?多物理場CFD分析的案例
CFD專欄丨多物理場仿真CFD+MBD篇：洗衣機平衡環
洗衣機平衡環安裝位置
平衡環內部結構
1
平衡環的多物理場仿真
平衡環內的液體晃動在CFD中屬于自由液面兩相流問題。而平衡環的運動軌跡則來自安裝在底部的驅動電機，洗衣筒體懸掛系統（吊桿、彈簧減震器）共同作用的結果，既有轉動也有擺動，屬于典型的多體動力學MBD問題。平衡環的糾偏（減振）能力除了和平衡環內的液體晃動力有關，也和洗衣機的懸掛系統相關。兩者是實時耦合，相互影響的。
以往的單物理場仿真方法要么假定平衡環的運動規律已知，或流體質心位置（液面形狀）已知，來分析，顯然不能反映真實的情況。
CFD+MBD模型
Altair AcuSolve+MotionSolve采用雙向耦合的方法，考慮了液體晃動和機構運動的相互影響。
AcuSolve輸入剛體的六自由度運動軌跡，輸出液體晃動產生的力和扭矩。MotionSolve則根據輸入的流體動態載荷確定下個時刻剛體的位移。兩個求解器同時求解，并在每個時間步交換一次信息。
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更智能的多物理場CFD
CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
在數值仿真領域FSI概念擴展到一般性的CFD模型和FEA模型的數據交換問題。
FSI真實案例：大橋與風場組成了耦合系統，大風產生了一定頻率的卡門渦脫落，這個頻率與耦合系統中的結構固有頻率相近，使系統發生了共振，大橋劇烈晃動直至崩塌。
大橋劇烈晃動直至崩塌
HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：
分析穩態的流場壓力和溫度場對固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
分析流體動載荷引起的固體振動現象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
瞬態流動引起固體大變形，并反饋給流場，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
固體本身的變形量很小，可以認為是剛體，但是整體產生比較大的位移，可以采用CFD耦合MBD多體動力學分析，也屬于雙向耦合。
以上幾種分析都可以在SimLab模塊中完成，流固交界面的耦合數據在后臺傳遞，無需用戶編輯腳本。
TFSI模型的計算代價最小，通常用于流體靜載荷或溫度梯度引起的固體小變形，例如汽車排氣管的熱應力，發動機水套的熱應力，車燈的熱應力等等場景。
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在數值仿真領域FSI概念擴展到一般性的CFD模型和FEA模型的數據交換問題。
FSI真實案例：大橋與風場組成了耦合系統，大風產生了一定頻率的卡門渦脫落，這個頻率與耦合系統中的結構固有頻率相近，使系統發生了共振，大橋劇烈晃動直至崩塌。
大橋劇烈晃動直至崩塌
HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：
分析穩態的流場壓力和溫度場對固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
分析流體動載荷引起的固體振動現象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
瞬態流動引起固體大變形，并反饋給流場，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
固體本身的變形量很小，可以認為是剛體，但是整體產生比較大的位移，可以采用CFD耦合MBD多體動力學分析，也屬于雙向耦合。
以上幾種分析都可以在SimLab模塊中完成，流固交界面的耦合數據在后臺傳遞，無需用戶編輯腳本。
TFSI模型的計算代價最小，通常用于流體靜載荷或溫度梯度引起的固體小變形，例如汽車排氣管的熱應力，發動機水套的熱應力，車燈的熱應力等等場景。
展開 
Cadence 新一代高性能、高精度多物理場仿真軟件平臺 Fidelity CFD
Cadence 于 2022 年 4 月發布了新一代高性能、高精度、多物理場仿真軟件平臺 Fidelity CFD（計算流體力學）。
Cadence 于 2021 年收購了計算流體力學軟件公司 NUMECA 以及網格生成軟件 Pointwise 公司。具體內容可回顧以下兩篇文章：
Cadence 收購計算流體力學軟件公司 NUMECA，擴展系統分析能力
Cadence 收購 Pointwise 公司拓展系統分析解決方案
Fidelity CFD 標志著一個全新架構體系的創建，是 Cadence 對收購的這兩家專業 CFD 公司進行技術集成的第一步。其統一的工作流程除去了工具間的數據傳輸，能讓我們以更快的求解速度獲得更高精度的預報結果。Fidelity CFD 是首款同時具有高階數值格式、尺度解析湍流模型和 GPU / CPU 加速功能的商用 CFD 軟件平臺。
Fidelity CFD 解決了計算流體動力學領域里最具挑戰的幾大需求：
1. 精準可靠地預報湍流的分離。現有較高精度的方法耗時過長，通常需要一周甚至更久時間，無法滿足產品開發周期不斷縮短的市場需求；而速度較快的方法則精度又欠佳。
2.
展開 多物理場的計算流體動力學仿真軟件Cradle CFD官方推薦學習資料
Cradle scSTREAM熱流分析軟件已經為電子行業服務了三十多年。該軟件不斷推陳出新，強大的前處理，高效的求解能力，無以倫比的超強后處理是該軟件的三大特色。針對電子散熱從板級，系統級，環境級，具有完整的解決方案。
因此，MSC Software聯合技術鄰組織了本次的直播課程，讓電子散熱仿真更高效、更簡單。由具有20年以上的流體仿真工程經驗的MSC流體產品負責人李晶為大家主講。
02
官方文檔
本文檔針對Cradle做了詳細的介紹，可免費下載。
1.Cradle-熱流分析解決方案.pdf
- 計算流體力學在工程中的作用
- Cradle提供的熱流分析軟件及可選工具，整合了最新的前沿技術
① scSTREAM和HeatDesigner-擁有可靠的跟蹤記錄
② scFLOW和SC/Tetra-不斷發展的最新CFD解決方案
③ scPOST-在同一環境下對多物理場進行可視化
- PICLS幫助設計人員輕松實現PCB的熱仿真
- Optimus是以優化和自動化為核心的仿真工具集成平臺
2.CFD Cradle聯合仿真案例集-更智能的多物理場CFD.pdf
本書闡明了當今流體工程所涉及的前沿解決方案，包括令人信服的案例研究，展示了CFD仿真幫助行業和公司進行創新的領域。
各行業的領導者和技術創新中心都在使用CFD解決方案來更好地理解、改進和驗證新設計或制定對策。
本書中可以看到Panasonic，Boostheat，Analog Way，Goldwin和Stirling Aviation都在使用Cradle CFD仿真來幫助達到客戶的期望以符合政策法規。
展開 Cadence CFD系統加速汽車多物理場仿真和優化方案【10月31日直播】
如何快速的完成 CFD 仿真分析優化成為業內關注的焦點，市場需要更精準、更快捷、更易于使用的CFD 工具。
“在豐田汽車歐洲公司，我們選擇 Cadence Omnis Autoseal 和 Omnis Hexpress（Omnis 軟件功能現已集成在Cadence Fidelity CFD 軟件平臺中）作為CFD 預處理的標準工作流程。這使我們的總交付周期和工時分別減少了 91% 和 97%，同時還提供了高質量的網格和出色的圖層覆蓋率。”
——豐田汽車歐洲公司 NV/SA 車輛性能工程研發經理Antoine Delacroix
Cadence? Fidelity? CFD 軟件平臺【原Numeca軟件】，則為多物理場仿真的性能和準確度開創新時代。它突破了傳統 CFD 求解器技術的局限，引入了新一代流體求解器。該求解器可提供高階數值格式、尺度解析仿真和大規模硬件加速功能，助力提高仿真性能，在確保準確度的同時縮短研發周期。
Cadence? Fidelity? CFD 可對流體湍流進行先進仿真，其預測汽車空氣動力阻力的精確度可比傳統 CFD 求解器高 10 倍。此外，這種高準確度的仿真分析周期可以從數周縮短到一天或更短，實現整車僅需數小時而非數天的前處理、從耦合式PBS到WMLES高精度求解，以及有AI加持的優化技術系統加速方案。
直播推薦
基于此，想要繼續了解Cadence? Fidelity? CFD軟件在汽車多物理場中的應用，歡迎各位小伙伴報名【Cadence CFD系統加速汽車多物理場仿真和優化方案】直播獲取更多詳情。
展開 Cadence 推出 Fidelity CFD 軟件平臺，為多物理場系統仿真的性能和準確度開創新時代
內容提要
統一的工作流程高度集成了 NUMECA 和 Pointwise 的突破性新技術，能夠顯著提高設計師的生產力
新一代高階流體求解器的求解精度高達標準流體求解器的 10 倍
新的大規模并行架構將復雜的航空航天、汽車、國防、船舶海洋和葉輪機械的 CFD 分析周期從數周縮短到一天或更短
對于航空航天應用中使用的行業領先的 Pointwise 解決方案，Fidelity CFD 還提供了高達 3 倍的網格劃分速度
中國上海，2022年4月21日——楷登電子（美國 Cadence 公司，NASDAQ：CDNS）今日宣布推出 Cadence? Fidelity? CFD 軟件平臺，為多物理場仿真的性能和準確度開創新時代。這是一套全面的計算流體力學 (CFD) 解決方案，適用于多種工業領域，包括汽車、葉輪機械、船舶、航空航天等。Fidelity CFD 引入了新一代流體求解器。該求解器可提供高階數值格式、尺度解析仿真和大規模硬件加速功能，可助力提高仿真性能，在確保準確度的同時縮短研發周期。
基于從收購 NUMECA 和 Pointwise 中獲得的專業知識和技術以及積累的計算軟件專業知識，Fidelity CFD 將所有先進技術結合在一起，助力 CFD 工程師通過簡化的工作流程更好地仿真多物理場的系統性能。
Fidelity CFD 中包含幾個專門用于船舶和葉輪機械應用的流體求解器，以及用于多種流體類型的通用流體求解器。
展開 鋁電解槽多物理場耦合分析之電熱場耦合計算
然而，鋁電解過程是一個電場、磁場、熱場、力場、流場以及濃度場復雜多物理場共同作用的過程，分析各場的作用機理，才能準確的描述鋁電解槽運行規律。開展多物理場仿真研究，逐步掌握鋁電解槽的運行規律，實現高效率、低能耗的鋁電解槽生產是鋁電解技術發展的趨勢。
電熱場耦合計算
1 模型說明
電熱場計算模型主要包括：立柱母線、大母線、陽極導桿、爆炸焊、陽極鋼爪、磷生鐵、陽極炭塊、電解質、鋁液、爐幫、陰極炭塊、鋼棒、扎糊、槽殼、搖籃架以及側部和底部的保溫材料。
槽幫模型的建立是通過建立槽幫橫截面形狀再拉伸而成。通過不斷調整橫截面形狀，可以調整槽幫模型，最終使槽幫表面節點溫度達到電解質結晶點。
拉伸而成的槽幫模型和角部炭塊模型有一部分是重疊的，需要進行布爾操作，而Solidworks里面沒有相減的布爾操作，所以布爾操作在導入workbench后進行。
陽極高度根據換極表確定。
圖1熱場計算整體模型
2 邊界條件
1、電場邊界條件
（1）立柱母線底部施加總電流420KA
（2）陰極鋼棒端頭施加零電位
2、熱場邊界條件
（1）電解槽周圍溫度按照車間實測溫度施加為50℃，覆蓋料表面溫度施加為槽內煙氣溫度120℃，其余位置根據實測結果給出。
（2）覆蓋料與槽罩內的空氣為對流和輻射換熱，綜合傳熱系數由公式確定。
展開 ALGOR多物理場分析
真實世界的力學行為通常是多個場同時作用的結果，通過多物理場分析軟件，工程師可以模擬多物理因素共同作用下產品的行為。ALGOR提供了可以模擬結構、熱、流體、靜電等各種自然現象的分析工具，并可以自動地在不同的物理環境分析之間傳遞結果。ALGOR提供的完善而方便的有限元建模、結果評價與顯示的用戶界面FEMPRO為多物理場分析提供了完整的解決方案。
MEMS器件多物理場耦合仿真分析
電-結構-流體瞬態耦合效應
接下來我們將利用TRANS126單元進行瞬態分析。
雙向流固耦合(FSI)分析可以確定空氣阻尼；所有結構都以某些形式表現出阻尼。因此，當瞬態結構分析包括阻尼時，我們可以求解逆向問題：通過FSI從相應空氣阻尼結果確定瞬態結構阻尼的結果。
◆ MEMS結構的響應時間通常非常重要。
◆ 對于微鏡尤其如此。
◆ 這里使用不同的基準幾何：微梁的長度×寬度×厚度為200×14×20 μm，而非250×8×20 μm，即大大提高剛性，可使共振頻率更高，響應時間更快。
1、模態結果
2、前三階模態最重要
1階模態：關于y軸的旋轉_梁扭轉
2階模態：水平/面內_梁y向彎曲
3階模態：垂直/面外_梁z向彎曲
第三階與更高模態之間頻率差異較大
◆ 在上圖實體模型中，微梁上的錐度（圓角）被移除以便于網格劃分
◆ 結構下方的氣隙=靜電狹隙=3μm
◆ 兩側的氣隙為100μm
◆ 結構上方氣隙為12μm
ANSYS ACT在沒有任何命令的情況下展示了現有的MAPDL聲學特性。這使您能夠：
◆ 定義MEMS相關的多物理場單元
◆ 添加特定的MEMS材料屬性
◆ 應用MEMS相應的邊界條件
小結
在ANSYS Workbench平臺上，利用ANSYS Mechanical 、和ANSYS ACT可用于解決與MEMS器件（包括微鏡）相關的非常困難的非線性問題。
展開 
MEMS器件多物理場耦合仿真分析
這使您能夠：
◆ 定義MEMS相關的多物理場單元
◆ 添加特定的MEMS材料屬性
◆ 應用MEMS相應的邊界條件
小結
在ANSYS Workbench平臺上，利用ANSYS Mechanical 、和ANSYS ACT可用于解決與MEMS器件（包括微鏡）相關的非常困難的非線性問題。
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OOFELIE::Multiphysics 多物理場仿真分析軟件
Open Engineering是一家在多物理領域提供計算機輔助工程(CAE)軟件工具和服務的技術公司。基于OOFELIE::Multiphysics平臺，為大型工業3D設計工作的進行分析優化。越來越多的高精度應用必須在苛刻的條件下運行，在仿真中可以綜合考慮多物理的影響因素，并利用多種算法快速求解，OOFELIE::Multiphysics多物理場仿真提供的數值結果貼近實際，大大節省了研發時間，也有助于提高設計創新，成功的技術創新是基于穩健的設計。工業仿真問題不同于理論研究，往往要求實物建模、真實多場分析并快速求解。仿真設計通常涉及結構、熱傳、機械、聲學與振動、壓電、熱阻、電流、流體、光學、微機電、電磁場等問題，這些物理場往往同時存在，相互影響。例如執行器、傳感器、微機電系統。 集成了有限元、邊界元、快速多級子算法的 OOFELIE::Multiphysics 仿真平臺能夠快速收斂和精確計算超大型多物理場耦合問題，減少設計周期，提高創新能力，是一款3D多物理FEA解決方案軟件。
OOFELIE::Multiphysics 軟件特點：
? 高效省時的用戶界面
? 高效處理超大規模的復雜問題
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? 旨在整合、共享和保護您的專業知識產權。
? 通過能夠從大多數供應商導入、修復和優化復雜的CAD模型，并在所有的物理仿真領域重用相同的模型，可以節省建模時間
? 多物理仿真領域是完全強耦合和集成的
OOFELIE::Multiphysics link to Zemax OpticStudio
OOFELIE::Multiphysics Solver 通過自動化的內存數據交換與 Zemax OpticStudio 緊密結合，幫助工程師準確預測光機系統和MOEMS的行為，在各種光學應用中，光學設計必須與熱機械材料相結合。
展開 OOFELIE::Multiphysics 多物理場仿真分析軟件 [ 一 ]
OOFELIE::Multiphysics軟件介紹：Open Engineering 是一家在多物理領域提供計算機輔助工程(CAE)軟件工具和服務的技術公司。基于 OOFELIE::Multiphysics 平臺，為大型工業 3D 設計工作的進行分析優化。越來越多的高精度應用必須在苛刻的條件下運行，在仿真中可以綜合考慮多物理的影響因素，并利用多種算法快速求解，OOFELIE::Multiphysics 多物理場仿真提供的數值結果貼近實際，大大節省了研發時間，也有助于提高設計創新，成功的技術創新是基于穩健的設計。工業仿真問題不同于理論研究，往往要求實物建模、真實多場分析并快速求解。仿真設計通常涉及結構、熱傳、機械、聲學與振動、壓電、熱阻、電流、流體、光學、微機電、電磁場等問題，這些物理場往往同時存在，相互影響。例如執行器、傳感器、微機電系統。集成了有限元、邊界元、快速多級子算法的 OOFELIE::Multiphysics 仿真平臺能夠快速收斂和精確計算超大型多物理場耦合問題，減少設計周期，提高創新能力，是一款 3D 多物理 FEA 解決方案軟件。
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OOFELIE::Multiphysics 穩健的微系統設計
MEMS 和 MOEMS 在非常小的元件尺寸、產品可靠性和降低生產成本方面徹底改變了傳感器行業。不斷減小的尺寸使得強耦合多物理仿真方法成為獲得準確、快速結果的必要手段。
展開 OOFELIE::Multiphysics 多物理場仿真分析軟件 [ 二 ]
彈性和熱彈性計算
④ 腳本技術
應用：
① 翅膀顫動或抖振
② 風力機葉片變形
③ 油箱晃動
④ 高超音速火箭噴管中的FSI
⑤ 導彈亞音速機翼振動
⑥ 熱變形
OOFELIE::Multiphysics 軟件不僅能夠處理工程中的結構、傳熱、電、磁、聲、學、流體等傳統單場問題，同時還為用戶提供工業級的多物理耦合解決方案，包含熱-力、壓電、 MEMS、 光-熱-力、聲-結構、 流體-結構耦合等。
