CFD+MBD耦合仿真的案例
CFD專欄丨多物理場仿真CFD+MBD篇：洗衣機平衡環(huán)
洗衣機平衡環(huán)安裝位置
平衡環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
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平衡環(huán)的多物理場仿真
平衡環(huán)內(nèi)的液體晃動在CFD中屬于自由液面兩相流問題。而平衡環(huán)的運動軌跡則來自安裝在底部的驅(qū)動電機，洗衣筒體懸掛系統(tǒng)（吊桿、彈簧減震器）共同作用的結(jié)果，既有轉(zhuǎn)動也有擺動，屬于典型的多體動力學MBD問題。平衡環(huán)的糾偏（減振）能力除了和平衡環(huán)內(nèi)的液體晃動力有關(guān)，也和洗衣機的懸掛系統(tǒng)相關(guān)。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(huán)的運動規(guī)律已知，或流體質(zhì)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(gòu)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(chǎn)生的力和扭矩。MotionSolve則根據(jù)輸入的流體動態(tài)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 技術(shù)小貼士：Particleworks界面與FMI的比較 - MBD與CFD的聯(lián)合仿真
易用性:從MBD仿真者的角度來看，會優(yōu)化考慮流體耦合仿真的易用性（Meshless和Wall生成的協(xié)同作用）
粒子法軟件的Meshless法預(yù)處理
RecurDyn/Particleworks界面中Wall創(chuàng)建的簡便方法
輕松應(yīng)對各種設(shè)計更改的耦合仿真
為經(jīng)常要求CFD和MBD之間進行耦合仿真的組件模型提供建模便利，例如鏈的潤滑和軌道車輛通過水道（Chain、Track、Belt等）
流體與柔性體相互作用仿真
創(chuàng)新技術(shù)，可通過流體和柔性體相互作用來分析機械系統(tǒng)
在RecurDyn環(huán)境中方便后處理
在RecurDyn環(huán)境中提供多種后處理功能，包括檢查流體的行為
在RecurDyn環(huán)境中提供多種后處理功能，包括檢查流體的行為
機械系統(tǒng)中RecurDyn X Particleworks耦合仿真的特點
粒子法CFD可以輕松解決以往被認為難以解決的問題。
大多數(shù)機械系統(tǒng)所考慮的流體通常會遇到飛濺/自由曲面/移動邊界的問題。
利用粒子法的CFD軟件，只需生成流體粒子就可以輕松解決。
利用Meshless和GPU進行高效的仿真。
Meshless方法大大縮短了預(yù)處理時間
采用GPU并行計算技術(shù)的計算高速化技術(shù)大大縮短了仿真時間
RecurDyn Particleworks Interface的特點
RecurDyn Particleworks界面是多物體動力學和粒子法CFD軟分析的專用界面。
更真實的流體行為以及系統(tǒng)的行為，使系統(tǒng)與流體的相互作用更容易處理。
展開 基于DEM-MBD耦合仿真的地面車輛力學解決方案
圖3 考慮土壤粘性和可壓縮性的EEPA接觸模型仿真
2、多體動力學方法
虛擬樣機技術(shù)是當前設(shè)計制造領(lǐng)域的一門新技術(shù)，它利用軟件建立機械系統(tǒng)的三維實體模型和力學模型，在各種虛擬環(huán)境中真實地模擬系統(tǒng)的運動，分析和評估系統(tǒng)的性能。多體系統(tǒng)動力學是虛擬樣機技術(shù)的核心理論，包括多剛體系統(tǒng)動力學和多柔體系統(tǒng)動力學，是研究多體系統(tǒng)運動規(guī)律的學科。多體系統(tǒng)一般由若干個柔性和剛性物體相互連接所組成，其結(jié)構(gòu)和連接方式多種多樣，因而動力學方程式一般都是高階非線性方程，特別是多柔體系統(tǒng)的動力學方程是強耦合、強非線性方程，只能通過計算機用數(shù)值方法進行求解。
車輛是一個復(fù)雜的多體系統(tǒng)，外界載荷的作用更加復(fù)雜多變，“人-車-路”三位一體的相互作用使車輛動力學模型的建立、分析、求解始終是一個難題。多體動力學的迅速發(fā)展為車輛動力學的研究提供了一個方便快捷的手段。由此，車輛動力學研究的力學模型逐漸由線性模型發(fā)展到非線性系統(tǒng)模型；模型的自由度由二自由度發(fā)展到數(shù)十個自由度，甚至到數(shù)百個上千個自由度。模擬計算也由穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性的計算發(fā)展到瞬態(tài)響應(yīng)特性和轉(zhuǎn)彎制動特性的計算。目前多體動力學仿真已日漸成為國內(nèi)外的各主要車輛和研究機構(gòu)的通用方法和標準。目前在車輛領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的多體動力學仿真軟件有多種，包括MSC.ADAMS、Recurdyn、西門子公司的Virtual Lab Motion等。
圖4 ADAMS中車輛仿真
3、DEM-MBD耦合
EDEM軟件均可以實現(xiàn)與MSC.ADAMS、Recurdyn、Virtual Lab Motion等的耦合仿真。
展開 2024年RecurDyn優(yōu)秀案例競賽作品分享：基于DEM-MBD耦合的花生播種單體工作過程仿真與試驗研究
摘要：本研究設(shè)計一臺雙鎮(zhèn)壓輥結(jié)構(gòu)花生播種單體，并采用基于DEM-MBD耦合的方法建立了幾組作業(yè)過程的仿真動力學模型。通過參數(shù)化方法選用合理的力學模型。獲取仿真所需參數(shù)和設(shè)置仿真參數(shù)等一系列操作完成了耦合模型的建立。研究表明，基于DEM-MBD耦合的方法為花生播種單體作業(yè)性能評價和機具設(shè)計提供了一種新研究方法。
關(guān)鍵詞：花生播種，離散元，多體動力學，耦合仿真
一、研究背景及目的
花生，原名落花生，是我國產(chǎn)量豐富、食用廣泛的一種堅果，也是世界上最主要的經(jīng)濟作物與油料作物之一。我國的花生種植面積非常廣泛，由圖1可以看出全國各地基本均有種植地區(qū)。但由于近年來氣候變化等自然和人為原因?qū)е禄ㄉa(chǎn)量銳減。因此，我們在人為原因造成的花生減產(chǎn)方面進行控制。如圖2所示為2023年某教授團隊研究了一款2BMF-48花生覆膜播種機，這是國內(nèi)目前較為先進的花生播種機。該款花生播種機適用于有覆膜要求的花生播種方法，能一次性完成花生的播種及覆膜過程。但是，目前花生播種單體起壟質(zhì)量大多都是能夠滿足現(xiàn)在生產(chǎn)要求，但是效果不理想。為了研究提高花生播種單體起壟質(zhì)量，本研究采用DEM-MBD耦合的方法設(shè)計花生播種單體，并對其進行驗證，確保其準確性。
二、建模過程
本研究設(shè)計的機具主要由施肥開溝器、圓盤回填器、起壟鏟、牽引裝置、肥箱、變速箱、種箱、排種器、傳動裝置、主機架、及鎮(zhèn)壓裝置等組成，如圖3所示。
接觸的土壤部分選用Hertz-JKR模型，土壤顆粒模型分為1球、3球、3球，如圖4所示。土槽模型的長寬高分別為4000mm、1200mm、300mm，如圖5所示。
展開 
THESEUS-FE與CFD雙向耦合仿真測試
THESEUS-FE Coupler模塊可實現(xiàn)傳熱—CFD協(xié)同仿真。不依賴于第三方軟件，Coupler可實現(xiàn)THESEUS-FE和CFD求解器Star-CCM+或OpenFOAM之間的雙向耦合仿真，最為精確地仿真流體對結(jié)構(gòu)的對流效應(yīng)和結(jié)構(gòu)溫度對流動的影響。
為測試軟件與CFD雙向耦合聯(lián)合仿真功能，用以下二維測試算例演示軟件與CFD聯(lián)合求解工作流程。
1、
計算模型
算例采用長寬高均為1米的二維測試盒，初始溫度為20℃，如下圖所示，左側(cè)受10W/m2的熱源，右側(cè)與邊長為1m的流體區(qū)域連接，流體區(qū)域左側(cè)受測試盒加熱，右側(cè)固定溫度為0℃，流體區(qū)域初始溫度為0℃。計算最終狀態(tài)溫度。
2、
計算條件
計算采用theseus-fe與STAR-CCM+聯(lián)合仿真，進行穩(wěn)態(tài)計算。
在THESEUS-FE的GUI中進行固體區(qū)域邊界條件設(shè)置。對于與流體區(qū)域連接的一側(cè)，設(shè)置如下所示邊界條件：
在后續(xù)的聯(lián)合仿真中，流體溫度和換熱系數(shù)會根據(jù)流體計算結(jié)果不斷修正，同時，THESEUS-FE會將固體區(qū)域溫度邊界傳遞給CFD，二者不斷信息交換進行聯(lián)合計算。
3、
聯(lián)合仿真運行
采用Coupler模塊進行聯(lián)合仿真設(shè)置，THESEUS-FE將壁面溫度傳遞給CFD，同時CFD傳遞換熱系數(shù)和流體溫度，如下圖所示：
4、
聯(lián)合仿真結(jié)果
測試盒最終計算結(jié)果溫度分布及單元15溫度歷史曲線如下：
耦合仿真計算完成，使用耦合仿真技術(shù)可得到高精度的熱分析結(jié)果，應(yīng)用快捷簡便。Coupler tigong了友好的用戶界面，通過圖形界面引導(dǎo)用戶逐步完成耦合設(shè)置，基本實現(xiàn)完全自動化設(shè)置。
Theseus-fe與CFD雙向耦合仿真測試.pdf
展開 THESEUS-FE與CFD雙向耦合仿真測試
THESEUS-FE Coupler模塊可實現(xiàn)傳熱—CFD協(xié)同仿真。不依賴于第三方軟件，Coupler可實現(xiàn)THESEUS-FE和CFD求解器Star-CCM+或OpenFOAM之間的雙向耦合仿真，最為精確地仿真流體對結(jié)構(gòu)的對流效應(yīng)和結(jié)構(gòu)溫度對流動的影響。
為測試軟件與CFD雙向耦合聯(lián)合仿真功能，用以下二維測試算例演示軟件與CFD聯(lián)合求解工作流程。
1、 計算模型
算例采用長寬高均為1米的二維測試盒，初始溫度為20℃，如下圖所示，左側(cè)受10W/m2的熱源，右側(cè)與邊長為1m的流體區(qū)域連接，流體區(qū)域左側(cè)受測試盒加熱，右側(cè)固定溫度為0℃，流體區(qū)域初始溫度為0℃。計算最終狀態(tài)溫度。
2、 計算條件
計算采用theseus-fe與STAR-CCM+聯(lián)合仿真，進行穩(wěn)態(tài)計算。在THESEUS-FE的GUI中進行固體區(qū)域邊界條件設(shè)置。對于與流體區(qū)域連接的一側(cè)，設(shè)置如下所示邊界條件：
在后續(xù)的聯(lián)合仿真中，流體溫度和換熱系數(shù)會根據(jù)流體計算結(jié)果不斷修正，同時，THESEUS-FE會將固體區(qū)域溫度邊界傳遞給CFD，二者不斷信息交換進行聯(lián)合計算。
3、 聯(lián)合仿真運行
采用Coupler模塊進行聯(lián)合仿真設(shè)置，THESEUS-FE將壁面溫度傳遞給CFD，同時CFD傳遞換熱系數(shù)和流體溫度，如下圖所示：
4、 聯(lián)合仿真結(jié)果
測試盒最終計算結(jié)果溫度分布及單元15溫度歷史曲線如下：
耦合仿真計算完成，使用耦合仿真技術(shù)可得到高精度的熱分析結(jié)果，應(yīng)用快捷簡便。Coupler提供了友好的用戶界面，通過圖形界面引導(dǎo)用戶逐步完成耦合設(shè)置，基本實現(xiàn)完全自動化設(shè)置。
Theseus-fe與CFD雙向耦合仿真測試.pdf
展開 CFD專欄丨電池電芯熱電耦合仿真
點擊模型樹的update提交CFD計算，演示模型采用8CPU核約計算6分鐘。
放電2700秒后的溫度、電流密度、電壓和SOC：
0~2700 秒電池表面溫度動畫：
詳細操作視頻：
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關(guān)于 Altair 澳汰爾
Altair（納斯達克股票代碼：ALTR）是計算科學和智能領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者之一，在仿真、高性能計算 (HPC) 和人工智能等領(lǐng)域提供軟件和云解決方案。Altair 能使跨越廣泛行業(yè)的企業(yè)們在連接的世界中更高效地競爭，并創(chuàng)造更可持續(xù)的未來。
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展開 用于 ICEV 耦合 CHT 仿真的保真 CFD
通過運行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)仿真（包括使用 Omnis 的熱部件的輻射），輕松識別引擎蓋下或車身底部系統(tǒng)中的熱點，預(yù)測外部空氣動力學性能并捕捉諸如熄火和浸泡以及爬坡等真實場景。
圖 3. 發(fā)動機表面溫度（左）、排氣系統(tǒng)靜態(tài)溫度和車身底部流場（右）。
結(jié)論
完全耦合的 CHT 仿真為車輛的空氣動力學和熱性能提供了更真實的結(jié)果。從計算輻射分量到捕獲固體和流體域熱傳遞中涉及的物理現(xiàn)象，F(xiàn)idelity CFD 只需最少的用戶干預(yù)即可完成這一切。隨著汽車行業(yè)設(shè)計周期的縮短，像 Fidelity CFD 這樣的多方面仿真平臺面臨著在更短的時間內(nèi)預(yù)測車輛熱行為的挑戰(zhàn)。
文章來源：cadence博客
展開 本田——為什么熱管理 CFD 需要全耦合共軛傳熱仿真
如果沒有同時捕獲共軛傳熱效應(yīng)的耦合 CFD 仿真，則絕對無法對發(fā)動機和排氣系統(tǒng)中的熱相互作用進行準確建模。
圖 5a：發(fā)動機表面溫度
圖 5b：發(fā)動機周圍的水平剖切面
如圖 6 和圖 7 所示，較大的溫差會導(dǎo)致強烈的輻射傳熱。要在此處實現(xiàn)準確的熱預(yù)測，需要將共軛傳熱與輻射模型直接耦合。
圖 6：排氣管的溫度
圖 7：排氣系統(tǒng)的靜態(tài)溫度和車身底部的流動結(jié)構(gòu)
CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
背景介紹
最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)專指研究流體載荷對彈性結(jié)構(gòu)的影響，例如飛機機翼氣動彈性問題，船舶螺旋槳的水彈性問題，核反應(yīng)堆燃料棒的渦激振動問題等等。在數(shù)值仿真領(lǐng)域FSI概念擴展到一般性的CFD模型和FEA模型的數(shù)據(jù)交換問題。
FSI真實案例：大橋與風場組成了耦合系統(tǒng)，大風產(chǎn)生了一定頻率的卡門渦脫落，這個頻率與耦合系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)固有頻率相近，使系統(tǒng)發(fā)生了共振，大橋劇烈晃動直至崩塌。
CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
固體本身的變形量很小，可以認為是剛體，但是整體產(chǎn)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(shù)據(jù)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(yīng)力，發(fā)動機水套的熱應(yīng)力，車燈的熱應(yīng)力等等場景。
排氣歧管的TFSI分析案例
AcuSolve模型的管路入口為高溫高壓氣體，管路出口為大氣壓和環(huán)境溫度，管路外壁面是自然對流散熱邊界。AcuSolve結(jié)果傳遞給求解器OptiStruct再分析管路的熱應(yīng)力和變形。
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先進的控制和耦合 1-D、3-D CFD 仿真可實現(xiàn)最佳工廠性能和安全性
1-D 和 3-D CFD 模擬
CFD 仿真工具現(xiàn)已廣泛用于組件和系統(tǒng)級分析和優(yōu)化，以實現(xiàn)最佳工廠性能和安全性。CFD 模擬可以是 1 維或 3 維，決定因素是要解決的問題。一維 CFD 仿真可深入了解一個單元中的流量和壓力變化如何影響系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的其他部分。3-D CFD 模擬用于詳細研究復(fù)雜系統(tǒng)組件內(nèi)的流動相互作用和傳熱。了解 1-D 和 3-D 仿真工具之間的權(quán)衡至關(guān)重要，以確保針對設(shè)計含義使用正確的工具。
通過使用 CFD 仿真，電池組可以虛擬地集成到傳動系統(tǒng)中，從而提供不同驅(qū)動條件下操作模式的預(yù)測。整個電池組的 1-D CFD 仿真將有助于分析是否需要任何組件級仿真，即只有在流動模式或溫度存在任何變化或異常時才會執(zhí)行組件級 3-D CFD 仿真系統(tǒng)級別的分布。對于由多個泵、閥門、分離器、蒸餾塔和混合器組成的化工廠或發(fā)電廠，對整個系統(tǒng)進行 3D CFD 模擬可能是一項繁瑣的任務(wù)，因此需要針對以下情況進行 1D CFD 模擬：整個系統(tǒng)將是適當?shù)?，并將提供關(guān)于是否需要進行詳細的組件級模擬的見解。
耦合 1-D 和 3-D CFD 仿真可以增強系統(tǒng)的性能，有兩種耦合方法 -手動或自動以及單向或雙向耦合。1-D 和 3D CFD 之間的手動或自動單向耦合涉及將通過 3-D 仿真獲得的所有信息傳輸?shù)?1-D 系統(tǒng)級仿真，即信息傳輸是單向的。當來自 1-D 系統(tǒng)級仿真的信息發(fā)送到 3-D CFD 分析時，這就變成了雙向的，反之亦然。
隨著工業(yè)發(fā)電廠中新興工藝和技術(shù)的發(fā)展，在實施之前對發(fā)電廠的性能進行評估對于避免由于單元/子系統(tǒng)故障或不良流動條件而導(dǎo)致的任何火災(zāi)或爆炸至關(guān)重要。CFD 仿真（1 維或 3 維）可以幫助在執(zhí)行之前預(yù)測可能的設(shè)計缺陷；先進的控制和校準單元可以實現(xiàn)各種流程的自動化，以確保最佳的工廠性能和最大的安全性。
展開 積鼎CFD VirtualFlow 基于熱限制相變和流固耦合模型的冷板共軛傳熱相變仿真
本文將利用積鼎通用流體仿真軟件VirtualFlow對水平冷板的共軛換熱進行模擬，主要涉及相變過程的流動和傳熱傳質(zhì)問題，通過分析為高熱流電子設(shè)備散熱設(shè)備設(shè)計提供指導(dǎo)。仿真過程將用到VirtualFlow自主開發(fā)的熱限制相變模型和流固耦合模型。
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01 熱限制相變模型
飽和溫度相變模型，即界面兩側(cè)流體對界面的熱擴散正好被相變潛熱抵消。使用該模型的時候，需要確保界面處的網(wǎng)格足夠小，以保證流體網(wǎng)格中心與界面之間的換熱計算是準確的。
02 耦合模型
計算流固耦合傳熱問題的首要問題是建立界面兩端的溫度與熱通量之間的關(guān)系，使耦合求解流體域和固體域的溫度場成為可能。
貼體網(wǎng)格的情形，流固界面和網(wǎng)格界面正好重合，可由下面的公式建立界面兩邊網(wǎng)格溫度與界面熱通量的關(guān)系:
VirtualFlow引入IST技術(shù)，使用笛卡爾網(wǎng)格，以非貼體的方式描述任意復(fù)雜界面，流固界面與網(wǎng)格之間界面不重合。以下是VirtualFlow的處理方式。
一般VirtualFlow中，通過Heaviside階梯函數(shù)打開或者關(guān)閉特定區(qū)域的流場求解。當共軛傳熱模塊關(guān)閉時，階梯函數(shù)H在流體域內(nèi)為1，在固體域內(nèi)為0（如果不打開TSolid功能）。當開啟共軛傳熱模塊時，階梯函數(shù)H為固體階梯函數(shù)和流體階梯函數(shù)的復(fù)合，即在全體計算域內(nèi)皆是1，因此固體和流體內(nèi)的溫度場同時求解。
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