#ANSYS 16.0 亮点展示# 流体软件新品亮点

#ANSYS 16.0 亮点展示# 流体软件新品亮点

■ 将HPC性能提升到全新高度，最大限度缩短求解器用时
　　要想广泛使用和提供功能强大的计算资源，就需要为CFD分析人员提供功能同样强大的软件，才能如期得到结果。在16.0中，HPC的发展不仅能确保CFD求解器实现尽可能高的效率，还能解决整体仿真过程中影响方案效率和可扩展性的其它问题，无论计算资源是由数百个CPU、数千个内核组成，还是由数十个CPU和数百个内核组成。
技术说明
　　16.0具备多项增强功能，能进一步改善HPC的可扩展性，消除瓶颈，实现HPC资源的高效应用。
▶ CFX提供的“开箱即用”HPC性能得到明显改善，多级旋转机械等工业应用的基准测试在使用多达2,000个或更多内核时体现出持续的可扩展性。
▶ Fluent推出基于HDF5的案例和数据文件，开启了全并行I/O处理之门，可显著降低读写时间，特别是当使用HPC在数百个或数千个内核上运行仿真时尤为如此。
▶ Fluent和CFX提供的新型HPC网格分区功能现在可提供更高质量的分区，避免大长宽比的单元并可让表面更加平滑，从而改善HPC计算的稳健性、收敛结果和可扩展性。
▶ 基于GPU加速，使用Polyflow的材料处理仿真速度现可提高26倍。
▶ 通信的进一步优化打破了Fluent的并行瓶颈问题，尤其是在高内核数（大于10,000）的情况下。在16.0中，燃烧器仿真可扩展至36,000个内核，效率高达到86%，充分展示了这项功能（参见下图）。
参考客户和客户评价

与美国国家超级计算应用中心（NCSA）合作开展的基准测试。

　　上图来自与美国国家超级计算应用中心（NCSA）合作开展的基准测试。通过把Blue Waters超级计算机、克雷公司工程团队、NCSA私营企业计划（Private Sector Program）技术团队和Fluent中的16.0增强功能结合在一起，各机构得以研究最复杂最逼真的仿真案例。

与Voith Hydro和斯图加特大学水力学研究所（IHS Univ. Stuttgart.）协作开展的基准测试

　　上图来自与Voith Hydro和斯图加特大学水力学研究所（IHS Univ. Stuttgart.）协作开展的基准测试。测试显示在有4,000万个节点的网格上使用CFX进行全瞬态水轮机仿真的默认HPC扩展能力得到了显著改善。最终的基准测试使有大约3亿个节点的网格，用于包括进口蜗管（inlet scroll）、导流叶片、活动导叶、流道和引流管在内的完整机械计算。

■ 为复杂环境建模
　　为CFD仿真准备复杂的CAD装配往往是一个相当耗时的过程，需要工程师完成大量工作。可能这个问题最为突出的应用，是汽车发动机舱热管理（UTM）仿真。UTM几何结构极为复杂，需要功能强大的工具才能在基本无需CFD工程师操作的条件下高效、高精确度地建模。而16.0在最大限度地减轻工作量方面已经取得重大进展，成功地将UTM流程的工程时间降低达40%。同样重要的是，工作流程效率的提升不仅有利于UTM仿真，还有助于许多处理大型精细化CAD几何结构的其它CFD仿真。
技术说明
　　多种产品的改进与贯穿工作流程的改进相结合，能明显提升工作流程效率：
▶ 为Fluent和Fluent Meshing提供新型用户界面，让用户能够更好地监管流程仿真设置并有助于显著改进网格剖分工作流程。
▶ 提供全新映射界面，明显改善非一致性界面的处理能力，在不影响精确度的情况下，让用户能够高度灵活地实现网格生成。
▶ 在Workbench中使用Fluent的用户现在可将多个上游网格整合到Fluent系统中，让他们能为自己的应用灵活地选择最高效的网格组合。
▶ 增强几何结构获取和模型准备功能，CAD导入速度更快，并提供大量并提供大量”Wrapping”改进。表面间隙自动闭合让模型能够直接用于CFD仿真，这样最省时省力。
　　工程师往往需要处理CAD文件或表面网格文件呈现的超大型而又极其复杂的几何结构，其有可能存在缺陷（在抽取流体域之前需要封闭的孔或间隙）。求解需求会导致对大型计算单元网格的需求。手动修补所有几何结构缺陷需要大量的修正和昂贵的人工时间；创建大型网格需要大量耗时的计算。也许最大的挑战是汽车发动机机舱热管理（UTM）仿真。UTM几何是非常复杂的，至少需要一个CFD工程师利用一个强大的工具去准确且有效的建模。
　　ANSYS Fluent网格划分具备快速网格划分复杂或不完整几何结构所需要的所有关键技术：CAD导入、孔和间隙修补、高质量表面网格创建以及快速体积网格创建。Fluent网格划分具有众多优势：

关于赛车的全车UTM仿真——具有代表性的普通赛车全车模型，显示了仿真得到的车体表面温度

▶ 多功能性：可以导入CAD或表面网格；
▶ 易用性：用于捕捉模型特征的“尺寸”功能，其提供特征捕获是否充分的反馈信息。用户可以保存“尺寸”功能并且在需要的时候直接重用；
▶ 内置智能功能：在体网格划分完成之前，诊断工具可以发现和修复组件（间隙或孔）、面连接（面重叠或交错）中存在的问题；和整个面网格质量；
▶ 准确性：改进后的包面工具可以捕获几何结构特征和诊断工具可以确定几何结构特征捕获的质量。提供各种工具用于根据需要进一步提高包面质量和准确性；
▶ 快速：
▶ 局部表面网格重新划分工具可以根据需要局部改善表面网格的质量，而无需网格重新划分整个几何结构表面；
▶ 更快速的划分体网格（棱柱层生成提速三倍）；
▶ 在生成四面体/棱柱网格时具有出色的并行网格划分扩展性能。（性能视情况而定，不过在使用8核情况下4200万网格存在92%的扩展性能）
　　点此观看视频——观看此视频看到如何使用包装的工作流来创建高质量的计算网格。这个视频包括描述如何使用尺寸场合创建表面网格。

新功能示例

使用大约200个部件的发动机舱仿真，显示了由于对流性和辐射性热传递从排气歧管散发到周边对象的表面温度

　　点此观看视频——如何直接利用GUI来准备你的CAD模型的网格：查看和研究你的模型，当需要简单模型修补的时候，删除一些小部件。

■ 简化工作流程以缩短工程时间
　　建模/网格剖分往往是客户工作流程中的瓶颈。用户通过流程压缩可以完成更多仿真，进而设计出更出色的产品，因此用户自然会对缩短建模/网格剖分时间感兴趣。网格剖分时间是在验证仿真（一次性分析）到提供备选设计功能转变过程（仿真驱动产品研发）中的一个关键因素。
　　在考虑备选设计方案时，建模/网格剖分流程都应在被考量的整个设计域中具有良好的可靠性。16.0在Workbench Meshing的稳健性、可用性和性能方面均有明显改善，能够在为各种设计备选方案提供更高稳健性的同时，大幅缩短网格剖分时间。
技术说明
　　在16.0中，影响网格剖分稳健性和性能的一些主要障碍得到了相应改善，从而有助于缩短网格剖分工作流程时间。其中包括：
▶ 改进四面体（patch conforming tet）的自动特征清除功能。现在四面体网格剖分器能够更好地自动化处理裂片及其它几何结构中的复杂特性，即便在极精细或极复杂几何结构上也能实现较好的稳健性。
▶ 提供更加稳健、性能更加优异的膨胀功能。
▶ 改善六面体网格剖分的稳健性和可用性，帮助在模型的关键域提供六面体网格，或帮助GAMBIT的用户迁移到Workbench网格剖分。
▶ 提供网格诊断和节点移动工具，在需要更高质量的网格时，用以修复最后剩余的单元。
▶ 通过模型装配和/或拷贝，更好地处理重复性部件。拷贝过程也可以融合节点，提供对应节点的网格。
▶ 改进可用性控制功能，包括为距离型尺寸函数提供近距离源、提供更多六面体网格剖分控制功能、支持用于Fluent的周期性边界条件等。

图为ANSYS 16.0剖分的网格

■ 越来越高效的旋转机械
　　随着旋转机械设计的进一步精细化和优化，分析人员需要更加准确地预测更多流体细节，从而更加细致地掌握机械行为和在更广泛的工作区域内进一步优化设计的方法。这意味着需要不断深入掌握旋转组件和固定组件之间的相互作用。16.0进一步丰富了ANSYS CFX中提供的模型套件，为有效地仿真旋转机械中的瞬态流动行为提供了更多途径。ANSYS Fluent为其强大的燃烧模拟功能进一步增加了大量增强特性，便于燃气轮机制造商提高燃烧效率，减少排放，满足日益严格的环境法规要求。
技术说明
　　设计大型燃气轮机的工程师以及水轮机、蒸汽轮机、泵等其它旋转机械的制造商将从ANSYS 16.0 的下列关键增强功能中大获裨益：
▶ 在CFX中使用傅里叶变换法实现的单级瞬态转子-定子仿真，和以往相比能够更高效地为有大范围变距的仿真建立模型。这包括处于错流条件下（比如起飞时）的喷气发动机，或是配合无叶导向器仿真压气机叶轮的非对称流动。
▶ 能够在CFX中使用傅里叶变换法加入多个流扰动，便于极高效地仿真有进气道扰动的叶片颤振，或是有进气道和排气道瞬态扰动的叶片颤振。
▶ 由于CFX解决方案的监控功能得到进一步丰富，用户可跟踪通过解监控器得出的统计量，更加方便地判断周期性“准稳定”解出现的时间。
▶ 针对使用Fluent仿真燃气轮机的燃烧情况，提供增强功能，包括速度更快、稳健性更好、准确度更高的全新平衡求解器，而且有限速率化学反应建模速度也明显得到改善。
▶ 此外，Fluent还提供新的、更加灵活的碳黑形成建模功能。这对降低燃烧过程的环境影响具有重要意义。
　　工程师需要采用高级仿真工具以满足客户对更高效、更可靠的高性能机械装置的需求。工程师必须在越来越宽泛的速度和工况范围内准确预测空气动力学性能，而且同时必须确保设计的可靠性。例如，他们需要确保抑制相关工作范围内的叶片振动，并且确保周期性不稳定载荷不会影响设计使用寿命。
　　点此观看视频——了解ANSYS CFD和Structural仿真解决方案如何预测涡轮机叶片性能。
　　ANSYS可提供旨在帮助工程师设计可靠涡轮机叶片装置的完整工作流程：
▶ 自动、快速、高质量3D六面体叶栅（转子与定子）网格划分；
▶ 用于确定关键性能指标（如：总压力比、等熵效率和完整速度线）的CFD精确仿真；
▶ 旨在通过仅仿真系统有限扇面来仿真360度完整瞬态叶片现象的有效瞬态叶栅(TBR)；
▶ 用于确保以空气动力学方式抑制所有叶片固有频率和振动模式的涡轮机专用工作流程。其实现方法是，先通过ANSYS Mechanical确定频率与模式，然后把其作为叶片变形导入到ANSYS CFX，在变形条件下执行瞬态CFD仿真，同时评估叶片稳定性。
▶ 用于确定叶片上不稳定流体压力波动造成的应力的涡轮机专用工作流程。其实现方法是在ANSYS CFX中采用TBR方法确定叶片承受的不稳定流体压力载荷。然后相关信息将映射到ANSYS Mechanical中的相关叶片几何结构并且确定应力。
参考客户和客户评价

涡轮增压器涡轮侧的演示仿真

　　实例图片来自涡轮增压器涡轮侧的演示仿真，采用我们的合作伙伴（及客户）PCA Engineering提供的几何形状设计。仿真使用新推出的功能，运用傅里叶变换法有效地捕捉固定和旋转组件之间的相互作用（这里具体指固定进气蜗壳和旋转叶片）。目前各类推进用和发电用大型燃气轮机的制造商，以及生产水轮机、蒸汽轮机、泵等其它旋转机械的制造商均在采用这些新功能。

■ 更轻松、更可靠和更快捷地为自由面建模
　　从仿真船舶和海上钻井平台周围的水和波浪的超大规模应用，到仿真喷墨头和芯片实验室设计的超微规模应用，许多流仿真都涉及到“自由面”。VoF建模法为高效可靠地采集这些流动信息提供了一种有效的方法。同时由于存在大量的应用可能，需要考虑不同的效应和细节，而且必须选择适当的模型和数值选项。16.0经过大量改进，能够更轻松地在Fluent内进行VoF仿真设置，更可靠地完成收敛，并能提供更精确的解。
技术说明
　　在Fluent 16.0 为工程师提供如下增强功能：
▶ Fluent用户界面经重新组织，能够更直观为给定VoF应用选择合适的界面模型及相关选项，减少出错率。
▶ Fluent采用新的修正压缩格式，对不同类型的VoF应用都能生成分辨率尽可能高的自由面。
▶ 为加速瞬态自由面应用的仿真，现可采用隐式VoF的可变时间步长功能为Fluent中的更多VoF应用自动调节合适的时间步长。
▶ 可以使用Fluent中新引入的各种方法为随机波形模式建模，从而为船舶设计和撇油等航海应用提供更加逼真的仿真。
▶ Fluent的新增数值处理功能可在绝对压力为负值的情况下为高难度问题提供更可靠的解。
▶ 借助Fluent的新增界面数值处理功能，可显著提高各种质量网格上自由面位置预测的精确性。为无法使用传统的重构几何结构格式的情况提供良好的替代方案。

船舶周边的波浪即为自由表面应用的例子

　　海上行业通常会采用诸如ANSYS Aqwa等可用流体求解器来分析流体动力学与波浪冲击，以便评估波浪载荷和浮力动力学。不过，负责设计复杂石油平台、船舶及其它海洋结构的船舶与海洋工程师也依靠3D计算流体动力学(CFD)仿真技术进行以下方面的建模和准确预测：
▶ 船舶在波浪中的阻力、平衡、下沉与动力运动。
▶ 海上结构的波浪载荷。
▶ 甲板上浪行为——风暴产生巨浪时导致大量海水在船舶甲板积累而出现的现象，其往往会造成设备的损坏。

新的界面采集方法可以在不同网格上更准确地预测自由面，比如在多面体网格上（顶部是未使用新方法的情况，底部是使用新方法的情况）

　　ANSYS解决方案可为船舶与海上产品设计师提供全面流体力学与海洋仿真工具：
▶ 用于复杂的海上、船舶与海洋应用的快速、高质量网格划分。
▶ 能够仿真各种波浪：包含浅层水、非线性海浪以及海啸波浪；海啸波浪
▶ 对波浪与海上平台、船舶及其它海洋结构相互作用的准确、快速CFD仿真。
▶ 能够把3D CFD仿真连接到仿真工具以便预测系泊和/或相连系统对象在随机海洋状况下的行为。
　　点此观看视频——如何利用ANSYS Fluent预测流体动力以及海浪冲击海上平台时甲板上浪现象的分步演示。

集装箱船的流体动力学仿真——仿真技术可以预测波浪运动、高度以及对船体的压力

■ 更强大的伴随求解器：智能外形优化
　　在ANSYS Fluent早期版本中引入的功能强大的突破性创新型伴随求解器，开启了无限可能，扩展了仿真驱动产品研发的使用范围，从预测行为提升到引导工程师掌握施加设计调整的位置和方法，帮助实现目标要求。这种新颖的技术随数个版本的发展逐步成熟，16.0得到进一步强化：能应用于更多规模的问题上；能对设计变更进行更全面的管理；能用于更广泛的物理场和更多种类的设计目的。
技术说明
　　16.0的伴随求解器功能更强、更易于使用：
▶ 伴随求解器现在可用于使用5,000万或更多网格单元的仿真；
▶ 由于自动求解的进步，特别是不必要求用户在求解过程中微调参数，伴随解的可靠性显著提高。
▶ 由于16.0采用新的设计工具，可提高多目标设计的质量和效率，加强对网格变形的控制，并符合设计约束条件，所有这一切完美组合在一起，使用户能更好地管理设计变更。
▶ 伴随求解器现在可应用于包括多孔介质和用户自定义源在内的多种应用，还可用于体积观测量（比如体积积分、体积平均值和体积方差）。
　　点此观看视频——如何利用ANSYS伴随求解器使得智能优化外观成为可能。

应用伴随求解器求解5,000万单元的汽车仿真应用，指导几何结构调整，优化外部空气动力学。图片由Volvo提供。

　　假设您需要设计一辆汽车并且需要最大限度地降低其阻力，或者设计一个管道系统并且需要最大限度地降低其压降。在这两个例子中实际设计的形状都是最重要的因素。在设置仿真参数时，您通常需要定义形状和运行参数变化，往往需要借助于优化工具。虽然这是个不错的方法，但是存在众多限制：
▶ 设计形状可能极其复杂，受制于数百个乃至更多的参数。对它们根本无法做到面面俱到。那么您该如何确保选择有关联的参数呢?
▶ 即使选择了一组关键设计形状参数，您仍然需要评估数量庞大的设计方案。如果全部对它们进行仿真，将会花费大量的时间。
　　为此，您需要一种智能外形优化工具，其能够：
▶ 自动识别设计（形状）中需要修改的部分。
▶ 通过直接根据仿真结果确定如何修改形状而自动引导外形优化，无需一次次进行试错法仿真。
▶ 快速执行设计形状优化，仅需要最少数量的仿真并且能够尽快执行所需的仿真。

在这个赛车设计中，伴随求解器指示如何修改尾翼的设计，以提高下压力。箭头表明可通过增大尾翼室达到上述目的。

什么智能外形优化工具
ANSYS智能外形优化工具被称为伴随技术。该工具实际上是一种求解器，其根据给定目标（降低阻力、实现牵伸比最大化、降低压降等）采用CFD仿真结果找出最佳解决方案。但不仅仅如此，它还可以计算如何具体修改相关设计。由于它是一种求解器，因此具有众多优势：
▶ 它可以直接计算需要修改哪部分的设计以及如何修改。用户无需定义任何参数。
▶ 它可以直接确定性能更好的形状以及相关的性能改进，而无需其它CFD仿真。
▶ 它可以通过尽可能少的仿真次数确定最佳形状。每次迭代都可以提高设计性能，直到实现最佳设计。
该智能外形优化工具速度为何如此之快
由于伴随求解器能够直接确定需要修改哪部分的设计以及如何修改，因此它能够更快地实现最佳几何结构。由于伴随求解器与网格变形技术协同运行，因此您无需重新定义几何结构，也无需重新创建计算网格；而只需将网格转变成新形状。总之，此解决方案速度如此之快的原因在于：
▶ 该伴随求解器可以直接确定如何改进性能，因此时间不会浪费在试错过程。
▶ 网格变形器可以根据该伴随求解器的建议自动调整设计形状与计算网格，从而进一步节省时间。

将伴随求解器用于普通F1赛车前翼设计。此处需注意一个几何结构设计制约因素。（前翼必须保持在绿色标识的高度之上，才能位于竞赛规则规定的“合法空间”之内）

■ 最大化CFD生产率
　　不断提高生产率是一种普遍存在的需求，这影响着所有工程师以及他们使用的仿真工具。生产效率的重要性在ANSYS的发展历程中得到了充分体现，因为它可以使工程师尽可能高效地完成他们的工作。16.0对ANSYS CFD的增强功能涵盖了用户界面与可用性以及求解器稳健性和性能，使用户能够将精力重点集中于设计和开发更优秀的产品。
技术说明
　　16.0中用来提高生产效率的增强功能包括：
▶ Fluent UI中全新基于可扩展目录树的概览和工作流程使用户在建立流动仿真时具备更佳的概览和更明确的方向。
▶ 得益于Fluent 中无迭代瞬态步进功能 (NITA) 针对Eulerian多相流的扩展，可显著缩短较长的多相流瞬态求解时间。
▶ 多种数值增强功能可提供更好的Fluent求解器稳健性，以适应各种具有挑战性的应用，例如一些多相流仿真。这些增强功能包括：更好地处理较差的网格单元，为可压缩多相流提供更好的数值功能，以及更稳健地处理具有较大密度差的多相流（例如混合槽或泡罩塔分离器）。
▶ Fluent中用于反应流仿真的全新平衡求解器能针对各种燃烧流应用（例如内燃机中）提供更加稳健、快速、精确的求解。
▶ CFX中求解中断控制的扩展有助于对解的收敛进行自动评估，这在高度自动化执行多个流动仿真时尤其重要，例如由ANSYS DesignXplorer这样的优化算法驱动。
▶ 现在可在Workbench中将多个上游网格连接到Fluent系统，使用户能够组合多种网格和网格类型以实现最高效的仿真，同时感受到ANSYS Workbench的优势。
▶ 利用“屏幕捕获”选项扩展CFD-Post图像创建功能，可显著缩短图像生成时间，尤其对涉及复杂场景的较长动画有很大的影响。

Fluent UI的全新可扩展目录树结构允许通过右键点击快速访问常用功能，并提供清晰的实例创建概览，进而提高工作流程效率。所有以前的可用选项都能通过可扩展目录树进行访问，因此它可取代以前的导航窗格。