外流場CFD仿真的案例
如何使用湍流模型進行建筑復雜外流場CFD仿真分析？
作者：曾社銓，仿真應用工程師
來源：本文為安世亞太原創作品，上海安世亞太授權轉載
前言
對于建筑行業，在復雜的情況下，無法直接進行實體試驗及測量，而縮尺的實驗既昂貴也同樣有誤差的問題，因此CFD常用來作為建筑設計在做通風分析、建筑物外流場分析的工具。通過對建筑外流場CFD分析，能得到建筑物表面的風壓、建物對室外行人的影響以及為室外設備的位置設置等提供指導和建議。安世亞太自主開發的CAE軟件PERA SIM具有非常優秀的CFD仿真能力。針對復雜流體域，PERA SIM提供了多種湍流模型進行復雜流場的捕捉，提供了全面的邊界條件應付各種復雜工況，并提供魯棒性強且高精度的流體求解器。該案例應用PERA SIM模擬建筑群風環境，評估高層建筑風載及其分布規律，詳細介紹PERA SIM的建筑外流場CFD仿真流程。
一、網格導入
PERA SIM的網格導入接口可以導入多種網格格式，本案例導入的是msh格式的網格文件。
PERA SIM Fluid網格導入接口
導入的網格文件是某小區建筑，如圖所示。為了精準計算建筑物表面的壓力，建筑物表面和地面添加了5層的邊界層網格。
PERA SIM顯示建筑物外流場網格模型
二、材料賦予
建筑外流場的流體材料是空氣，PERA SIM提供材料創建界面，輸入空氣的密度和粘度。
PERA SIM材料創建
將創建好的空氣材料，賦予計算域。
材料賦予計算域
三、分析類型
PERA SIM對于CFD分析，提供了穩態分析和瞬態分析，對于本案例的建筑外流場，采用穩態分析即可。參考壓力設置為一個大氣壓。由于建筑外流場屬于強迫流動，不需要考慮重力的影響。
展開 基于湍流模型的建筑復雜外流場CFD仿真分析
曾社銓
仿真應用工程師
對于建筑行業，在復雜的情況下，無法直接進行實體試驗及測量，而縮尺的實驗既昂貴也同樣有誤差的問題，因此CFD常用來作為建筑設計在做通風分析、建筑物外流場分析的工具。通過對建筑外流場CFD分析，能得到建筑物
表面的風
壓
、
建物對室外行人的影響
以及
為室外設備的位置設置
等提供指導和建議。
安世亞太自主開發的CAE軟件PERA SIM具有非常優秀的CFD仿真能力。針對復雜流體域，PERA SIM提供了多種湍流模型進行復雜流場的捕捉，提供了
全面的邊界條件應付各種復雜工況，并提供魯棒性強且高精度的流體求解器。
該案例應用PERA SIM模擬建筑群風環境，評估高層建筑風載及其分布規律，詳細介紹PERA SIM的建筑外流場CFD仿真流程。
一、網格導入
PERA SIM的網格導入接口可以導入多種網格格式，本案例導入的是msh格式的網格文件。
PERA SIM Fluid網格導入接口
導入的網格文件是某小區建筑，如圖所示。為了精準計算建筑物表面的壓力，建筑物表面和地面添加了5層的邊界層網格。
展開 Visual-CFD&OpenFoam整車外流場仿真
本次仿真采用
Visual-CFD進行前后處理(Visual-CFD是由ESI公司專門為OpenFoam開發的前后處理軟件)，調用
OpenFoam進行求解，操作系統為Windows系統。首先導入整車模型（此模型來源于網絡公開模型，模型包含汽車主要部件，但是不包含內飾）。
模型整體視圖
模型底部視圖
模型內部透視圖
模型為STL格式
導入模型后，設定分析類型為External Flow, 模型設定為SST-K-Omega。
設定外流場區域大小
設定模型網格大小以及邊界層網格
細化模型網格
設定入口條件和出口條件，入口條件設定為20m/s
設定結果監測點
其余參數采用默認值，劃分網格并點擊Run進行計算
計算完成后進行結果查看，
由于模型來源于網絡，不完全符合外流場仿真的要求，因此仿真結果僅供學習參考，不具有實際意義。
疊加速度矢量后進行結果查看
查看壓力結果
除了這些結果外，還可以查看許多其他結果，這里不再一一截取。
文章來源：深藍的技術小站
展開 汽車外流場CFD分析的前處理操作要點
汽車外流場分析是目前CFD分析領域中應用范圍最廣的方向之一，因此也就成了深受眾多CFD人重視的方向。
4.設置全局、局部網格尺寸及邊界層屬性，并在相應的求解器面板下建立尺寸加密盒，并設置網格尺寸。通常會在前格柵、前機艙蓋、機艙內部、前擋風玻璃、氣壩、后視鏡、擾流板等處建立尺寸加密盒。
8.設置Interface。在求解器面板下，對冷卻系統芯體、散熱風扇等處的interface面進行設置。
以上便是汽車外流場分析前處理在ANSA中的操作要點，希望對大家能有拋磚引玉之功效。
來源：有限元在線微信號: FEAonline_CAE
展開 
汽車外流場仿真分析 ￥1
1 概述
2 使用軟件
3 模型前處理與網格劃分
3.1 CAD 模型的前處理
3.2 有限元模型的前處理
4 模型求解及結果分析
4.1 模型求解設置
4.2 求解結果分析
5 空氣阻力系數的計算
6 結論
1 概 述
本報告應用 CFD 分析軟件，對 HUPO 進行外流場分析，給出整車滿載下的風阻系數，為設計組提供參考。
本次分析采用半車模型，車身表面采用約（8-25mm）的三角形網格；風洞尺寸為（40m×6m×10m），其壁面網格為（400-500mm）；體網格采用六面體單元，單元總數控制在 250萬之內。
本報告設風洞入口邊界條件為 u0 = 30m / s ,出口條件為壓力出口，空氣密度為1.225kg/m3，計算中不考慮溫度變化。
2 使用軟件
本報告使用的前處理軟件為 ANSA，解算器和后處理軟件為 Star-CCM+。
3 模型前處理與網格劃分
汽車車身表面存在大量細小特征，要精確地模擬所有這些特征，經常會導致生成的網格單元數目巨大，從而使得求解時的計算量增加，因此在處理計算模型時對幾何數模進行合理的簡化。
3.1 CAD 模型的前處理
在 CATIA 中將汽車模型（特別是底盤部分）作合理的簡化：保留輪胎、后視鏡等部件；由于底盤的復雜性，這里將車底化為平面，然后將車身表面和底盤的碎面縫合起來，形成若干個大的特征表面，將整個汽車簡化為封閉的殼體；再在汽車周圍形成適當的空氣域（40m×6m×10m），汽車與風洞相對位置如圖 1 所示（由于汽車的對稱性，為減少計算采用半車身模型。
展開 基于PERA SIM的導彈外流場數值仿真計算
目前，CFD數值仿真計算方法在飛行器的前期設計階段得到了廣泛的應用，一定程度上可以替代實際的飛行器風洞試驗，并可以模擬得到風洞實驗中無法測試的一些參數。
本文基于安世亞太自主開發的PERA SIM.Fluid流體仿真軟件，對某型號導彈的外流場進行了數值模擬計算，得到了相應馬赫數下導彈外流場的壓力及速度分布。
導彈結構如下圖所示（彈體長1米）。
基于PERA SIM.Fluid流體仿真軟件，具體的仿真工況條件為：
馬赫數1.53（520.7m/s）；
AOA攻角0° ，H=0km；
無窮遠場壓力入口101325Pa。
來流假設為理想氣體；用給定的自由流馬赫數和靜態條件來模擬無限遠場處的自由流動，計算的湍流模型為k-Omega SST，其可以很好地模擬飛行器外流場的附著流動和薄層自由剪切流動，且具有良好的魯邦性和數值收斂性。
為了滿足壁面無反射邊界條件為“無窮遠”的要求，在距離壁面較遠處生成一個大圓柱，以確定導彈外流場的計算域；對應的圓柱體計算區域直徑為20m，深度為25m，其中導彈前側為5m，后側20m（以捕捉導彈尾翼的氣流特性）。對包裹后的外流場進行網格劃分，如下圖所示；由于導彈周邊的流場氣動變化比較劇烈，為了更好地捕捉其流動現象，對導彈周邊的網格進行了加密細化，網格數量約為375萬。
展開 Bullet外流場溫度仿真案列
采用FLUENT數值仿真軟件進行模擬。
2.1Bullet模型建立
根據Bullet參數：該Bullet為30×165 mm高爆燃燒彈，彈重837g，彈頭重389g，裝藥49g，初速960m/s，引信延時0.15ms，并能在7.5-14.5s后自毀。其實體模型如圖2.1所示。
圖2.1 Bullet實體模型
考慮到Bullet發射出去后只有彈頭在空氣中飛行，根據已知數據以及實體模型圖片使用圖片測算法，運用SolidWorks軟件建立彈殼三維實體模型以及內部裝藥模型，如圖2.2所示。
圖2.2 彈殼及裝藥模型
將彈頭殼體與裝藥裝配到位后需要在其外部建立外流場區域，即外部空氣域，使用workbench里面的建模軟件在彈頭外部生成外流場。如圖2.3所示。
圖2.3 彈頭外流場區域建立
2.2模型前處理
將建好外流場區域的彈頭及流體區域模型導入mesh進行前處理。彈頭殼體以及裝藥網格劃分如圖2.4所示。
圖2.4 網格劃分
將彈頭飛行方向所指空氣域對應的面設置為空氣流入邊界，其他面設置為流出邊界。如圖2.5所示。
圖2.5 空氣域邊界設定
在模擬彈頭與外部空氣的熱交換時，需要建立彈頭殼體外部與空氣交界面的耦合換熱面，此外還需要考慮彈頭殼體與內部裝藥的耦合換熱面。耦合換熱面的建立如圖2.6所示。
圖2.6 耦合傳熱面建立
2.3仿真模型設置
將處理好的前處理模型導入FLUENT進行數值仿真相關參數設置，采用基于壓力求解（Pressure-Based）算法，該方法既適用于可壓縮流體，也適用于不可壓縮流體的計算。
展開 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。
展開 空調管道流場 CFD仿真分析 ￥2
1.概述
2.計算流程
3.計算流體動力學（CFD）軟件——FLUENT 簡介
4.除霜風道流動及玻璃靜態溫度和速度分布
4.1.模型簡化和網格劃分
4.2.模型前處理
4.3.求解結果分析
5.吹面風道流動及風量分配計算
5.1.模型前處理與網格劃分
5.2.邊界條件及求解設置
5.3.模型求解及結果分析
6.分析結論
1. 概述
本報告應用 CFD 數值分析軟件，對 QQ 項目除霜效果進行數值模擬計算分析，計算出風道各風口的風量分配比例，以及玻璃速度和靜態溫度分布情況，為進一步細化設計提供依據，分析按 GB－11556 給出的條件進行。
2. 計算流程
汽車的中央除霜風道主要肩負著輸送分配用來溶化風窗玻璃內、外表面上的霜或冰，使其恢復清晰視野的熱空氣之任務，這對駕駛安全性至關重要。所以此段風道的主要設計點在獲得良好的風量分配比例和氣流吹拂角度和點擊點位置，使擋風玻璃和兩側車窗玻璃都能得到理想的靜態溫度和速度分布。此次分析的目的就是通過對空調風道出風口一段及車廂內的流場計算，得到出風道各風口的風量分配比例及玻璃受風情況顯示，此分析過程的流程圖。
展開 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。
展開 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。
展開 
Cadence 新一代高性能、高精度多物理場仿真軟件平臺 Fidelity CFD
求解器穩健性和自動化程度的提升能夠支持多學科仿真，可對同一幾何模型同時進行多物理場仿真。
4. 網格生成流程幾乎無需用戶參與。現有的網格生成器自動化程度非常有限，人工處理幾乎占用 80% 的工程耗時。Fidlity CFD 網格生成器模塊可以將這一時間從數天縮短至數小時。
5. 在現有的和新一代基于 GPU 的高性能計算（HPC）平臺上均可高效運行。
Fidelity CFD 新技術引領著下一代的高階求解器和網格生成技術，在與傳統方法計算時間相當的情況下可以提供更高的預報精度，或在相同的精度下具有更快的計算速度。計算速度隨著計算核數的增加幾乎呈線性增加，同時結合 GPU 處理計算的加速，可以極大的縮短計算運行時間（詳見下方圖表）。
高階數值技術的使用實現了尺度解析湍流仿真，能充分發揮現有先進計算架構的優勢。
本田使用 Fidelity CFD 的高效工作流程，在保證高質量計算結果的同時將每位工程師的處理時間節省了數周。本田首席工程師 Takiguchi 博士表示：“我們對 Fidelity CFD 的計算精度非常滿意。之前我們用過很多商業工具，但對其質量都不太滿意。
展開 基于Abaqus軟件CFD模塊選粉機流場仿真案例講解
[圖片]
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
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。
如今，CFD在一個不太令人注意的行業———環境和可持續性領域中扮演著重要角色：
日本東海大學（Tokai University）十多年來一直使用CFD仿真來驗證，并多次獲獎的跨澳大利亞太陽能汽車設計。
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】
點擊圖片一鍵報名觀看??
當前，隨著各行各業的不斷發展，仿真模型越來越大，精度要求越來越高，與此同時研發周期也在不斷縮短。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。
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