比较CFD软件第1部分:CAD嵌入式CFD

差价合约彩条

这是我们5中的第1部分 差价合约软件比较系列。如果您想在收件箱中收到这些更新,请加入我们的 邮件列表.

CAD嵌入式CFD –夸大其词,但对某些人来说是物有所值

虽然在设计周期中推进仿真是一个崇高的概念,它有可能减少昂贵的工程变更单,但要实现这一目标并不像在他们熟悉的3D CAD界面中向设计人员提供CFD分析那样简单。 从我们的角度出发,具有CFD本身的直接CAD界面本身并没有提供任何新的或改进的解决方案来应对CFD模拟的最大挑战,即几何结构简化和清理,从通常是3D模型的流体模型中提取流体区域所涉及的实体,通过高质量的网格划分确保仿真精度,以及 差价合约流程质量控制. 关于CAD集成可为所有这些众所周知的挑战提供显着优势的说法大多是错误的。 

不用介意CAD集成不是软件营销人员真正想出的乌托邦,这些工具已被成千上万的用户采用,并在预算有限的开发流体相关产品的公司中广受欢迎。 应注意的CAD嵌入式或与CAD链接的CFD的一个特别有益的方面是其启用和简化参数研究的潜力。 

我们将详细介绍该细分市场的两位领导者, SolidWorks /流程模拟达索系统 发明者 / 欧特克 差价合约欧特克, 以及一个相对较新的人 发现李ve. 其他CAD程序已使用插件部分集成了独立软件的功能。 在线CAD平台 形状 促进将本机文件导出到 SimScale “云CFD”平台。  欧特克 也有 最近宣布Fusion 360将直接与Autodesk 差价合约 2通信019. 该类别的新手是 ANSYS 与它 发现李ve目标 与之整合的产品 太空宣言 3D建模平台。  Discovery Live在CFD社区中引起了轩然大波,因此我们将花一些时间在事实与虚构上进行区分。

此处未讨论的其他CAD链接或CAD集成选项包括 犀牛差价合约, Orca3D Marine 差价合约,各种 FloEFD CAD插件杜松子酒

示例1:SolidWorks Flow Simulation

SolidWorks Flow Simulation 在此类中可能被认为是最“ CAD嵌入式” 差价合约程序。在SolidWorks界面中定义CFD模拟会创建其他菜单项,但不会启动独立应用程序。为CFD分析提取的流体体积和CFD模拟所需的边界条件直接链接到本机3D CAD几何图形曲面,从而消除了在尝试简单的CAD几何图形更改时重新定义模型设置的必要性。 SolidWorks似乎专注于将其营销,作为对工业设备和电子设备中的“设计师”的解决方案,即那些没有证书或没有流体动力学,数值分析或CFD经验的人。

基本介面& Workflow

在SolidWorks中启用Flow Simulation插件后,SolidWorks零件树中将提供另一个“ Flow Simulation”选项卡。使该选项卡处于活动状态会发现工具栏顶部的“向导”按钮,该按钮可指导用户选择要建模的物理场,例如,在不可压缩或可压缩流体模拟之间进行选择。如果选择了“外部”流,则后续步骤将建议用户选择外部流域的大小。向导完成后,将在主图形用户界面内完成包括边界条件指定,网格划分,模拟和后处理在内的其他设置,并且工作流通常在左侧面板的顶部到底部。您可以看到一个示例 基本介面& Workflow 在SolidWorks网站上。

物理建模能力

在过去的十年中,SolidWorks Flow的功能不断增长,现在拥有许多与业界领先的独立CFD程序相同的功能。该软件很好地涵盖了基础知识,包括对多组分流体或气体,稳定或不稳定流进行建模的能力,提供内置的材料数据库以及完善的预处理和后处理工具。该软件还提供了一些高级功能,包括分散相内的拉格朗日粒子跟踪,移动参考系物理,辐射,无流体体积(VOF)的表面模型(截至2018年),多孔介质物理,可压缩流物理和共轭热用固体转移(CHT)。 SolidWorks Flow缺少的一些高级功能包括标量传输物理,欧拉多相流,反应流物理,湍流模型选择,动态流-固相互作用(DFBI),相变物理,拉格朗日相与分散相的双向耦合,喷雾和液滴模型,以及高级求解器设置和控件。见 技术文档 详细了解其中一些功能的验证。

CAD清理和网格划分

总体而言,使用SolidWorks Flow进行3D CAD模型清理和准备的过程与您要导出为中性文件格式以导入到独立CFD包中时所使用的过程非常相似。复杂的,可立即投入生产的CAD模型将需要通过抑制流体流动分析所不需要的细节并结合常用固体来消除不必要的表面对表面的界面来简化。然后,通过识别定义流体体积的不透水的一组表面,提取流体区域(无论是原始实体模型的内部还是外部)。通常,非歧管的几何形状会阻止识别此体积,因此需要进行校正。网格化之前可能需要识别和消除小体积和特征,以防止不必要的大计算网格需求。 “检查模型”工具和“ CAD清理”工具非常有用,并且有时可以捕获和修复简单的问题,但是大多数情况下,需要大量的用户干预才能解决有问题的几何图形,然后在本机3D CAD环境中对其进行修复。

给定不漏水的体积,然后可以执行啮合操作。 Flow Simulation中的网格划分工具试图通过限制用户在过程中需要的输入量来简化用户的网格划分过程。仅允许修剪的六面体网格,没有棱柱形边界层选项。默认网格密度是通过向导通过数字比例滑块指定的。通过为所有流体/固体界面,阈值大小的相邻曲面之间的开口或用户定义的空间体积定义细化设置,可以实现自定义网格细化的基本级别。自适应细化工具允许软件在仿真过程中根据解决方案变量梯度认为合适时定期调整网格细化。结合这些方法中的最佳方法,网格往往是中等质量或较差的质量,需要更多的像元才能达到与此处所述的某些其他工具所产生的更低像元数,更高质量的网格相同的精度。不幸的是, 网格划分没有太多优势 多核计算机体系结构。

模拟

SolidWorks Flow利用 有限体积求解器 我们发现效率很低。长期以来,基于有限体积(FV)的相关质量和能量守恒方程的解决方案一直是行业标准。在后面的章节中,我们将FV与其他解决方案方法进行对比,例如有限元(FEM)和Lattice Boltzmann(LB)方法。允许在内核之间分配求解器计算,但与此处讨论的某些其他软件包的并行化相比,效率低下,从而导致使用附加内核的计算时间减少不到线性。 举一个例子,SolidWorks仿真所需的时间比在 ANSYS 流利,同时针对感兴趣的量(举升和拖动)返回不太准确的结果。

Flow Simulation的一项特别出色的功能是内置的多参数优化功能。使用此工具,您可以选择3D模型几何或模拟参数作为输入变量,定义变量变化的范围以及要优化的目标目标数量。然后,用户可以利用“实验设计”来创建响应曲面和渐变方法,以将其放置在局部最优位置。查看此功能的示例 最大化2D机翼的升阻比.

后期处理

在SolidWorks Flow Simulation中渲染的,带有温度的流线和3D几何图形着色(图片由Myomo,Inc.提供的MyoPro提供)

在SolidWorks Flow Simulation中渲染的,带有温度的流线和3D几何图形着色(图片由 MyoProMyomo,Inc

SolidWorks Flow后处理虽然不引人注目,或达到了一些领先的独立CFD或后处理软件包所提供的水平,但确实得益于其嵌入的SolidWorks精致的可视化方法来呈现3D,从而受益匪浅信息。提供典型的矢量,轮廓,流线和等值面图,以及以Excel格式导出数据。与CFD相关的输出可以与本机3D实体模型一起呈现,这使得制作高质量的图形比在Adobe Photoshop等第三方工具中拼凑图像要省力。一个例子如下所示。

许可和费用

最后检查,一个节点锁定的永久 可以购买Flow Simulation许可证 约14,000美元。要在支持下每年维护一次此许可证,并且最新的软件更新将使您再花费$ 4,000。此外,用户还需要租赁或拥有SolidWorks。您可以在尽可能多的内核上执行仿真,但是正如我们之前提到的,性能提升是有限的。

范例2:Autodesk 差价合约

欧特克在2011年收购了Blue Ridge Numerics 不久之后,该软件被重新命名为CFdesign 欧特克 差价合约. Autodesk 差价合约(为简便起见,我们以下简称为“ 差价合约”)在技术上并未嵌入CAD,因为从CFD内部启动CFD时需要打开单独的应用程序 发明者 要么 融合360 工作区。 实际上,尽管它仍然符合该类别的条件,因为可以通过遵循正确的程序来维护仿真文件和原始3D CAD模型之间的连接。 从Autodesk的营销文献来看,可以肯定地说,它们最专注于为电子和建筑行业提供服务,考虑到他们通过其他Autodesk产品在这些行业中的坚定参与,这是有道理的。

基本界面和工作流程

差价合约可以从Inventor或其他3D实体建模软件包中启动,也可以独立启动。 如果从CAD软件包中启动,则3D模型将直接推入CFD。 这样,当您在CAD中引入设计变化并重新启动CFD时,软件会自动将设置从原始仿真模型分配给新模型。 这种关联性确保了仿真之间的一致性,并减少了后续设计迭代所需的设置时间。 但是,我们发现,此过程并没有听起来那样真正地自动化,并且遇到了很多困难。 毫不奇怪,从非Autodesk CAD软件包启动时尤其如此。 

相反,您可以将CAD文件的几何形状直接导入CFD(.x_t,.sldprt,.sldasm,.step,.iges和.3dm, 例如)。 可以在导入期间激活模型评估工具包,该工具包将启动一系列3D模型运行状况分析,以查找常见的CAD问题,例如条子,缝隙和干涉。 该工具包仅识别这些错误,这意味着您必须返回到原始CAD模型才能执行所需的修复,然后再次运行评估。 这使工作流程有些混乱。 

否则,Autodesk中的工作流程通常与SolidWorks中的工作流程大致相同。 边界条件,物理连续性和其他模型设置条件显示在左侧的“设计研究栏”中。 我们发现一些令人讨厌的细节使工作流程有些“笨拙”。 例如,在将几何特征分配给模拟特征时,必须经常在“表面”选择工具和“体积”选择工具之间来回切换。  另一个例子是必须在一个表面上分别分配多个边界条件,例如温度和速度,而不是组合边界条件。  

物理建模能力

自收购Blue Ridge Numerics以来,Autodesk 差价合约扩展了其功能。  该软件可以很好地覆盖大多数基础知识,包括对多组分流体或气体进行建模,稳定或不稳定流,内置材料数据库以及良好的预处理和后处理工具的能力。  This 高端“ 差价合约 Ultimate”软件包可用的功能列表 除了一些其他功能(例如更广泛的湍流模型)外,与SolidWorks Flow提供的功能几乎相同。 其中许多功能 已经验证 也由Autodesk提供。     

CAD清理和网格划分

欧特克 Surface Wrap 通过Autodesk-外部流几何网格工具。 I法师执照

由于Autodesk 差价合约是基于有限元的,因此默认情况下曲面网格是三角形的,而体积单元默认是四面体的。标准的网格划分工具允许分配滑动条网格密度,与SolidWorks几乎相同,并且尝试细化单个曲面或区域虽然很杂乱。如果您感到幸运,可以使用“自动调整大小”工具。 激活“墙层”选项可以在实体表面的边界层中实现棱柱层。 但是,请始终记住要使棱柱层的厚度与湍流模型的选择相匹配。   

一个可用的与网格相关的好功能是表面包裹工具,可用于为外部流动模拟(即风洞测试)定义域。 使用中的表面包裹工具的屏幕截图如下所示。 我们发现它运作良好。

模拟

欧特克 差价合约在CFD社区中有些离群值,因为它采用了 有限元求解器. 教科书对将有限元方法应用于Navier-Stokes方程的批评是,与有限体积方法相比,它的准确性和效率较低。 我们的试验证实,在可比较的计算网格上运行时,Autodesk 差价合约比同类最佳的FV求解器慢得多,比SolidWorks Flow Simulation稍慢。    

后期处理

尽管每个新版本都变得更好,但Autodesk 差价合约后处理仍有许多不足之处。 与同类最佳工具相比,它有点像是被追溯到大约十年之前。 鉴于它是完全独立于其他Autodesk工具而开发的,并且仍然是独立软件,因此与Inventor和Fusion 360中提供的完善的可视化和渲染工具几乎没有共同之处也就不足为奇了。 专用用户只能希望Autodesk 差价合约最终将被这些平台之一或同时使用,并且一定会从改进的光学系统中受益。  Look around the 欧特克 Simulation博客 几分钟,您就会赶上我们的步伐。 

许可和费用

目前,Autodesk 差价合约 Premium和CFD Ultimate可以按年度订购 分别约$ 9,500和$ 11,600. 然后需要每年续订以维持此许可证,费用分别为$ 6,600或$ 8,100。 通过此订阅,您还可以访问Autodesk网络托管的3D实体建模软件Fusion 360。 另外,如果您更喜欢传统的3D建模软件,则可以购买Autodesk 发明者的订阅。  您可以在尽可能多的物理核上执行仿真,但需要注意的是。  Typically,  有限元计算不能随进程数线性缩放,而要克服RAM限制则更加困难。  By 欧特克自己的录取,用户只能期望将速度从4提升到8,将速度提高20%,将速度从8提升到16,将速度提高10%。  对于任何人为什么要使用Autodesk 差价合约 Flex服务,这都是一个真正的难题,在该服务中,将模拟提交给Autodesk托管的云资源,以收取额外的每次运行费用。  与本地解决方案相比,这种情况声称云模拟存在所有缺点(附加成本,文件传输时间等),却没有好处(在数十或数百个处理器上进行快速模拟)。 

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例3:ANSYS 发现李ve(带有视频演示)

我不得不承认,当我第一次看到Discovery Live演示时,我感到非常震惊,但事实并非如此 原因最多. 我已经熟悉了Lattice Boltzman求解器的所谓无网格技术,并且意识到使用GPU加速可以非常快速地运行粗晶格模拟。 确实,好莱坞图形工作室就是这样制作的 一些惊人的逼真的流体效果 数年之久。 老实说,如果您向其投放足够的处理器,那么有限量CFD也会如此。 令我震惊的是产品和推出的特色如何 ANSYS. 请注意,这是同一家公司,其典型的号召性用语是“要获得严格的CFD结果,您需要认真的软件”。 我被运送到另一个宇宙 ANSYS 毫无疑问地大肆宣传,并发布了一个带有新的号召性用语“效用高于准确性”的未经验证的软件。 模拟将再次变得有趣。 不再等待准确的结果;现在,您可以看到每次单击鼠标和每次鼠标时,设计更改的近似影响。 漂亮的蓝绿色粉扑状的东西ANSYS 突然间,他是一个酷酷的父亲,意识到在所有这些年之后,他需要放松自己,并不再一直如此认真。 

我知道了。 有两个方面吸引我。 首先,所有的Lattice-Boltzmann模拟本质上都是时间相关的,因此,很自然地,会产生更具吸引力的流动可视化,显示不稳定的行为。 这样的可视化表达了我们对流体行为的直观和初步理解,这比我们大多数人惯于看到的静态,无限时间平均的CFD结果要好得多。 

让我着迷的第二件事是,可以轻松地将几何体修改引入仿真。 再次,多年来,使用移动边界和网格进行了无数次非稳态流动模拟,我已经意识到,流体模拟可以相对轻松地响应移动的几何形状。 但是这些类型的运动通常需要预先计划和执行的特殊层次结构和计算域顺序。 Discovery Live所发生的事情是完全不同的动物,其中计算域似乎可以即时对其进行重新排序。 

在最坏的情况下,此功能是对新颖的直接3D建模技术的优美使用,在最好的情况下,这将是突破性的突破,它将成为所有未来CFD程序的模型。 如果在幕后发生的事情是ANSYS发明了一种可扩展的方法来生成数字晶格,那么当发生几何变化时,该方法可立即近乎实时地生成粗晶格,后者将成为事实。 你问为什么这那么重要? 好吧,如果该技术现在可以实时生成粗糙的晶格,则可以合理地预期,随着GPU硬件的不断改进,将来可能会出现精细的晶格。  而且,尽管从理论上讲不像有限体积法那样可靠,但莱迪思-玻尔兹曼方法在不断发展的过程中仍可能具有精确性。 如果将这两个特征结合起来,就会有所收获。

由于这项技术太新了,实际上只有修补匠和发明者才会在短期内使用它,因此我们将不进行完整的工作流程分析,而是向您展示实时演示,以激发想象力。 对于那些不愿等待澄清的人,Discovery Live可以以非常合理的价格购买 每年订阅费$ 3,000 并且您需要一个漂亮的GPU卡来实现它。 

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