SmartCells – 实现快速精确的 CFD

跳跃的开发板

本白皮书以计算流体动力学 (CFD) 仿真软件为背景介绍 SmartCells™ 概念。SmartCells 存在于 FloEFD™ 中，该软件是 Mentor Graphics 提供的以设计为中心的通用 CFD 软件，已嵌入所有主要 CAD 软件包中（参考文献 1）。本文将阐明 SmartCells 的概念，其与 CFD 行业采用的其他网格划分方法的不同之处，以及其对CFD 用户的好处：

■ SmartCells 是笛卡尔网格，大小通常仅为传统 CFD 网格的十分之一，但能提供相同水平的流场分辨率，并达到高水平的仿真精度。

■ 其运用数值方法和 FloEFD 中嵌入的工程模型，几何形状网格划分所需的手动操作时间一般要比使用传统 CFD 工具的用户少一个数量级，消除了影响 CFD 用户生产率的这一历史瓶颈。

■ 其内置人工智能，并且包含了数十年使用工程模型数据的工业 CFD 仿真经验，故从根本上支持自动网格生成。

■ SmartCells 不仅满足了在所有流体流动过程中提供湍流边界层仿真精度这一普遍需求，而且能处理复杂的几何形状，其一个网格 SmartCells 中可能有许多流体-实体控制体区。

■ 相关内置前处理可使设计工程师和 CFD 分析工作流程效率提高 2 倍到 10 倍，并且可提升用户在 FloEFD中的使用体验。

概述计算流体动力学是一个非常成熟的计算机辅助工程仿真软件行业，拥有 40 余年的商用历史，其目前的全球年收入超过 10 亿美元（参考文献 2）。全球各地开展的绝大部分 CFD 仿真（超过 90%）是基于有限体积(FV) 法，该方法主要采用鲁棒且计算效率高的雷诺平均纳维-斯托克斯方程 (RANS) 模型（参考文献 2）。CFD 基于广为接受的数值方法来求解控制流体流动、传热和传质的基本纳维-斯托克斯方程（参考文献 3）。但是，传统 CFD 行业的技术源动力不外乎是已有三四十年之久的数值和工程技术与分析方法的结合（参考文献 4）。实际上，全球目前开展的绝大部分 CFD 是基于久经考验的 k-ε 湍流模型的变体，该模型是这个行业公认的“老黄牛”，已有 40 余年的历史（参考文献 5）。

初次使用传统 CFD 仿真工具时，用户会发现该工具非常难用，因为用户必须掌握极为复杂的前处理（几何形状和网格生成）方法，而且由于其固有的数学本质，代码本身常常要求用户对底层的物理和数值算法有深刻了解。CFD 预测的质量总是与所运用的前处理方法存在着莫大的关系。通过将更现代化的新分析方法应用于数值 CFD 任务来解析描述流体流动、传热和传质的现象，可以降低高精度近壁网格构建对用户技能的要求，并减少此任务所需的手动操作时间。由于实现了更现代化的工程数据方法，在 CFD 仿真中使用我们所说的 SmartCells 可以对指定应用使用更粗的网格来捕捉解析的物理现象（如湍流旋涡、薄通道等）（参考文献 1）。因此，与基于精细解析边界层的传统 CFD 网格方法相比，利用 SmartCells 方法可减少 CFD 仿真的网格数。它还支持网格划分过程完全自动执行，对使用它的工程师或 CFD 分析师的数值技能或时间要求非常低。

过去 20 年来，CFD 的 SmartCells 方法已成功运用于广泛的工业基准研究和应用，并已成为汽车、航空航天和其他行业的 OEM 厂商和一级供应商的常用工具。说到底，相比于传统 CFD 方法，我们必须看到数值和工程技术的协同作用带来的优势。制造设计周期速度不断加快，并且考虑到所有工程师都会使用无处不在的产品生命周期管理 (PLM) 软件来改善其设计，所以工程师也需要 CFD 仿真以更快的速度产生结果，同时在精度上不能有损失（参考文献 6）。

本白皮书所述的方法让关键网格划分任务实现自动化，这使得无论专家还是非专家，都可以在设计过程中使用 CFD；即使网格比典型 CFD 网格要粗，最终结果的精度也无损失。SmartCells 方法的适用性将通过对 ASMO 通用汽车模型的外流空气动力学特性仿真来说明（参考文献 7）。SmartCells 降低了运用和部署CFD 的数值技能要求，适合希望在工作中简单了解 CFD 使用的工程师。它非常稳健耐用，CFD 分析师和设计人员均可利用；在产品制造工作流程中，用户可以“前端装载”其 CFD 仿真（参考文献 8），从而以最少的时间成本获得最高的仿真效率。

SMARTCELLS 的数值基础

要了解 SmartCells，必须先了解传统有限体积 CFD 仿真代码常用的其他网格划分类型。除 SmartCells 外，网格划分类型通常包括非结构三角形、结构三角形、结构曲线和浸入边界笛卡尔网格（参见表 1 - 参考文献 6）。表 1 显示了 CFD 仿真精度 ||LTE||L1 的数学表达，其与所用的 CFD 网格划分方法有关（LTE 数值越小，CFD 预测越精确）。该表清楚说明，相对于切割网格笛卡尔网格和 SmartCells 网格，要弥补非结构三角形、结构三角形和结构曲线网格的精度问题，传统 CFD 代码要求向仿真中添加越来越多的网格。这显然会增加存储器和 CPU 两方面的开销。

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