CFD 仿真和建模的 13 个关键应用

计算流体动力学 (CFD) 是一门使用数据结构来解决流体流动问题的科学，例如速度、密度和化学成分。

该技术用于气蚀预防、航空航天工程、HVAC 工程、电子制造等领域。

下面列出了当今最常用的 CFD 仿真应用程序。

1。防止气蚀的 CFD 模拟

空化是在液体中形成气泡，当物体（例如螺旋桨）穿过液体时会发生。气蚀会损坏螺旋桨、喷嘴、涡轮机、溢洪道和阀门。

空化是影响广泛工程领域的关键流体动力学问题。

最大的问题？

在物理应力测试期间很难检测到由气蚀引起的组件损坏 - 因为损坏是渐进的，并且在达到临界阈值之前不会显示出明显的影响。

例如，测量螺旋桨气蚀损坏的一种方法是使用仪器测量振动和噪音。但大多数仪器不够灵敏，无法准确测量此类损坏。

然而，通过 CFD 进行的空化模拟可以帮助工程师设置在物理世界中难以测量的微小阈值。他们可以在非常精细的水平上进行测量，以比较替代产品和设计，以提高项目的灵活性、耐用性和安全性。

2。使用 CFD 模拟旋转机械

压缩机、蒸汽泵、燃气轮机和涡轮膨胀机等旋转机械有一个共同点：作用在结构上的循环载荷。

迷宫密封用于各种旋转类型的机械，以减少泄漏流量。通过密封件的气体通常会产生驱动力，导致转子振动不稳定。

这里重要的是能够确定造成不稳定性的动态转子力。

再次强调，与其投资于恒定的原型设计和物理应力测试，CFD 仿真可用于测试各种设计变量，以找到最理想的旋转机械结构。

3。层流和湍流的 CFD 模拟

湍流是空气、水或其他液体的突然剧烈运动。这是飞行员面临的最灾难性和不可预测的天气现象之一。事实上，极端的颠簸会使航空公司的飞行员无法控制飞机，甚至可能对乘客造成严重伤害。

CFD 模拟使用湍流模型来预测湍流对 CAD 工程设计的影响。

模拟湍流的最常见模型之一是 ANSYS 中的广义 k-欧米茄 (GEKO)。 GEKO 允许用户在保持模型校准的同时调整模拟的各个参数，从而帮助针对各种应用定制湍流模型

4。 CFD 模拟的供暖、空调和通风 (HVAC) 应用

尽管是我们日常生活中被忽视的固定装置，但将空气泵送和调节到我们家和办公室的 HVAC 系统需要大量的工程和规划。

为了有效调节空间的空气，保持室内空气流通，确保室内空气质量 (IAQ) 高，HVAC 产品必须利用流体动力学的物理特性。

制造 HVAC 扩散器、空气处理装置和 FTU 通常需要进行严格的测试，以确保它们能够有效地循环和调节空气，并符合 IAQ 标准。

因此，许多 HVAC 设备制造商已转向 CFD 仿真来加快原型制作和验证新设计。 CFD 仿真使工程师能够分析其产品在不同空间和不同配置下的潜在性能。

5。使用 CFD 进行电池模拟

从表面上看，电池设计过程似乎与航空航天和 HVAC 设计之类的设计没有什么共同之处——在这些设计中，气流在产品的核心功能中起着至关重要的（也是显而易见的）作用。

但电池设计是一个多学科的过程，需要多种工程实践——包括化学、电气、热和流体工程。因此，CFD 模拟可以在优化电池的性能和安全性方面发挥重要作用（同时在物理测试上使用更少的时间和资源）。

Simulia 等 CFD 软件可以帮助电池制造商使用 3D 进行可视化，并解决与快速放电、环境过热和过度充电相关的问题——这些问题不仅会影响电池寿命，还会影响消费者的安全。

6。使用 CFD 模拟空气动力学

空气动力学是研究空气如何在物体（如飞机或汽车）周围流动的研究。

它可能是 CFD 最著名的应用——汽车设计师、航空工程师和运动器材制造商都使用模拟软件来减少空气的阻力和摩擦，同时提高产品的效率。

除了能够在不投资许多物理原型的情况下设计空气动力学产品之外，仿真还使工程师能够对设计进行非常小的更改以最大限度地提高性能——在投入生产之前进行数十或数百次测试。

7。 CFD 中的传热和热管理仿真

传热和热管理是测量热量如何通过固体流体设计（例如传输热液体的管道）以及如何使用热传导、对流或辐射原理优化设计的学科。

热管理对于确保任何需要适度加热或冷却的设计的结构完整性和安全性至关重要。它还可用于优化使用热或燃烧作为动力的设计的性能和效率。

大多数专业 CAD 软件包（如 SolidWorks）都对模拟传热模型提供原生支持。

CFD 模拟用于优化从汽车发动机设计到咖啡机设计的所有领域的热传递。它对于此列表中提到的无数其他模拟类型（如 HVAC）也至关重要——其中传热是产品核心功能的一个组成部分。

8。使用 CFD 进行管道和阀门仿真

流体流动会对管道和阀门施加巨大的压力——如果没有得到适当的考虑，可能会导致严重的变形和故障。

因此，炼油厂、天然气管道和住宅管道都必须针对流体流动进行优化，以实现安全并防止对昂贵设备造成长期损坏。

在 CFD 模拟兴起之前，这种优化需要反复试验。管道系统是根据最佳估计建立的，并在失败后进行改进或修改。

通过 CFD 仿真，工程师可以对整个管道系统的性能进行建模或隔离单个组件（如阀门）以降低故障的可能性。 CFD 模拟还可用于事后调查老化基础设施的故障，让工程师更准确地了解所发生的情况。

9。使用 CFD 模拟电子冷却

今天使用的所有电子产品都需要某种形式的热管理（无论是散热器、通风口、风扇、热组件还是组合）。这是因为 GPU 和 CPU 等芯片在过热时开始出现故障。这些组件需要保持相对凉爽以保持性能（通常低于 85°C）。

如果没有广泛的模拟或测试，电子制造商会经常向市场发布因过热而失败的产品（如手机、玩具、计算机芯片等）。

CFD 仿真可用于测试和组织最理想的组件（散热器、风扇等）放置，以确保敏感芯片不会过热。

10.涡轮机械 CFD 仿真

涡轮机械是一个机械工程概念，它描述了将能量从转子传递到流体（如压缩机或涡轮机）的机器。

飞机喷气发动机是涡轮机械的一个常见例子，因为它们是利用废气产生推力的燃气轮机。

CFD 软件广泛用于涡轮机械的设计和优化，从预处理、建模、网格划分，一直到后处理。

11.高流变材料 CFD 模拟

高流变材料是在施加力和应力时可以表现为液体的固体。此类材料的示例包括：

• 塑料
• 聚合物
• 玻璃
• 金属
• 水泥

通过使用吹塑、热成型和挤出等技术，制造商可以将这些固体塑造成最终产品。

通过应用 CFD 模拟，制造商可以加快其流变材料设计过程，同时最大限度地减少能源和原材料需求。他们可以通过改变制造模具的形状、减少多余的材料和快速制作流变设计原型来确定成本节约。

12.使用 CFD 模拟反应流和燃烧

具有化学反应性的流动流体（例如在内燃机的情况下）在模拟中称为“反应流”。

这些类型的流动对工程师来说是一个困难的物理问题。

在化学台规模（毫米）上预测反应流体的行为是一回事，但在溶液水平（以立方升）同时考虑湍流是非常困难的。

然而，这是一个重要的问题。

能够了解反应流的基本化学和物理特性对于提高汽车、航空航天和能源部门的能源效率、燃料灵活性和减少排放至关重要。

这是 CFD 模拟擅长的领域。它可以处理复杂的多物理问题，例如反应流——让制造商了解几乎不可能手动计算的产品——而无需进行昂贵的物理测试。

13.使用 CFD 模拟的不可压缩和可压缩流动

（来源：SimScale）

可压缩流动是指密度不恒定的流体流动。

换句话说，像氧气这样的流体，其密度可以随着压力的变化而被压缩或减压——具有可压缩的流动。

不可压缩流动是指密度变化可以忽略不计的流体，无论压力如何。

流过管道的水具有不可压缩的流动，因为压力对其密度的影响很小。

这两种类型的流程都给制造商和工程师带来了独特的挑战。例如，从事空气动力学研究的工程师必须在分析中考虑氧气的可压缩性（物体以不同的速度行进）。相反，使用不可压缩流体的行业必须在计算时考虑到猛烈、强大和混乱的湍流。

而在航空航天领域——两种类型的计算可能需要在一个分析中结合起来——测试和规划可能会变得异常复杂。

这就是为什么 CFD 模拟对于许多现代制造商来说是绝对必要的。 SimScale 等软件允许工程师通过为不同的流体分配独特的属性，在一次模拟中分析不可压缩和可压缩流动。

结束思考

在模拟出现之前，世界上许多实际的物理问题都是通过昂贵（且耗时）的物理测试来解决的。从长远来看，产品未通过严格测试的公司因产品故障和召回（以及声誉受损）而付出的代价要大得多。

但随着仿真建模的出现，各行各业的工程师和设计师都可以使用一种廉价的方式在几乎任何条件下测试他们的产品。

特别是计算流体动力学允许工程师测试和改进产品设计，其中流体流动、湍流和热传递是至关重要的计算。

但测试只是等式的一部分。

能够快速有效地更新 CAD 设计以修复 CFD 分析标记的问题对于设计师来说仍然是一个问题——因为它通常需要大量的手动返工。

为了实现跨行业大规模采用仿真，仿真应用程序需要变得更易于使用。

如果您是使用 CAD 和仿真的设计师或工程师，那么您非常熟悉根据仿真输出重新设计产品所需的工作量。大多数 CFD 软件不会更新您的 CAD 模型。相反，它们为您提供“矢量场”来显示优化模型所需的变形。然后，设计师有责任手动更改设计。

通过使用 Spatial 的 BRep 变形工具集，可以自动执行此手动重新设计过程。给定一个矢量变形场（一组前后点），此工具集可让您自动变形任何 BRep 几何体。因此，工程师可以轻松地将仿真结果纳入他们的设计中。