嵌入至CAD中的CFD软件可以使一些中小型公司像OEM一样进行流动和热仿真

最近一份独立的研究报告表明：业内顶尖企业使用流动仿真的数量是其竞争对手的两倍。但是直到目前为止，由于计算流体动力学软件高昂的价格和复杂的操作性，只有一些研究机构、学术组织和OEM能很好的使用。令人感到高兴的是，一款来自Flomerics公司称之为工程流体动力学（EFD）的软件，使每一位工程师都能轻松使用CFD软件。应用的方面包括为激光光学构建良好的保护罩、控制阀门内流动和提高大型热交换器内的热力学效率。Flomerics将其命名为EFD，从而与传统的CFD软件进行区分。

首先， EFD软件嵌入至主流机械设计软件中的这一特点非常值得关注。而传统的CFD软件只能用于具体的分析。在这些软件中，几何模型可能只有80％能进行转化，其它的需要手动进行简化。一些设计工程师可能需要在模型转换进CFD软件中浪费几天的时间，当然前提还是建立在能成功转换的基础之上。EFD不仅仅能进行仿真，同时也可以进行模型设计的改变。

EFD软件有若干个版本，不同版本适用于不同的主流CAD软件。使用相应的软件工具包可以将EFD嵌入至对应的CAD软件中。EFD软件可以使工程师直接采用原始的CAD模型，不需要进行任何的转换和复制。此外，后处理的结果也可以直接显示在CAD模型之上。

在这个案例中， EFD.Pro被完全嵌入至Pro/ENGINEER Wildfire中。因此CFD软件具有Pro/E相同的操作界面和模型树。所有的设计变更可以直接在CAD软件中进行。对于诸如材料特性和边界条件等流动仿真所必须的相关数据被关联到相应的实体模型。流动条件被直接定义到固体模型，并且以类似于模型树进行管理。

为了扩大应用范围， Flomerics也为其它CAD软件提供EFD。举例，大型的汽车制造商可能需要大量其它格式的3D数据（IGES， STEP， VDAFS）输入和输出。进行 “What-if”方案设计需要频繁的在软件中进行模型修改， EFD软件可以很好的避免时间的浪费和模型数据交换出错的可能。这正是传统CFD软件所无法做到的。

可能许多用户对生产商提供3D模型的应力和耐用性功能测试已经相当熟悉。EFD同样具有让用户进行流体流动和热交换测试的功能，从而让设计趋于完美。EFD软件可以对： “设计方案是否能工作在特定的条件下，是否能经受特定的压力和温度？”等类似问题给出满意答复。由于软件嵌入至CAD之中，所以具有相同的软件界面，给人一种似曾相识的感觉。此外由于不存在模型数据转换的问题，大大的减少了工作量。

由于EFD直接使用CAD模型，而CAD模型建立之初是进行制造，并非用于计算分析。但EFD的优先级可以很好的确定感兴趣的流动区域，工程师不必进行手动确定特征和进行简化。

事实上， EFD可以处理具有曲面和锐利拐角的复杂几何模型，这主要是因为软件采用了矩形自适应网格技术。 “矩形”意味着是正交六面体网格。求解器会自动的在需要更多网格的地方进行网格加密。而在其它区域使用粗糙的网格，从而节省计算机资源。由于网格有六个面，相对而言其求解更加稳定和高效。

与之相反，传统的CFD软件需要对网格进行大量的手动调整，从而保证网格的质量。最为棘手的是，每当设计发生改变，必须再一次进行手动网格调整。

尽管严格意义上说有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）是一样的， P EFD求解准则利用实际的体积空间并且直接从核函数得到这些结果值。EFD采用的是有限体积法。对于有限元法而言，计算节点或求解矢量通常保存在每一个网格面的中心和边上。但是流体流动分析通常不是稳态的，并且需要不同的计算。有限体积法的计算节点保存在网格的中心。由于EFD在CAD软件中工作，所以几何模型应尽可能的精确。EFD会直接采用CAD模型，并且会判别重要流动现象发生区域处的CAD表面。简而言之，EFD求解准则利用实际的体积空间并且直接从核函数得到这些结果值。

现在许多CAD模型都是基于参数化的特征， EFD也充分利用了这种方法的优点。除了几何参数之外，流动条件也被直接定义到CAD模型之上。和其它设计参数相类似，这些条件以特征树形式管理。例如你设计了一个阀门并且需要模拟其内部的流动状态。流动中包含了温度和相变等复杂的物理特征。使用EFD软件可以获得一些诸如压降等重要的数据。EFD也可以使用参数化，所以用户可以快速的完成多个仿真方案。一旦用户完成了第一个方案求解，会以复制的方式创建第二个方案。复制的方案保留了诸如边界条件和负载等相关数据。例如，对一个具有很多变量的阀门进行分析，仅仅需要半天的时间。

构建良好激光光学保护罩的方法

EFD.Pro是嵌入至Pro/E的EFD版本，其帮助一家芯片封装机械制造商提升用于PCB和内存的元件性能。Fico公司致力于最新的半导体制造。

由于在制造过程中小的元件很容易损坏，所以必须具有非常高的制造精度。这家公司生产了一种新型机器，这种机器采用激光来加工零件。

这一新型机器有玻璃窗式的激光保护罩。保护罩可以避免激光照向其它地方，同时保证激光生成器不会受到灰尘和烟气所玷污。但是这台新机器只能正常工作15分钟，之后就由于切割的激光失效而无法工作。这主要是因为切割过程中的灰尘弄脏了保护罩，使一部分激光被这些灰尘所吸收。清洗保护罩需要一定时间，从而降低了生产效率。

Fico的工程师Peter Venema说： “我们需要延长保护罩清洗的间隔时间，从而满足我们客户所提出的4小时清洗间隔时间，当然我们最终的目标是8小时。因此我们必须快速的寻找一种避免灰尘污染的方法。尽管我们的研发团队没有计算流体动力学方面的使用经验，但是通过EFD.Pro我们获取了大量有助于设计的数据。

我们的研发团队设计了几种不同的方案，之后逐步的提高保护罩内的空气流动，在30<天内我们就满足了客户的要求。若像以往采用测试的方法，则需要更长的时间。

之后的没多久，这个研发团队实现了8小时清洗间隔时间。Venema说： “我们的客户对产品非常满意，但我们发现还有一种方法可以使清洗间隔时间更长。随后我们采用EFD<进行最后的设计。最终我们的客户告诉我们，我们设计的产品一次可以加工20，000个零件，也是就连续工作11个小时。”

最初通过EFD.Pro获取的防护罩仿真结果表明设计方案的流动效果很好，但是在中间的流动再循环太强，以致很多灰尘进入到激光入口的玻璃窗中。每隔15分钟就要进行清洗一次。

防护罩空气入口进行重新设计之后，仿真结果表明气流流动形式发生变化，玻璃上的灰尘减少。清洗的间隔时间大为延长。

嵌入至CAD

Flomerics对不同的CAD软件提供了相应的EFD版本。EFD.Pro嵌入至Pro/ENGINEER Wildfire、EFD.V5嵌入至CATIA V5。很多用户不知道EFD也被完全嵌入至Solidworks中，称之为CosmosFloWorks。另外EFD.Lab可以于Autodesk Inventor和Siemens PLM CAD软件一起工作。EFD.Flexx适合多CAD平台的EFD licence，可以用于EFD.Pro， EFD.V5或者EFD.Lab。这给了工程师一个很大的选择余地，他们可以根据其特定客户和供应商的需要来选择使用的软件。

有一个使用CFD软件进行设计的防回流装置和自动控制阀门。Watts Industries制造的装置通常要达到15个不同的水力要求，诸如：最小化压力损失、高压减压阀和避免气蚀现象。由于受污染的饮用水会造成灾难性的后果，欧洲卫生部已经针对引用水颁布了严格的标准。除此之外，法国、德国、意大利和荷兰等国家有更为严格的标准。

为了能满足这些标准要求， Watts进行了数值模型系统的研究。它们公司的“Dry”研发部门采用Autodesk Inventor进行实体建模，并且使用EFD.Lab进行仿真模拟，此外 “Wet”研发部门对于实际的物理模型进行了测试。Watts公司的工程师说： “在最初的十个月中采用了数值模型研究，在一天之内就可以建立1～2个模型，并且进行测试。由于这个方法非常可靠，我们现在几乎一直在使用。”

研发工程师主管Rene Aarntzen说： “我们以前的研发过程需要为所有的设计构建物理模型。通常构建一个物理模型就需要1～2个星期，之后的测试有需要几个星期。所以验证一个新的设计方案至少需要两个星期的时间。往往需要进行测试的方案有很多，但是由于时间的限制无法进行那么多的测试。

Aarntzen说： “EFD的出现加快了我们产品研发的步伐。首先，机械工程师发现EFD.Lab易于使用。此外，软件采用的是现有的CAD模型。事实上，软件包含了许多非常实用的功能。例如，在特定流量下的压力损失必须被维持在阀门和水不受污染的条件下。在EFD.Lab中可以观察压降变化和自动寻求平衡点。”

EFD软件也帮助用户从一个新的角度进行设计和研发。Aarntzen说：“我们的研发团队在流体流动现象方面具有40年的经验，我们知道产品中会出现何种现象，但是在我们使用EFD之前，我们不知道这种现象会造成什么结果。此外，我们在EFD中获得的结果与测试结果很好的吻合。这对于我们以后建立一个结果数据库非常有帮助。”

控制阀门内流动

许多汽车制造商在生产汽车空调系统的时，采用了二氧化碳而不是破坏臭氧的氢氟化碳。尽管二氧化碳被认为会造成温室效应，但是和氢氟化碳的危害相比不值一提。采用二氧化碳进行工作时，对于诸如用于制冷剂充注的阀门等系统元件而言，需要重新进行设计，从而能在比以往压力高7～10倍的条件下工作。

Ventrex Automotive GmbH的Graz 说：“以往在解决类似问题时，在获得正确设计方案之前往往需要构建50个物理阀门模型。由于我们公司使用CATIA软件，使用嵌入其中的EFD.V5软件之后，缩短了我们研发时间。”

研发工程师首先在CATIA软件中建立模型。之后直接在CATIA软件界面菜单中选择EFD.V5。EFD可以验证阀门是否存在流动问题。此外EFD软件自动生成的网格质量很高。工程师最后所要做的就是在CAD模型上施加相应的边界条件。在这个例子中，入口处的压力为59bar，而出口处的压力为1bar。

Ventrex的项目主管Peter Pfaffenwimmer说：“我们仅仅花费了几个小时的时间，就完成了我们最初设计方案的仿真模拟。我们直接在CATIA中观察仿真结果，在原始的CAD模型上生成温度云图。矢量云图显示了制冷剂在每一个点的速度、方向和流动状况，标量云图显示了速度和压力值。EFD软件帮助我们确定了流动急剧变化的区域。”

Pfaffenwimmer说：“之后我们就着重关注流动变化剧烈的区域，我们在压力降变化剧烈的地方进行倒角。最后方便的生成网格，并进行计算。我们可以直观的看到设计改变对压降和流量方面的影响，从而了解哪一些设计改变具有积极的意义。”

当然，事实也表明不是所有的倒角都能改善流动状况。EFD可以对局部区域的影响给出清晰的展示。所以我们对很多方案进行计算，并且对设计改动后影响进行判断，确定是否满足要求。

Pfaffenwimmer补充说：“由于CFD软件仿真耗时很长，在仿真结果获得之前可能某个设计已经被剔除了，所以在进行这些工作的时候采用CFD软件是不明智的。与此相反，EFD软件可以快速的对方案进行评估。帮助我们在给定压力下减少了压降，从而使流量提升了15％。此外，我们不再需要太多的物理模型，这又为我们节省了不少的开支。最为重要的是，我们使产品更快的进入市场。客户反映我们的阀门在实际中运行的性能和仿真模拟几乎一样。

不破坏环境的热交换

热交换器、压缩机和风机设计和制造商Bronswerk Heat Transfer BV 想要研发一种新型的空冷制冷器和风扇，并且要求它们要比同领域内产品具有更高的效率，同时还要考虑它们对环境的影响。这个制冷器可以用于石油、燃气和化学行业。风扇的直径尺寸的变化在2～10米，它们用于冷却非常大的热交换器。 设计的挑战在于如何满足ECB（Environmental Control Boards）严格的标准。ECB一个致力于健康、安全和环境等生活品质问题的政府组织。此外，设计的风扇还要抵御大风和由于建筑物遮挡所引起的空气流动。

由此整个研发团队求助于EFD.Pro。Bronswerk的高级工程师Guus Bertels说：“对于工程师而言，工程动力学软件比传统的计算流体动力学软件更易使用和强大。此外，EFD可以获得更多制冷器空气动力学方面的数据，这是我们采用物理测量和实验所无法得到的。”

这些新的设计要求研发团队完全了解其空气流动形式，并且将它们与以往的风扇进行比较。Bertels说：EFD.Pro使我们方便的对模型进行了数百个变动，从而将风扇和热交换器优化到最佳设计，并且在不降低质量品质的前提下降低了成本。

Bertels补充说：“事实上，EFD软件可以处理极度复杂的几何体，由于风扇很大，其截面积也很厚。风扇叶片的倾斜角度只有0.5毫米。在这么大的尺寸范围内进行仿真计算，对于仿真软件而言是一个很大的挑战。但EFD成功的进行了仿真计算。通过调整设计，我们最后获得了高性能的制冷器。传统的此类设备效率最高也就60％，但这个新型制冷器效率高达80％。因此，节约了不少能源消耗。即便拥有30年的流体流动方面的分析经验，但Beretls说如果没有EFD.Pro恐怕很难解决此类问题。”

仿真所得到的冷却器的相关空气动力学信息

仿真所得到的空气流动截面图

询问商家

如果你想购买CFD软件，请先询问你的商家以下几个问题：

1. 能否使用现有的几何模型？模型的转换过程是如何进行的？（通过使用你现有的模型来检验软件是否能达到商家的承诺）
2. 用户是否必须简化模型？用户如何使用软件进行简化？
3. 自动生成的网格质量如何？
4. 请商家对软件如何处理空穴流动区域给出演示。
5. 是否必须给问题设定层流或湍流？
6. 请商家演示如何进行 “What-if”方案。
7. 证明设计工程师也能使用软件。
8. 软件的价格——永久性或每年租用。

EFD七大关键技术

EFD与传统CFD采用的数学基础是一样的。但是EFD软件中具有七个重要的关键技术，它们有助于工程师解决所遇到的工程问题。

• 直接应用CAD模型

  传统 CFD 软件的前处理过程，首先是将结构CAD模型导入CFD软件的前处理系统，然后人为判断哪些是流体流动区域，哪些是实体区域，据此再进行辅助几何造型，通过布尔操作完成对实体区域的切割、删除等等工作，稍微规模大一点的模型整个准备工作将需要耗去不少的时间。而在布尔操作等几何操作失败的情况下，CAD 结构工程师将不得不对结构进行重新造型。纠其症结，主要的原因是CAD结构工程师与CFD分析工程师关注点不同。EFD软件的出现，为CFD分析工程师带来了巨大的方便，这得益于EFD与几大主流CAD软件的完全集成，使得EFD能够直接应用CAD模型，自动区分固体区域，自动区分固体之外的流体区域，自动判定内部流动和外部流动。

• 矩形的自适应网格

  网格划分是传统CFD软件分析中的人工耗时最多的一个关键工作，网格的质量与分析结果的准确性具有直接的关系，传统的CFD分析工程师都需要花费大量的时间去划分高质量的网格。而这一现状在EFD软件中将彻底改观，EFD的强大网格生成能力将CFD工程师从繁重的网格划分工作中解放出来，因为EFD能够自动进行固体和流体区域的网格划分，并且根据几何模型和/或求解自适应要求自动细化/粗化网格。完全支持人工网格控制。

• 修正的壁面函数

  近壁面边界层网格的划分一直是传统CFD软件中一项重要的内容，EFD软件对壁面的处理有自己独特的优点：应用部分单元技术，壁面处理与网格无关。物理上修正的流动与换热边界层模拟。

• 强大的层流-过渡-湍流模拟能力

  自动应用与网格无关的的修正壁面函数进行层流与湍流的模拟。自动判定层流区,过渡区,湍流区，无需指定流动特征。

• 自动收敛控制

  采用Cutting-edge数值方法和多重网格技术。健壮的收敛性，求解可靠。一次求解成功，无数值假扩散。

• 变量设计分析

  支持“What-If”分析的特征克隆技术，无需对模型进行任何进一步的定义。允许对产品设计进行变量模拟，可用于产品设计中最优变量的确定。完全支持产品配置(Product Configuration)概念。支持多CPU计算，支持批处理求解。

• 工程化的用户界面

  易于使用的用户界面。工程化的参数定义语言。基于特征的建模。动态可视后处理功能。带有工程数据库，可直接调用许多。工程材料等数据，包括风扇性能曲线等。MS Office后处理报表。使用风格同 CAD软件，易于学习。支持将结果文件导入主流EFA分析软件中。 关于如何在机械设计应用中使用工程流体动力学技术的更多信息，敬请联系上海坤道信息技术有限公司（原Flomerics公司），登陆我们的网站 www.simu-cad.com 。