“神器”登場，Cadence Fidelity CFD 大幅提升“小汽油機”設計效率

Cadence楷登

2023年6月19日 11:49

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“神器”登場，Cadence Fidelity CFD 大幅提升“小汽油機”設計效率的圖1

中國內燃機工業協會小汽油機分會 2022 年年會于 11 月 3 日 - 4 日在重慶召開。會議圍繞中國小汽油機行業現狀及發展趨勢、國內外政策形勢及展望、標準化工作、自主品牌建設、數字化轉型、行業共性熱點問題等展開互動交流和專題研討。本次年會專門設置的 CFD 分會場上，Cadence（楷登電子）推出的 Fidelity CFD 解決方案占居“C 位”，獲得與會業界人士廣泛好評。

“小汽油機”分會擁有 180 余家會員單位，集合了以小汽油機動力為主，以泵、發電機、高壓清洗機、風扇等配套廠商為輔的龐大群體。其產品包括發電機、發動機、割草機、清洗機、園林機械、微耕機、水泵等工業產品。去年全球“小汽油機”產品出貨量 7,000 萬臺左右；中國 3,967 萬臺，其中大部分用于出口。由于對作業現場的極強適應性，在可預見的未來，其下游需求仍將長期保持旺盛。

不過隨著碳中和、碳減排進程深入，“小汽油機”的減排增效日益成為緊迫問題，中國、美國、歐盟均相繼推出“小汽油機”排放標準限值。為了滿足越來越嚴格的排放法規，小汽油機產品設計也日趨復雜，除了化油器、空濾器、尾氣后處理裝置等部件的性能迭代，內燃機本身進氣道、燃燒室設計也是不容忽視、甚至更為關鍵的優化方向。

合理的設計可以有效提高缸內油氣混合均勻性，改善燃燒質量，減少燃油消耗，降低污染物排放，而這樣的設計優化，已經超出了傳統氣流運動測試實驗方法所能實現的限度，CFD 工具的應用可以說勢在必行。

對于不少小汽油機廠商而言，亟需一套能夠將前處理、求解、優化全流程先進工具結合在一起，統一 Workflow，界面簡單易用，可應對多物理場、不同集成級別仿真的 CFD 最佳實踐。

在當天的 CFD 分會場上，Cadence 針對小汽油機行業應用，展示了基于 Fidelity 軟件平臺的全套 CFD 解決方案。

“神器”登場，Cadence Fidelity CFD 大幅提升“小汽油機”設計效率的圖2

根據 Cadence 專家現場介紹，Fidelity CFD 解決方案具有高性能、高精度、多物理場仿真能力，內置求解器和自研算法為高性能計算量身打造，支持 CPU/GPU 異構加速，完善的功能模塊使其可以將 CFD 幾何處理、網格劃分、數值仿真、性能評估、多學科多目標優化的全流程在一個平臺、一個界面內實現無縫銜接，高度集成，打破了設計與仿真之間的隔閡，適合不同職能團隊高效協同，助力廠商打造更好的工業產品。

在前處理環節，Fidelity CFD 引入了多款 Cadence 獨創的網格生成工具，例如：

Fidelity AutoSeal 可以全自動、并行式極速完成洞縫搜索與幾何密封；

AutoMesh/AutoGrid 是葉輪機械網格劃分的標桿產品，其特性包括基于模板式的自動分配拓撲結構、家族樹形結構功能允許在一套設置下對多幾何進行分析、以及精細的子午面、B2B 和三維網格控制，從而可完成高質量的全六面體結構化網格生成，對并行計算架構的高效利用，使 16 核并行生成 1 億網格僅需 2 分鐘，極大減少產品研發周期；

AutoMesh/Hexpress 面向非結構化網格高效劃分需求，具備由體到面和由面到體的網格劃分方式，可自由選擇全六面體或以六面體為主的混合網格，支持幾何清理功能，并具有簡單易用的自動模式，可一次性生成流體-固體域網格，并支持高效并行計算架構。

值得一提的是，以小汽油機為動力的器械，往往在仿真中涉及到結構化和非結構化網格的混合，Fidelity CFD 可以實現自動系統匹配，完成快速生成。

上述新工具對傳統 CFD 前處理工作帶來了重大革新，一直以來幾何處理和網格劃分等自動化程度非常有限，占據了 CFD 工程師約 80% 的工作時間，Fidelity CFD 可以極大提高前處理效率。

Cadence 方面專家透露，Fidelity CFD 用于某款摩托車設計仿真，可以將原先兩個星期的仿真時間壓縮到兩天。

在求解環節，Fidelity CFD 引入了新一代求解器組合，針對可壓縮流體仿真、不可壓縮流體仿真、葉輪機械仿真、流動/振動噪聲仿真、固體強度/變形仿真等不同場景進行優化，以 DBS/PBS 為例，這組高效多用途的通用 CFD 求解器可實現多相流、多孔介質、流熱耦合、輻射、燃燒、流固耦合、空化、蒸發等多物理場仿真求解，并支持大規模硬件加速功能，而獨特的非線性諧波法求解器，則兼具定常級的仿真速度和非定常級的仿真精度，在求解精度和計算資源消耗之間實現平衡，可助力提高仿真性能，在確保準確度的同時縮短研發周期，以更快的求解速度獲得更高精度的預報結果。

而在優化環節，Cadence 的 Fidelity Optimization 提供了一個獨有的多學科高自動化優化平臺，全自動化是其最大的特色和優勢。

Fidelity Optimization 采用先進高效的人工神經網絡 + 遺傳算法，內置功能全面的 CFD 循環程序鏈，用戶無需自行編寫繁瑣的腳本文件，從參數化文件的生成、定義、建立代理模型、執行優化、驗證的全流程中僅需人工進行一次干預即加載樣本庫定義優化目標，極為方便易用。可實現多學科、多工況、多目標優化，更為貼近工程實際應用需求。

在 CFD 分會場上，Cadence 還分享了基于 Fidelity CFD 的葉輪機械氣動設計、馬達/發電機冷卻設計解決方案，事實上，這也正符合“小汽油機”產業的轉型升級需求，對于水泵、汽油發電機等集成小汽油機動力和葉輪機械部件的產品，在更高集成級別的設計優化離不開葉輪機械的 CFD 優化工具，在這方面，Fidelity CFD 同樣具備強勁實力。

汽車巨頭福特公司使用 Fidelity CFD 進行離心壓縮機優化，在不降低氣動性能的前提下，成功消除了背板局部的應力集中；
德國通風機廠商 Ruck Ventilatoren GmbH 通過 Fidelity CFD 調整流道和葉型，有效地消除了通風機靜葉尾部存在的流動分離，提高了產品性能，并被稍后的試驗數據所證實；
著名汽車品牌 Renault 通過 Fidelity 平臺優化工具，在明顯提高了設計點水泵效率的同時，也有效地拓寬了其工作范圍；對于非設計點下的性能提升尤為顯著。

隨著 Fidelity CFD 的推出，Cadence 向外界展現了向流體仿真、有限元計算（FEM）等更廣泛系統設計領域拓展布局的意愿和能力。依托數十年來持之以恒的內部研發與外延并購，Cadence 已成為電子系統設計（ESD）向智能系統設計（ISD）進化的領導者，賦能從元器件到云的端到端系統設計全流程，陪伴系統廠商向新的數字化時代邁進。

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Cadence 在計算軟件領域擁有超過 30 年的專業經驗，是電子系統設計產業的關鍵領導者。基于公司的智能系統設計戰略，Cadence 致力于提供軟件、硬件和 IP 產品，助力電子設計從概念成為現實。Cadence 的客戶遍布全球，皆為最具創新能力的企業，他們向超大規模計算、5G 通訊、汽車、移動設備、航空、消費電子、工業和醫療等最具活力的應用市場交付從芯片、電路板到完整系統的卓越電子產品。Cadence 已連續八年名列美國財富雜志評選的 100 家最適合工作的公司。如需了解更多信息，請訪問公司網站 cadence.com。

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