ANSYS Fluent 2022R1新功能 | 前处理、求解器和后处理性能改善!
王鑫鑫
沈阳安世亚太
ANSYS Fluent 2022 R1版本在前处理、求解器和后处理方面的性能都有很多改善，使流场仿真功能更全面、流程更高效。本文将从这三个方面，介绍新版本软件的主要功能更新。
前处理性能提升
1）复杂模型处理性能
现在，使用Fluent计算的模型越来越大、越来越复杂，很多时候一个计算模型中会包含大量的域，软件的处理性能也随之降低。2022 R1版本软件，针对含有大量计算域的问题，在各种命令执行、图形显示以及读写方面都有了全面的改进。
如表1，显示了用户界面下不同命令性能的改善，尤其对于含有10000个以上计算域或边界的问题，例如锂电池Pack，速度可提升5-6倍。
2）替换部件划分网格
在Fluent Meshing容错几何网格（FTM）流程中，增加了部件替换选项，可以增加、移除或替换模型中的几何对象，而不需要对整个模型都进行网格重划分，使设计变更迭代更加高效，功能支持所有类型的网格，能够在面网格和体网格两个级别实现部件的替换。例如汽车外气动计算时，可以替换后视镜、扰流板等部件，考察新设计方案对流场的影响。
图2. 替换部件网格
3）边界层连接
FTM流程中的添加边界层任务，增加了边界层后处理方法，当相邻的计算域之间边界层分辨率不同时，可以选择Continuous，即使用非一致连接，避免使用默认的Stair-Stepping产生台阶过渡，改善边界层区域厚度的一致性。
图3.不同边界层方法对比
4）表达式功能增强
之前版本的表达式，已经能够使用Reduction Function例如平均、通量，获取进、出口、壁面等边界上的数据，新版本将该功能进行了扩展，可以使用这些函数获取自定义面上的数据；如果模型中包含多孔介质域，可以考虑其对力的贡献。
图4. 自定义平面和多孔介质用于表达式
求解器功能改进
1）多GPU求解器
2022 R1版本的Fluent，推出了一个全新的多GPU求解器，尽管还是Beta功能，有一定的应用局限，但是测试结果显示出了惊人的结果。如图5所示的汽车外气动模拟，采用1.05亿网格，单精度+GEKO模型，在一个A100 80G显卡上运行，每2s可迭代一次，从初始化到收敛仅用了20分钟。一个NVIDIA A100 GPU的计算性能相当于640个AMD Milan核，ANSYS一些内部测试显示，GPU服务器与同等的HPC集群相比，功耗降低了4倍，硬件成本降低了7倍。
图5. GPU求解器加速比
2）专用的航空气动模拟界面
Fluent引入了一个新的气动界面，专门用于航空外气动模拟，完整的实现从网格导入到结果后处理整个流程，并整合了最新的求解器和收敛增强功能，适用于亚音速到高超音速流动，也可以在界面内实现飞行条件参数化计算。
图6. Fluent Aero Workspace
3）气动噪声
ANSYS Sound是一款后处理工具，可以通过声音质量标准和听觉测试对声音进行分析和优化。Fluent 2021版本即增加了与ANSYS Sound的接口，2022 R1版本将该功能进行了扩展，增加了一个“ Ansys SoundAnalysis”对话窗口，可以使用来自某个位置的声压信号，并应用一个传递函数来模拟给定位置的声音，如果有多个声源，例如风噪、HVAC噪声和电机噪声，还可以分析在接收器位置这些声源的合成效果。
可以使用单一部件的噪声，如HVAC来预测舱内噪声，这样就可以在不建立舱内模型的情况下评估HVAC设计对噪声的影响。
图7. Ansys Sound Analysis界面
4）PCB Model
Fluent 2022 R1增加了一个非常好的工作流程“PCBModel”，可以将Icepak的设置导入到Fluent中进行更高级的热分析。
如果模型包含更复杂的几何、需要使用Fluent Meshing创建网格或者需要考虑冷凝等物理现象，而Icepak并不能满足需求时，就可以使用Fluent读入Icepack的文件和信息，包括ECAD的Trace、层、金属百分比来计算PCB的各向异性导热系数，Fluent会自动创建施加于PCB的固体材料，也可以读入功率map分布。
图8. Fluent PCB模型的应用
5）锂电池仿真功能
在锂电池仿真方面，第一个更新的功能是增加了新的基于物理的电池寿命模型，使用电化学原理而不是之前的经验模型来预测电池容量衰减，能够捕捉固体-电解质界面（SEI）层生长和析锂。
图9. 锂电池寿命模型曲线
Fluent在模拟单个锂电池模组和冷却结构方面已有了很高效的流程，在此基础上，增加了电池Pack生成工具（Pack Builder），可以使用已有的水冷板和复制/粘贴电池模组，简化Pack模型的组装和设置，通过Pack模拟获得模组与模组之间的差异。
图10. 锂电池Pack生成工具
利用Ansys TwinBuilder的LTI和SVD ROM，可以在秒级得到3D瞬态热结果，提高电池循环工况仿真的效率。之前版本的Fluent需要利用ACT、UDF和脚本为ROM提供训练数据，2022 R1版本设置了LTI和SVD ROM工具可自动生成训练数据，极大减少人工生成训练数据的时间，
图11. 锂电池ROM工具
6）间隙模型
当使用动网格、Overset网格或者滑移网格模拟阀类、泵类的开闭问题时，会涉及到小间隙处流场的处理，此时可以使用间隙模型（Gap Model）。Fluent 2021R1将间隙处的流动完全阻塞，而2022R1版本，增加了一种新的使用人工粘度的方法，这种方法的好处是不需要进行域分割，网格拓扑不变，因此计算稳定性更好，尤其是对于旋转运动如齿轮泵、容积泵等。
图12. 间隙模型的应用
7）湍流优化器
Fluent 2022R1版本，可以使用伴随求解器来训练湍流模型，尤其是GEKO模型，能够获得类似于高保真度的尺度解析模拟结果，而不必花费很高的计算成本。
这种方法是利用梯度优化器，但不是优化几何而是优化GEKO湍流模型的系数，软件运用机器学习技术并为湍流模型系数构建神经网络，可以在以后的模拟中使用来获得类似于尺度解析模型的结果。
工作流程分为两步，第一步是训练，优化湍流系数来匹配高保真或者试验数据，优化目标可以是标量数据如阻力系数，也可以是场数据，如从SBES仿真结果获取的时间平均速度等，然后来设计神经网络，归纳优化的GEKO系数与流场特征之间的关系；第二步是运用，将设计好的神经网络整合到其他类似的模拟中。
图13. 湍流优化器的应用
后处理功能提升
后处理方面，增加了视角同步功能，可以从相同视角查看多个视图，用于视觉对比；增加了一些新的渲染材料，改善了模型渲染的灵活性；可以输出流线动画等。
2022 R1版本的Fluent，增加了一个新的后处理分析工作界面作为Beta功能，使用Ensight后台，图形界面仍保持Fluent图形对象模式，提供了瞬态结果后处理功能和案例对比功能，能够按步执行瞬态结果文件并创建动画，可以加载多个数据集并对比结果。
图14. 后处理：视图对比和后处理界面
总结
除了上述功能之外，ANSYS Fluent 2022 R1在旋转机械仿真流程、燃烧、多相流模型等方面也有重要的改进，本文不再一一详述，这些功能改进无疑带来了更全面的性能、更高效的仿真流程和更强的可靠性。
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