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1、基于LBM的CFD软件 PowerFlow简介zz基于LBM的CFD软件 PowerFlow简介zz 2021年03月31日PowerFlow采用了与传统连续介质力学方法完全不同的LBMLattice Boltzmann Method方法，利用大型的硬件集群，可以对完整的CAD设计模型无需简化直接进行流体气动及噪声计算，并获得高度精确的结果。 PowerFlow产品自从开发成功以来，在短短5年时间里，已经被丰田、本田、群众、奥迪等几乎所有著名汽车厂商选用作为主要流体计算工具，其中丰田、尼桑等几个厂商拥有PowerFlow几千个使用权。PowerFlow为这些厂商根本替代了绝大局部价格昂贵的风洞
2、试验和散热、噪声试验，并且销售额每年在以40%的高速递增。 产品特点： - 高速的流体计算功能 做整车的CAD流体分析时间小于5天； 优化时间小于1天。 - 无需修整的CAD模型 考虑完全的外部特征、底盘特征和内部特征； 所有设计细节完全考虑在内。 - 准确的计算精度 与风洞试验曲线的完全吻合。 - 同一个模型可用于多学科的优化 例如汽车的流体动力学优化、气动噪声优化、散热分析优化。 - 可对研发流程进行优化 主要应用： - 汽车：气动阻力外形设计及优化、气动噪声和整车散热、发动机散热、除霜、刹车冷却； - 高速铁道机车：气动阻力外形设计及优化、气动噪声和整车散热、发动机散热、刹车冷却； -
3、建筑设计：虚拟风洞试验； - 船舶武器设计：水下武器阻力外形设计及优化、水动噪声计算。 注：PowerFlow软件所使用的LBM方法具有高度的精确性和方便性，但也受到一定局限性，目前可计算的速度小于0.5马赫数，基于更高马赫数的LBM方法正在研发中，近期将发布。另外LBM方法对硬件的资源要求较高。 空气动力学 PowerFLOW是一个模拟工具，它能为空气动力学优化提供一个真实的数字风洞PowerFLOW进行内外空气动力学模拟的独特优势已经使得Exa成为该领域的领先者。它能对非常复杂的模型进行精确的空气动力学模拟，在全球占有统治地位。 PowerFLOW的主要特点求解快速、完全的几何细节和瞬态分
4、析已经使得流体力学模拟成为一种真正可用于生产设计的工具，改变了空气动力学开发的方式。例如，在汽车制造业，从PowerFLOW模拟中获得的理解已经产生了重要的设计优化，提高了燃油经济性由于阻力系数低和稳定性由于升力系数低，同时也带来了其它方面的改善，例如提高了乘员的舒适性，降低了零件的本钱等。 处理真实的模型，使设计迭代更容易 模拟所使用的几何可以来自于CAD模型、造型概念工具或对真实物体的扫描，无需对几何进行简化或理想化。这大大减少了建立模拟模型所需要的时间。保存了所有的几何细节是它进行空气动力学研究的一个主要优势，因为小的几何细节常常会对汽车的空气动力学特性产生重要的影响。它通常只需要花费几
5、天就可以创立一辆轿车的空气动力学模型，包括完整的车底和发动机舱内的细节比创立一个同样的风洞模型所要求的时间要少得多并能大大节省费用。 像BMW摩托车那样复杂的几何处理，是获得精确的空气动力学模拟结果的关键。 另外，Exa的独特变形工具，PowerCLAY，允许您在原始模拟模型的根底上进行快速高质量的几何修改，因此允许通过实验设计和其它优化技术对设计空间进行彻底的调查研究，并确定汽车的优化形状。 Exa的PowerCLAY允许快速创立块，易于进行空气动力学设计优化。 大量的数据 PowerFLOW模拟的真实数据是众多数据分析方法中是最容易明白的，它允许您显示模型周围所有点的流动特点。这就能使您找
6、到空气动力学问题区，例如别离流区或者外表压力高的区域，可以看到车辆降低阻力和升力的完整图片。在实际的风洞中，由于试验数据采集的技术有限，这些信息大都不能得到。 PowerFLOW中可用的空气动力学分析技术包括： - 外表压力图象和外表流线显示，以区分出流动别离区，检查出不受欢送的高压或低压区。 - 通过各个量，例如总压的等值面获得详细的流动结构，或者流动区域内任意位置切面上的流动特性。 - 动画：PowerFLOW的模拟都是非定常的，而且可以通过许多强大的动画技术来表现流动现象的瞬态开展。 - 对车进行瞬态阻力和升力分析，包括各个单个部件对总力的奉献。Exa独特的阻力开展图显示了汽车的各个区域
7、沿着各个几何轴对阻力和升力的奉献。 Tatuus赛车的外部空气动力学模拟。合作工程使得PowerFLOW的数据更容易显示，使用PowerVIZ可以显示模型外表以及汽车尾流各个断面上的流态。该图片由Tatuus免费提供。 数字风洞 PowerFLOW包括一个全尺寸数字风洞这是进行空气动力学模拟的一个综合模板，可以显著减少模拟设置所需要的时间。用户只需要导入模型的所有几何部件，定义高精度求解区，设置边界条件，并定义测量区即可，然后准备开始模拟，包括全自动的网格生成过程。 在汽车开发过程的初期，在概念和设计选择期间，许多Exa的客户都已经完全使用PowerFLOW的数字风洞开发来代替传统缩比例模型的
8、风洞实验开发。 数字风洞也能进行完全的道路模拟，例如带有旋转车轮和移动地面的模拟(这是基于PowerFLOW开发的另一个优势，因为一般在缩比例风洞中不能进行这些开发)。 该数字过程的一个重要优势是能在开发的初期就使用具有所有细节的模型，包括发动机舱内和车身底部细节，进行各种模拟。在这种方式下，进行空气动力学开发的同时也考虑了冷却气流的要求而传统的开发过程是在确定了汽车的外形之后再单独考虑冷却气流的要求，这就使得修改困难而且费用高。 验证 PowerFLOW能够精确捕捉汽车真实的空气动力学特性，这已经被我们客户提供的各种真实案例以及各种科研案例所证实。这些实例大局部都进行了广泛的试验研究外表油流
9、显示、外表压力测量以及流场中的速度和压力测量，而且都与PowerFLOW的模拟结果进行了广泛的比照。客户可以向Exa客服中心索要这些案例比照的完整文档。 关于Exa技术、空气动力学方法和实例应用的论文，请点击这里。 气动声学 PowerFLOW是当今汽车工业用于气动声学模拟强而有力的CFD工具。我们的客户使用PowerFLOW模拟各种各样的气动声学现象，包括： - 风噪声：车身外表的流体力学和声压波动。 - 振动：由于天窗和侧窗翻开而产生的低频蜂鸣声。 主要优势 声学现象被定义为可压缩非定常问题，而只有PowerFLOW能够适用于这种应用：PowerFLOW基于格子-玻尔兹曼方法，本身就是可压
10、缩非定常的。这允许PowerFLOW捕捉所有与汽车气动声学相关的关键流动现象。事实上，PowerFLOW不仅能够捕捉流体力学和声压波动，而且能够捕捉这些影响之间的耦合，这使得PowerFLOW成为该领域的一个独特工具。 PowerFLOW模拟总是非定常，时间精确的，因此它可以在流动域内，自动捕捉产生气动声学现象的压力波动，这仅是PowerFLOW模拟的一局部。PowerFLOW中使用的时间步长通常都非常小，因此能够捕捉到10KHZ及其以上的频率。 后视镜上的风噪声研究，模型A(左)比模型B右的气动尾流大得多 空气动力学模拟/气动声学模拟能够快速识别出部件产生的风噪声区域 通过调整模型可以大大改
11、善乘员的舒适性 风噪声 风噪声问题一直是汽车客户满意度调查中抱怨最多的问题。随着现代汽车中其它噪声源，例如发动机噪声和滚动噪声的不断降低，风噪声问题的重要性愈加突出。 我们的客户可以使用PowerFLOW在车型开发初期探测到令人讨厌的风噪声声源，并改善它们。以前如果在风洞中进行这些实验将需要花费很长的时间。 使用PowerFLOW可以模拟的风噪声类型包括： - 汽车侧窗、挡风玻璃和车顶周围的中高频宽频带波动。这些波动是由几何细节导致的流动别离而产生的，这些几何细节例如后视镜、A柱和风挡雨刮器。PowerFLOW能够预测汽车外部的气动声学噪声源。通过与统计能量分析SEA工具相结合，也可以计算这些
12、不同频带的噪声源是如何传播到汽车内部的，并能识别和去除这些噪声源。 - 汽车车身底部区域中的低频波动。车身底部复杂的几何细节而造成的流动别离是产生乘员在中高速下受到的低频噪声的主要原因。PowerFLOW能够可靠地预测这些波动。这些波动可以作为结构分析工具中振动声学分析的输入，用于模拟噪声如何传播到车内。 - 啸声，嚎叫和咝咝声。这些不受欢送的噪声出现在频率谱中的顶点，它们是由汽车上小几何细节周围的周期性气流别离产生的，几何细节如：车顶行李架，风挡雨刮器或者格栅细节。可以使用PowerFLOW模拟产生的频率谱来清楚地识别这些声音。 对后视镜风噪声的研究续。模型A(左)是初始模拟；模型B右是调整
13、改良之后的模拟。 振动 由于天窗和侧窗翻开而产生的低频振动噪声是最令人苦恼的气动声学现象，出现在许多车的特定车速下。在天窗前缘或者侧窗开口处的周期性气流别离而导致的压力波动共振耦合后将会产生振动噪声。要用模拟工具捕捉这种现象，就必须要求流体力学和气动声学之间互相耦合这正是PowerFLOW的强项之一。 使用一个具有详细细节的天窗开口几何模型，利用PowerFLOW在不同车速下进行内部模拟，来确定振动行为的起始、峰值和偏移速度。典型的附加措施，例如不同形状和尺寸的扰流板，或者更不常见的措施，例如天窗的各种尺寸和位置等，都很难甚至不可能通过实验来研究，但是却能在PowerFLOW中快速进行测试。
14、验证 验证案例从简单的学术研究案例到带有所有几何细节的全尺寸汽车，这些验证实例允许我们全面验证PowerFLOW中的气动声学能力。所有客户都可以从Exa客服中心索取有大量文件证明的关于风噪声和振动的代表性例子。 关于Exa PowerFLOW或气动声学应用的更多信息，请点击这里。 热管理 Exa的PowerFLOW4.0版本现在能够为汽车行业和地面交通行业提供一个完全的热管理模拟能力。它能进行冷却气流模拟流过汽车冷却模块的气流分析空气侧和冷却侧热防护计算发动机舱和车身底部区域中空气和部件外表的温度。 PowerFLOW的热管理能力： - 扩展了温度范围：所有的热力学计算都被完全耦合到Power
15、FLOW中的动量计算中，例如密度和温度以与实际完全一致的方式被耦合。这就使得PowerFLOW能够处理汽车领域中的各种温度范围。 - PowerCOOL：使用PowerCOOL可以模拟热交换器的冷却侧，例如散热器或中冷器。PowerCOOL模拟能够与PowerFLOW模拟完全集成、紧密耦合。 - PowerTHERM处理辐射和传导。在一个完全集成、紧密耦合的方式下进行PowerTHERM模拟保证使用方便，精度高。 使用这些扩展功能，PowerFLOW能够查出并分析影响汽车热力学性能的关键流动情况格栅开口太小不能提供足够的冷却气流，冷却剂温度超过了工作极限或者部件的温度高于使用材料的允许值。一旦发现这些问题，立刻模拟补救措施用PowerCLAY创立一个更大的格栅开口，在PowerCASE中通过改变单个的位置参数将风扇移动到别的位置，或者增加或者移走一个隔热板，只需点击几下鼠标即可。 冷却气流 PowerFLOW进行冷却气流模拟的目标是确保有足够的气流流过冷却模块，保证
