13大核心CFD应用：赋能航空航天、暖通空调与电子散热性能跃升

计算流体动力学(CFD)是利用数据结构求解流体流动问题(如速度、密度、化学成分)的科学。

该技术应用于空化预防、航空航天工程、暖通空调工程、电子制造等众多领域。

以下梳理当前最常见的13种CFD仿真应用。

1. CFD仿真预防空化

空化是液体中汽泡形成现象，发生于物体(如螺旋桨)在液体中运动时。空化会损坏螺旋桨、喷嘴、涡轮、溢洪道、阀门。

空化是影响广泛工程领域的关键流体动力学问题。

最大痛点？

物理应力测试中极难检测空化造成的部件损伤——因损伤渐进且无明显效应直至临界阈值。

如用仪器测振动噪声量化螺旋桨空化损伤，但多数仪器灵敏度不足以精准测量此类损伤。

CFD空化仿真可助工程师设定物理世界难以测量的微小阈值。可在极细颗粒度比对替代产品/设计，提升项目柔韧性、耐久性、安全性。

2. CFD仿真旋转机械

压缩机、汽泵、燃气轮机、透平膨胀机等旋转机械共性：结构承受循环载荷。

迷宫密封用于各类旋转机械减少泄漏流。气体穿过密封产生驱动力导致转子不稳定振动。

关键在于确定产生不稳定的动态转子力。

再次，CFD仿真可替代持续原型和物理应力测试，测试多种设计变量找到最理想旋转机械构型。

3. 层流与湍流CFD仿真

湍流是空气、水或其他液体的突发剧烈运动。飞行员面临最灾难性不可预测的天气现象之一。极端湍流可致飞行员失控、乘客重伤。

CFD仿真用湍流模型预测湍流对CAD工程设计的影响。

ANSYS中最常用湍流模型之一是广义k-omega(GEKO)。GEKO允许用户调整仿真个别参数同时保持模型校准，适配多样化应用。

4. 暖通空调(HVAC)CFD仿真应用

尽管是日常生活被忽视的固定装置,向家庭办公室输送调节空气的HVAC系统需要密集工程规划。

为有效调节空间空气、保持室内气流、确保高室内空气质量(IAQ)，HVAC产品必须利用流体动力学物理原理。

制造HVAC扩散器、空气处理单元、风机盘管单元(FTU)通常需严格测试确保有效循环调节空气、满足IAQ标准。

众多HVAC设备制造商转向CFD仿真加速新设计原型验证。CFD仿真让工程师分析产品在不同空间、不同配置下的潜在性能。

5. 电池CFD仿真

乍看电池设计似与航空航天、HVAC设计无关——气流在后两者核心功能中扮演显性关键角色。

但电池设计是多学科过程，需化学、电气、热、流体等多工程实践。CFD仿真可在减少物理测试时间资源前提下优化电池性能安全。

Simulia等CFD软件助电池制造商3D可视化并解决快速放电、环境过热、过充等问题——不仅影响电池寿命，更关乎消费者安全。

6. 空气动力学CFD仿真

空气动力学研究空气如何绕过物体(如飞机、汽车)。

这或许是CFD最知名应用——汽车设计师、航空航天工程师、运动器材制造商均用仿真软件降低阻力摩擦、提升产品效率。

除无需大量物理原型设计气动产品外，仿真让工程师测试微小设计变化以极致性能——量产前可迭代数十上百次。

7. 传热与热管理CFD仿真

传热与热管理是测量热量如何在固流体设计(如输送热液管道)中移动、如何用热传导/对流/辐射原理优化设计的学科。

热管理对确保需中等冷热设计的结构完整性安全至关重要。也可优化利用热/燃烧动力设计的性能效率。

大多数专业CAD软件(如SolidWorks)原生支持热传递模型仿真。

CFD仿真用于优化从汽车发动机到咖啡机的一切传热设计。对本列表其他仿真类型(如HVAC)亦关键——传热是产品核心功能不可或缺组件。

8. 管道与阀门CFD仿真

流体流动对管道阀门施加巨大压力——若未妥善考量会导致关键变形失效。

炼油厂、天然气管道、民用管道均须针对流体流动优化以达安全、防止昂贵设备长期损坏。

CFD仿真兴起前，此类优化靠试错。管道系统按最佳猜测构建,失效后修正。CFD仿真让工程师建模整个管道系统性能或隔离单一组件(如阀门)降低失效概率。亦可事后调查老化基础设施失效,给工程师更准确复盘。

9. 电子散热CFD仿真

现用所有电子设备都需某种热管理(散热片、通风口、风扇、热元件或组合)。因GPU、CPU等芯片过热失效,需保持相对低温(通常<85°C)维持性能。

无大量仿真测试,电子制造商会频繁发布因过热失效的产品(手机、玩具、芯片等)。

CFD仿真可测试组织散热片、风扇等组件最理想布局,确保敏感芯片不致过热。

10. 涡轮机械CFD仿真

涡轮机械是描述从转子向流体(如压缩机、涡轮)传递能量机器的机械工程概念。

飞机喷气发动机是典型涡轮机械,作为燃气轮机从废气产生推力。

CFD软件在涡轮机械设计优化中广泛应用,从预处理、建模、网格划分到后处理全流程。

11. 高流变材料CFD仿真

高流变材料是受力应力时表现为液体行为的固体。例子包括：

• 塑料
• 聚合物
• 玻璃
• 金属
• 水泥

制造商通过吹塑、热成型、挤出等技术将这些固体成型为成品。

应用CFD仿真,制造商可加速流变材料设计流程,同时最小化能源原材料需求。通过改变制造模具形状、减少多余材料、快速原型流变设计识别成本节约点。

12. 反应流与燃烧CFD仿真

化学反应性流动流体(如燃烧发动机)在仿真中称为“反应流”。

此类流动对工程师是棘手物理问题。

在化学实验台尺度(毫米)预测反应流体行为是一回事——但在溶液尺度(立方升)考虑湍流预测则难得多。

却是重要问题。洞察反应流底层化学物理,对提升汽车、航空航天、能源领域能效、燃料灵活性、减排至关重要。

CFD仿真在此领域大放异彩。能处理反应流等复杂多物理场问题——给制造商提供近乎无法手工计算的产品洞察——且无需昂贵物理测试。

13. 不可压缩与可压缩流体CFD仿真

可压缩流指密度不恒定的流体流动。

即氧气等流体,密度随压力变化可压缩/解压——具有可压缩流动。

不可压缩流指密度变化可忽略(无论压力)的流体。

水流经管道属不可压缩流,因压力对密度影响微乎其微。

两类流动对制造商工程师均有独特挑战。从事空气动力学工程师须考虑氧气可压缩性(物体不同速度下)。反之,不可压缩流体行业须在计算中考虑剧烈强大混乱的湍流。

航空航天等可能需单一分析结合两类计算时,测试规划变得极其复杂。

这正是CFD仿真成为现代制造商绝对必需的原因。SimScale等软件让工程师通过赋予不同流体独特属性,在单一仿真中分析不可压缩和可压缩流动。

结语

仿真建模出现前,世界许多实际物理靠昂贵耗时的物理测试求解。放弃严格测试的公司长期在产品失效、召回、声誉受损上付出更大代价。

仿真建模出现后,各行业工程师设计师获得廉价方式在虚拟任意条件下测试产品。

计算流体动力学特别让工程师测试改进流体流动、湍流、传热为关键计算的产品设计。

但测试只是方程一部分。

基于CFD分析标记的问题快速高效更新CAD设计,对设计师仍是难题——常需大量手工返工。

为实现仿真跨行业大规模采用,仿真应用须更易用。

若您是使用CAD和仿真的设计师/工程师,定深知基于仿真输出重新设计产品的工作量。多数CFD软件不更新CAD模型,而是给“矢量场”显示优化模型所需变形。由设计师手工修改设计。

此手工重新设计过程可用Spatial的BRep变形工具集自动化。给定矢量变形场(前后点集),该工具集自动变形任意BRep几何体。从而工程师轻松将仿真结果回迁设计。