版本，增加了一種新的使用人工粘度的方法，這種方法的好處是不需要進行域分割，網格拓撲不變，因此計算穩定性更好，尤其是對于旋轉運動如齒輪泵、容積泵等。

圖12. 間隙模型的應用

7）湍流優化器

Fluent 2022R1版本，可以使用伴隨求解器來訓練湍流模型，尤其是GEKO模型，能夠獲得類似于高保真度的尺度解析模擬結果，而不必花費很高的計算成本。

這種方法是利用梯度優化器，但不是優化幾何而是優化GEKO湍流模型的系數，軟件運用機器學習技術并為湍流模型系數構建神經網絡，可以在以后的模擬中使用來獲得類似于尺度解析模型的結果。

工作流程分為兩步，第一步是訓練，優化湍流系數來匹配高保真或者試驗數據，優化目標可以是標量數據如阻力系數，也可以是場數據，如從SBES仿真結果獲取的時間平均速度等，然后來設計神經網絡，歸納優化的GEKO系數與流場特征之間的關系；第二步是運用，將設計好的神經網絡整合到其他類似的模擬中。

圖13. 湍流優化器的應用

后處理功能提升

后處理方面，增加了視角同步功能，可以從相同視角查看多個視圖，用于視覺對比；增加了一些新的渲染材料，改善了模型渲染的靈活性；可以輸出流線動畫等。

2022 R1版本的Fluent，增加了一個新的后處理分析工作界面作為Beta功能，使用Ensight后臺，圖形界面仍保持Fluent圖形對象模式，提供了瞬態結果后處理功能和案例對比功能，能夠按步執行瞬態結果文件并創建動畫，可以加載多個數據集并對比結果。

圖14. 后處理：視圖對比和后處理界面

總結

除了上述功能之外，ANSYS Fluent 2022 R1在旋轉機械仿真流程、燃燒、多相流模型等方面也有重要的改進，本文不再一一詳述，這些功能改進無疑帶來了更全面的性能、更高效的仿真流程和更強的可靠性。

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