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CAD 嵌入式 CFD 的确认方法(一)

编辑:谢连富 发表时间:2016-10-25 17:36:35 浏览次数:

        从前面的文章中,各位了解到SOLIDWORKS CAD嵌入式CFD的数值基础。SolidWorks Flow Simulation是一款完全嵌入机械设计环境的新型CFD(计算流体力学)分析软件(称为并行CFD),适用于所有通用工程应用。与所有创新技术类似,SOLID WORK S Flow Simulation的验证和确认(V&V)也备受关注。由于并行CFD软件的终端用户是专业工程师,因此对软件的计算准确度、可靠性、健壮性以及可用性有严格要求。确认的目的是为用户提供关于软件功能及其正确模拟流体流动和热传导过程中主要物理现象的能力的综合性信息,这些物理现象按设计和在原位出现在设备中(如在流程化工厂中)。


       本文将描述在浸润边界CAD嵌入式CFD软件的V&V中所使用的方法,该方法涉及四个不同级别的测试。第一级涉及关于几何体和问题公式的非常简单的基础测试,这些测试用于验证基本物理定律和算法的正确性。第二级将通过多组测试来证实该产品或物理模型的特定功能的工作情况(如共轭热传导、气穴和冷凝等)。第三级包括应用的行业问题和基准,在这一级会考虑对具有复杂几何体的特殊设备进行软件确认(如旋风分离器、热交换器、引擎、鼓风机和泵等)。最后一级集成了来自某个特定行业(如航空航天与国防、电子、HVAC、流程工业等)的确认测试和基准以作为认证和鉴定的前提条件。通常而言,这些级别内的测例分类取决于几何和流体复杂度、参考数据的可用性及其准确性等等。对于每一级,本文都提供一些SOLIDWORK S Flow Simulation的确认测例。

测例

图1测例

       本文引用Sobachkin博士、Dumnov博士(Mentor GraphicsCorporation,机械分析部,俄罗斯)、Sobachkin博士工程经理撰写的相关文章,下面开始介绍确认方法。

1.引文

如今,没有计算机辅助工程(CAE)软件的帮助,不可能再生产出具有竞争力的高质量产品。近年来,我们观察到在CAE中CFD计算的地位在不断增长。


       通过将CAE系统(尤其是CFD)直接插入到产品设计流程中可以使其获得最大效率,不仅专用部门,而且直接参与设计的机械工程师都可以使用CAE/CFD,尤其是在早期设计中提前使用,即并行设计CFD(并行CFD)。此流程最初用于航天、汽车、电子产品和其他高科技行业,现在实际上涵盖了所有工程领域。


       浸润边界CAD嵌入式CFD软件SOLID WORK S Flow Simulation代表着一类新型的CFD分析软件,最初是作为产品生命周期管理(PLM)理念的一个组成部分,供机械工程师在设计流程中使用。开发这一类的CFD软件需要回答下列问题:机械设计工程师作为CFD用户的具体特性是什么?

1)     将3D CAD系统用作一种主要的设计工具。现在3D产品模型数据已成为所有虚拟原型和物理仿真的基础和起点。因此,通常用户不想将几何体转换成其他格式以随后在传统的CFD工作流程中使用。而且,在特定情形中,通常对非常复杂的几何装配体而言,不能保证这些转换的充分性。

2)     缺少CFD背景以及数值算法的理论基础。

3)     需要运行多个几何变型的优化计算,而非单个概念计算。在大多数情况下,用户需要的是从不卡壳的健壮工具,而不是更为精准的激光器

4)      CFD计算不是用户的首要工作职能。这些是辅助任务,因此一个用户可能只是偶尔进行计算,但之后可能密集使用一段时间。而且,这些计算应尽可能快地完成,通常可用的计算资源是有限的。

当然,工程师所从事的特定行业不同,上述每一个特性的重要性也不同。然而,应考虑所有的特性以使CFD工具更划算,并更适合于让普通专业工程师作为目标用户角色。对于所有普通工程应用,SOLID WORK S Flow Simulation通过完全嵌入SOLID WORK S机械设计环境中,实现了此效果。


        SOLID WORK S Flow Simulation的基本设计理念是自动准备、执行和可视化针对真实应用工程问题的CFD预测。为实现此效果,SOLID WORK S Flow Simulation具有一些特定功能,包括:与SOLIDWORKS 3D CAD系统完全集成;完全自动的网格生成;求解控制参数的自动规定;用户友好的前处理和后处理;能够执行参数算例并对比不同设计变型的分析结果等。该软件无需调整与基础算法关联的任何数值参数或从十个(或更多)物理模型或数值格式中选择其一。必须注意初始数据(边界和初始条件)指定、执行计算和结果分析(包括可视化和报告生成)都发生在SOLID WORK S之内,结果直接显示在CAD模型上或模型周围。计算结果以MS Office格式导出,也可以导入到SOLIDWORK S Simulation中进行结构分析。


       与面向高级CFD专家的传统CFD软件相比,SOLIDWORKS Flow Simulation的设计目的是供具有不同兴趣的工程师使用,解决工业产品设计和流程优化中固有的日常性问题。通常,该软件培训期约为两个工作日。在延长休息时间的情况下,用户可轻松熟悉软件。可在一个工作日的课程中执行从初始数据处理到结果分析的整个仿真。


        SOLID WORK S Flow Simulation技术与传统的CFD方法具有明显的不同,它使用了众多的工程技术和方法,帮助用户以较低的计算成本和时间成本获取可靠的预测。这些组合的可能性使得工程师可以加快解决其日常问题,但是为了实现这些工程方法的自动化,对软件的可靠性、健壮性和准确性提出了非常高的要求。从一开始,这个挑战就一直是SOLIDWORK S FlowSimulation验证和确认(V&V)程序的推动力,使用了大量的解析解和基准解,以及出版物和数据库中的实验结果(例如,Freitas,1995;Fluid Dynamics Databases,2002)。在关于SOLIDWORK S Flow Simulation V&V方法和分类框架的当前工作中讨论了一些结果。本文不涉及具体技术细节。 

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未完连载中……

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