明天是2020年4月8日 星期三,迎接惠临本站 

ICFD

ICFD的近期与将来生长摘要

Facundo Del Pin, Iñaki Caldichoury, Rodrigo R. Paz and 黄千榕
Livermore Software Technology Corporation

摘要

        弗成紧缩流(ICFD)求解器自从在R7版中开端发行以后,在功能上持续的敏捷改进与增长。这篇文章供给了ICFD最新的生长摘要,并聚焦在三个主题­:起首是参加稳态解求解器与流耦合或共轭传热成绩耦合的才能;第二,关于在外形优化上结合ICFD与LS-OPT将有冗杂的简介,重要构思是应用LS‑OPT结合ANSA将外面网格变形并供给最好解;最后,还简单简介了一些以后的最新生长,例如沉溺接口、周期性界线条件、滑移界线等等,这些近期生长将会在将来LS-DYNA的发行中出现。


简介

        在之前几年中,多物理耦合分析的需求一向处于稳定的生长,因而很多贸易求解器在急于供给处理办法的同时,其僵硬的完成方法同样成了包袱。是以,一开端只为了纯真计算流体力学成绩所设计的法式榜样,必须面对将所得解与其他求解器,有时还能够是来自不合­发行商的求解器,相贯穿连接的挑衅,这常常会形成不算计算器之间的协同仿真过程异常费事,同时也增长了工程师停止耦算计算时的包袱。


        LS-DYNA中的ICFD模块一开端就被设计为一个可以供给精确性和具有可扩大性之流体力学计算的多物理求解器,同时,可以简单地与LS-DYNA其他物理模块整合起来。ICFD持续的生长重心放在了与新模块整合、耦合算法的改进、计算效力的促进、和推敲到非计算流体力学或固体力学背景的应用者,其耦算计算时,步调也异常简单。


        在这篇文章中,将会展示一些在耦分解绩完成上的最新停顿,特别是应用稳态解的优势将会被商量,在一些成绩中若是可以将精确性保持在公道范围,应用稳态纳维‑斯托克斯解或是稳态位势流解将可以大年夜幅度的增添快速成型的本钱。LS‑DYNA所具有将稳态计算流体力学的解流畅地转移至构造力学计算的才能,可以大年夜大年夜增添处理非线性成绩的本钱和复杂性,类似的概念可以被应用在共轭传热分析傍边。第二部分将会展示结合LS‑OPT、ANSA、LS‑DYNA来处理一个简单却有价值的车辆外形优化成绩,用来改良下压力和阻力的比率值。这篇文章的最后提到若干将会涌如今将来发行中的新的功能,包含周期性界线条件、滑移网格、和沉溺界线的开辟。

稳态解与多物理耦合
        在耦分解绩中,最大年夜的复杂度之一长短线性效应,常常形成可扩大性增添和计算本钱的增长。非线性耦合具有高度复杂性,须要在深度懂得眼前的物理性质以后才能精确的将成绩建模。然则,在某些类型的成绩中或是产品设计过程的某些阶段,线性化供给了推敲到精确性、计算时间、和模型复杂度之下一个优胜的让步。幸而LS-DYNA皆具有非线性与线性的分析对象,在这一节中,我们将侧重在一个可以被应用在流固耦合分析或共轭传热分析的线性化之耦合办法,它产生在当流体力学的求解器计算得出稳态下的力、速度和温度通量分布以后,在同一个运转中,将物理量场流畅地传递到构造力学求解器的部分。并且,若应用关键词*ICFD_DATABASE_DRAG,用户可以将流场信息存储在LS-DYNA格局的档案中,并且在构造模型中应用这个档案将流场信息导入,如此一来在不消实际额外履行流体的计算之下,流场的信息可以被反复应用,这个特点在停止构造模型、材料特点、厚度等参数调试时,异常有应用价值。下面两个例子显示将上述功能应用在流固耦合和共轭热传成绩的情况。

流固耦合在空中车辆上的应用

第一个例子是空中车辆车顶盖在流场影响下变形的流固耦合分析,其模型显示如图一。



图一:研究车顶盖构造受流场影响下变形的车辆模型。

        这个成绩应用了三种不合的办法处理。第一个办法应用非线性瞬时流固耦合分析,个中固体构造与流体求解器应用强耦合贯穿连接,并且以隐式法求解,这个办法是三种办法中最精确的耦合方法,其解应被视为是参考解。第二个办法先应用稳态位势流求解器,随后应用位势流求得的压力场,求取非线性构造解。应用位势流求解器隐含着流场切近界线和流场为层流的假定,然则现实上,在这个成绩中流场并不是层流,然则还是贴合界线的,所以所得出的压力场可以预期和纳维‑斯托克斯解的差别仍在公道范围当中,是以可以接着被应用在构造位移的猜想中。第三个方轨则将非线性耦合分析求得的构造受力,以构造模型中的负载段存取到LS-DYNA的输入文件。是以只需将这个文件包包含在固体构造的输入文件中,应用者可以应用之前耗时的非线性分析所得出的力场,仅运转构造分析,这不只加快了计算速度,并且可让工程师轻松地改变并测试他们的设计,直到模型预备好停止下一次新的非线性分析。图二中显示了应用位势流和纳维‑斯托克斯求解器的速度场比较。


图二:位流和纳维‑斯托克斯的速度场比较。

        车辆的顶盖是我们感兴趣的区域,图三显示了应用上述三种办法所取得的成果,可以不雅察到三个办法都得出了异常类似的位移场,须要指出的是,固然第三种简化办法的精确度相对较差,但其所需的运转时间很少,用户可以在对其详细成绩的精确度要求和计算时间之间停止衡量以后,选择一种合适的耦合方法。



图三:同分析办法的构造位移分布和所需计算时间。

冷却成绩分析
第二个例子是一个共轭传热成绩,流体被用来冷却冲压模仿中的模具。模型的设置如图四所示。



图四:冷却仿真所应用的模型。

        在冷却成绩中,在模具的管路中活动的流体具有比模具更低的温度,当流体流经管路时,它被渐渐地加热,同时冷却模具。由于没有热源,流体和模具终究会达到雷同温度,即为流体流入的温度。流体的流速在保持管路中恰当的温度分布上扮演了一个重要的角色,图五显示应用纳维‑斯托克斯方程和比特流解出的速度分布比较,最大年夜的差别产生在角落和流场中剥离/再轮回的区域。



图五:应用纳维­­‑斯托克斯方程和比特流解出的速度分布比较。

        图六显示了应用纳维‑斯托克斯和位势流求解器得出的温度分布比较,可以看出二者符合程度异常高。



六:应用纳维­­‑斯托克斯和位流求解器解出的稳态温度分布比较。


应用LS-OPT停止外形优化

        与ICFD相干的近期成果之一是应用LS-OPT和网格组件ANSA(BETA-CAE发行)停止外形优化。其构思是修改初始几何外形来优化一个泛函。举例来讲,在空中车辆空气动力分析中,车辆的几何外形被调剂,直到下压力与阻力的比率达到最大年夜值。在图七中显示了一台普通车辆的初始几何外型,其优化处理将会侧重在车辆的尾部。



图七:在优化轮回中应用的初始几何外形。

        其想法主意是应用ANSA中的变形功能,并应用LS-OPT取得的一些参数来改变几何外形,图八中展示ANSA中的变形框和在LS-OPT的优化轮回中修改的参数。



图八:变形框和参数。

        个中一个应用LS-DYNA来做优化处理的优势在于体网格是在其运转时才被建立,所以只须要将车辆外面停止变形便可,大年夜大年夜的简化了优化的法式榜样。将体网格变形是一个费时和较弗成靠的做法,特别是当界线层网格被应用时。终究得出的猜想与最好成果如图九所示。


图九:LS-OPT的猜想和最好成果。

新开辟

        在这一节中,将扼要地简介今朝最新开辟的一些功能,这些功能今朝还不是LS-DYNA发行版的一部分,不过测试版本估计会在本年释出。

周期性界线条件
        周期性界线条件常被应用在数值模仿办法上,可以藉由只仿真一小部分的区域来表示大年夜型区域的仿真成果,这类界线条件被大年夜量地应用在改变体系中,例如涡轮机械。在完成上应用了线性束缚来确保流场在周期性界线条件上的持续性和守恒性。图十为一个周期性界线成绩的设置典范。


图十:周期性界线条件的成绩设置,值得留意的是,周期性界线条件上的网格不须如果婚配的。

滑移网格
        滑移网格是一个可以在不须要网格重划的情况下仿真瞬时改变体系的技巧。当滑移网格被应用时,平日仿真区域会被分开成至少两部分的体网格:一个网格含有改变的部件,其他网格则是包含剩下的区域,而在这两种体网格间的界面等于滑移网格。一切的区域将同时求解,并应用线性束缚来链接滑移网格。 图十一显示滑移网格的一个应用典范。



图十一:滑移网格应用典范,黑线的范围表示改变和其他区域间的接口。

沉溺界面
        沉溺接口法应用了不贴合界线的网格,简化了复杂界线外形的前处理过程。其目标在于根据在模型中不合部分的流场性质,结合应用沉溺接口和贴合界线的网格。这个新方法根据的是非持续无限元近似,可处理尖利接口且许可构造相互接触。图十二显示的是凸轮泵成绩,由于凸轮彼此相互接触,若应用典范的网格重构办法是异常具有难度的,这是一个应用沉溺接口法的典典范子。


图十二:此图显示的是凸轮泵的几何外形,左边缩小年夜图中显示了部件相互接触处和此处网格,右边为求出的速度场图。

作者简介

        Facundo Del Pin, 博士卒业于加州伯克利大年夜学,2008 年参加后,重要从事CFD功能的开辟和研究。


        Iñaki Çaldichoury,硕士卒业于法国国度航空和航天研究所,专业为空气动力学和飞翔力学。2011年参加LSTC后,重要从事LS-980中的新功能模块的靠得住性测试和技巧支撑任务。

        Rodrigo R Paz 博士卒业于阿根廷利托拉尔国立大年夜学,其专业为计算流体力学和平交运算, 于2013年参加LSTC以后,重要从事ICFD和流固耦算计算功能的开辟。

        黄千榕 博士卒业于加州大年夜学洛杉矶分校,专业为计算流体力学和流固耦合,2017年参加LSTC以后,重要从事LS-DYNA在生医成绩上的应用与验证和技巧支撑任务。
[向上]