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CFdesign在泵行业的应用 |
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作者：上海盛元信息科技有限公司 |
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一、CFD 应用技术简介
CFD (Computational Fluid Dynamics)即计算流体力学旨在通过求解一组描述流体运动的基本方程组（Navier-Stokes 方程组）来模拟工程问题所涉及的复杂流体运动规律。CFD 综合了计算数学、计算机技术、物理模型、CAD、可视化等多种学科而成为一门边缘交叉学科。CFD 起源于二十世纪七十年代。在短短的几十年内，CFD 已经在航空航天、能源、船舶、汽车、化工、石油天然气、供暖通风、电子、聚合物加工、食品、生物医药等各行各业取得了广泛的应用。目前CFD 商用软件已成为一种通用的基本工具，在全球的大型企业和研发机构的产品开发、设计、故障诊断中发挥了重要作用。CFD 技术已经成为CAE 中的最为重要的核心技术之一。CFD 最初只是一门研究数值格式和计算方法的学科。经过三十多年的努力，CFD 现已产业化，其研究开发工作也发展成为一项复杂的系统工程，主要包括以下几个方面的内容：
1） 数学模型和数值解法（Mathematical Models & Numerics）
2） 物理模型（Physical Models）
3） 模型验证（Validation）
4） 几何建模/CAD 集成（Model Creation/CAD Integration）
5） 后置处理/可视化（Postprocessing/Visualization）
6） 计算机技术（Computing Turnaround）
数学模型、数值解法和物理模型一直是CFD 研究的主体内容。上世纪50 年代基本奠定了偏微分方程有限差分解法的数学理论基础。主要有Courant、Friedrichs 和Lewy 等人提出的特征线法和著名的稳定性判据CFL 条件，Von Neumann、Richtmyer 和Lax 等人建立的非线性双曲型方程的数值解法理论，以及Lax 和Kresis 等人建立的非定常双曲型和双曲-抛物型偏微分方程的稳定性理论。这些理论的建立客观上为后来计算格式和方法研究的繁荣创造了条件。60 年代中期面元法出现并应用于飞机设计中，标志CFD 在工业界应用的开始。
上世纪70 年代后，CFD 方法取得重大突破，一个方面是全面解决了跨声速位势流的数值计算方法，另一个方面是采用了时间相关方法求解可压缩Euler 方程和N-S 方程数值模拟复杂流场。位势流方法主要有Murmann 和Cole 的型相关方法以及后来Jameson 提出旋转格式对其的改进，还有Balhaus、Lomax 和Steger 等人提出的隐式近似因子分解（AF）法。早期用于求解可压缩Euler 方程和N-S 方程的时间相关方法有MacCormack 算法，Beam 和Warming 等人的AF 法。由于时间相关方法所求解的主控方程是单一双曲型方程，其定解问题的理论基础完善，所以在后来相当长的时间内，一直是采用这类方法求解Euler 方程和N-S 方程来模拟跨声速和超声速流场。
上世纪70 年代末以后，数值求解Euler 方程和N-S 方程的计算格式和方法研究更上一层楼，发展了相当数量的高精度、高分辨率的差分格式，如总变差减小（TVD）格式、本质无振荡（ENO）格式、无波动无自由参数的耗散（NND）格式、矢通量分裂格式和通量差分裂格式等等，此外，还有Jameson 等人发展的多步Runge-Kutta 有限体积法。这些格式和方法可用来模拟包含激波、粘性干扰、分离涡以及非定常效应等现象的非光滑流场，使得超声速、高超声速和跨声速、低速等复杂流场的数值模拟取得了极大的进步。
CFD 的发展一直受到计算机速度和容量的制约。70 年代以后在数值格式和方法方面取得的上述成就，正是计算机技术的发展所促进的。为了满足大规模和超大规模计算的需要，70 年代中期Cray-1 巨型机出现，80 年代推出了Cray-XMP 和IBM3090，90 年代中期又推出了Cray T3D 和IBM SP2。到了90 年代后期，计算机的发展更是突飞猛进。IBM“深蓝”独领风骚不过1 年时间，IBM 又推出了比“深蓝”快1000 倍的Blue Gene。目前IBM 又在生产速度为每秒12 兆3000亿个指令的高级战略计算机ASCI White。与计算机性能的飞速提高相适应，80 年代中期以来，大规模并行处理技术成为CFD 研究的一个热点，成就卓著。
网格生成技术是CFD 技术的另一个重要的发展方向。相对于数值格式、计算方法和计算机技术的发展而言，网格生成技术的发展有些滞后。以现代先进战斗机F-22 的CFD 数值模拟为例，其几何外形非常复杂，在一个CFD 作业中，网格生成和相关的几何建模约占全部工作的80%。
但是，结构化网格对复杂几何外形的适应性很差， CFD 建模和网格生成的工作量仍然很大。特别是在飞机改型过程中，尽管只作局部修改，但仍然需要重新分区和生成网格，人力和时间的耗费很大。鉴于此，90 年代又大力发展了非结构化网格生成技术。
非结构化网格技术与有限体积法（有限元）的结合，促进了CFD 产业化，90 年代是CFD 发展的高速成熟期。CFD 技术已广泛应用于上述各个领域。通过这些应用，不仅提高了设计水平，而且验证和完善了CFD 技术方法，最终促进CFD 技术迅速转化为实用、快捷、强有力的分析设计工具，创造了巨大的经济效益。
二、CFdesign 在泵行业的应用
目前我国泵行业竞争非常激烈。随着改革开放和中国的入世，国际上各行业中，众多跨国企业正在迅速进入中国市场。在泵行业，许多世界泵业的巨人们已经在中国布局设点,泵行业必将迎来大面积的行业整合和产业重组. 市场对于泵行业厂商的要求越来越高,在提高产品品质提高的同时还要尽量缩短供货期，尤其对于特殊产品（客户有特殊需求）供货周期缩短, 必然要求泵的生产企业加速利用CAD，CAE，CFD 技术来改善整个设计流程，所以引进CFD 技术对于泵行业有如下必要性
预见性 泵设计是一项复杂的过程，在设计中各种因素互相影响，使满足给定要求的水泵有不同的设计方案或结果，采用CFD 技术，在设计初期就能够从大量的设计方案中筛选出所需要的设计方案，从而大大减少了设计中的盲目性。另外，在很多特定的条件下工作的产品，CFD 模拟是获取数据的唯一有效的途径。
洞察力 CFD 提供了强有力的工具，使工程人员能够直观地了解产品内的复杂流动现象，将触觉深入产品内部，了解物理本质。这对工程师提高设计能力以设计新产品、改进和优化设备都有至关重要的作用；
高效性 大量的经验表明，CFD 技术的使用大大缩短了产品上市时间，提高了产品性能，降低了设计和生产费用。
三、CFdesign 软件的特点
CFdesign 是美国BRNI (Blue Ridge Numerics Inc.) 公司开发的新一代CFD 工具。该软件的设计理念是：让CFD 融入产品设计的主流程，成为产品设计主流CFD 工具，而不是仅由少数CFD专家独享的高深莫测的“象牙塔”。CFdesign 直接嵌入CAD 设计过程中，使工程师快速进行方案选型，大大减少了样品试验的次数。
从1992 年CFdesign 软件发布至今，CFdesign 已与产品设计过程紧密结合，为产品设计节省了大量费用和时间，成为面向产品设计开发工程师的首选CFD 工具。
CFdesign 技术平台可以由如下流程图表示：
图1: CFdesign 前沿CFD 技术平台
整个设计平台包含如下环节：
CAD 连接
· 直接利用CAD系统的内核零件与装配模型。这些CAD系统包括： Pro/ENGINEER, SolidWorks, Autodesk Inventor, Mechanical Desktop, CATIA, UGS NX, Unigraphics, Solid Edge, I-DEAS, Alibre, CoCreate, IronCAD, 及其它主流CAD系统
· 与CAD模型保持结合关系，如网格尺寸与操作条件
· 对几何复杂性、尺寸、装配、壁面厚度等没有限制
· 自动产生流体区域
网格生成
· 革命性地采用有限元方法生成网格，保证了对复杂模型的快速、自动化网格生成
· 自动监测和解释小的特征
· 自动在流体附面层内生成网格
· 易于控制相邻的网格尺寸
模拟规范
· 拥有产品开发过程中遇到的各种流体问题的求解能力
· 先进、快速、稳健的求解器
· 可以与其它模拟环境集成耦合: Abaqus, Ansys, Cosmos, I-DEAS, Mechanica, Nastran
计算模拟
· 在PC机上可以快速解算复杂问题
· 充分利用网络计算资源
设计评估
· 在一个视窗下对各种设计方案进行交互式的比较
· 与3D产品性能的开发紧密结合
工程师可以迅速从多个方案中进行几十次计算，迅速找到最优方案
生成泵的性能曲线和泵的效率曲线
设计沟通
· 提供交互式的3D文档格式： Web 页, MS Office 应用, 等
· 整个模拟过程不需要机械CAD 或 CFD 经验(end)
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(5/4/2007) |
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