Cadence 詮釋渦輪機(jī)械應(yīng)用先進(jìn)CFD 技術(shù)

5 月 ，以“匯聚全球目光，助力零碳排放”為主題的 2023 國(guó)際渦輪技術(shù)大會(huì)（TURBINETECH 2023）在上海成功舉行。大會(huì)秉持推動(dòng)航空及燃?xì)鉁u輪行業(yè)邁向更加高效清潔未來(lái)的愿景，專(zhuān)注未來(lái)航空及燃?xì)鉁u輪行業(yè)進(jìn)步的戰(zhàn)略目標(biāo)——領(lǐng)先的航空及燃?xì)鉁u輪動(dòng)力系統(tǒng)，持續(xù)推動(dòng)航空及燃?xì)鉁u輪行業(yè)去碳化發(fā)展。

本屆大會(huì)有超過(guò) 600 位杰出行業(yè)代表齊聚上海，與來(lái)自全球優(yōu)秀的航空和燃?xì)鉁u輪領(lǐng)域的從業(yè)者匯聚一堂，共同探討未來(lái)十年行業(yè)發(fā)展新未來(lái)。

演講時(shí)刻

在 2023 國(guó)際渦輪技術(shù)大會(huì)上，Cadence（楷登）產(chǎn)品群總監(jiān) Yannick Baux 發(fā)表了主題為《應(yīng)用于渦輪機(jī)械行業(yè)中的先進(jìn) CFD 技術(shù)》的精彩演講。他表示，Cadence Fidelity CFD（計(jì)算流體力學(xué)）是新一代高性能、高精度、多物理場(chǎng)仿真軟件平臺(tái)，適用于渦輪機(jī)械、航空航天、汽車(chē)、船舶等多個(gè)垂直領(lǐng)域。

Fidelity CFD 軟件引入了具有高階數(shù)值、尺度解析仿真和大規(guī)模硬件加速的下一代流求解器，可提高仿真性能并加快周轉(zhuǎn)時(shí)間，且不會(huì)降低精度。其渦輪機(jī)械解決方案涵蓋 U-RANSRANS 流量仿真、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、高保真度仿真、結(jié)構(gòu)分析、初步設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)優(yōu)化等多種方法。

統(tǒng)一用戶界面

Yannick Baux 介紹說(shuō)，Cadence Fidelity 軟件平臺(tái)中所有的工具都采用統(tǒng)一的用戶界面，使用 Python API 實(shí)現(xiàn)從葉片設(shè)計(jì)到網(wǎng)格劃分再到仿真和優(yōu)化的全流程方案，有助于提高生產(chǎn)力。高性能計(jì)算體現(xiàn)在 HPC 分布式網(wǎng)格劃分/求解、GPU 加速和 Cadence OnCloud 可擴(kuò)展仿真三個(gè)方面。求解器包括 RANS、DES、LES，實(shí)現(xiàn)從低速到高超聲速流動(dòng)仿真。

幾何清理和網(wǎng)格劃分，高效與質(zhì)量兼得

Yannick Baux 表示，F(xiàn)idelity CFD 軟件業(yè)界領(lǐng)先的幾何清理和幾何導(dǎo)入，支持 CAD、STL 等絕大多數(shù)文件格式，同時(shí)將 CAD 與葉輪機(jī)械拓?fù)?、幾何結(jié)構(gòu)與葉輪機(jī)械拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn) CAD 裝配零件樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的可視化；所有網(wǎng)格劃分和仿真參數(shù)都在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上設(shè)置，還可以用相同的設(shè)置實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)地快速替換。

實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的葉輪機(jī)械仿真

Yannick Baux 說(shuō)，F(xiàn)idelity CFD 顯著提高了所有垂直行業(yè)的流體動(dòng)力學(xué)性能和準(zhǔn)確性，可實(shí)現(xiàn)所有流型下的快速收斂。其壓力基求解器針對(duì)泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、螺旋槳、壓縮機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等；其密度基求解器擁有空間和時(shí)間上的二階精度；適用于大長(zhǎng)寬比的網(wǎng)格，強(qiáng)大AMG線性求解器可以對(duì)邊界條件和連接做完全隱式處理，并可在結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化算法之間切換，加速幾何多重網(wǎng)格收斂。

Fidelity CFD 在突破傳統(tǒng) CFD 求解器技術(shù)限制方面取得了重大技術(shù)創(chuàng)新，下一代高階流動(dòng)求解器具有先進(jìn)的流體湍流仿真，預(yù)測(cè)空氣動(dòng)力阻力的能力比傳統(tǒng) CFD 求解器高 10 倍。此外，高精度仿真的收斂時(shí)間可以從幾周縮短到一天以內(nèi)。

Fidelity CFD 的葉輪機(jī)械能力還體現(xiàn)在轉(zhuǎn)靜子交界面、葉輪機(jī)械初場(chǎng)給定方式、多物理場(chǎng)方面。

CadenceFidelity Oofelie 和 Fidelity Turbo 在流固耦合方面也有出色的表現(xiàn)。

設(shè)計(jì)優(yōu)化工作流程

基于 Concepts NREC 敏捷工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的葉輪機(jī)械初步設(shè)計(jì)，在多級(jí)軸向/徑向葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)與分析中融入了最先進(jìn)的損失模型、交互式流道改型、葉片設(shè)計(jì)、滿足特定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)幾何調(diào)整、快速評(píng)估偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)的性能曲線生成，以及最終三維幾何形狀的詳細(xì)設(shè)計(jì)。葉輪機(jī)械初步設(shè)計(jì)還可與三維 CFD 分析工具無(wú)縫集成。

Fine Design3D 是一個(gè)多學(xué)科葉輪機(jī)械穩(wěn)健設(shè)計(jì)優(yōu)化工具，其獨(dú)特的 CAE 環(huán)境優(yōu)化軟件融入了嵌入式設(shè)計(jì)系統(tǒng)、最先進(jìn)的優(yōu)化算法、敏感性分析、不確定性分析、多學(xué)科優(yōu)化和穩(wěn)健的設(shè)計(jì)優(yōu)化能力。

高保真度仿真的典型案例

自 Cascade Technologies 加入 Cadence 大家族以來(lái)，極大地?cái)U(kuò)展了高保真 CFD 仿真系統(tǒng)創(chuàng)新產(chǎn)品組合。Cascade Technologies 擁有高保真 CFD 完整軟件解決方案的技術(shù)專(zhuān)家，是多物理仿真 GPU 加速的領(lǐng)導(dǎo)者，擁有完全 GPU-resident 求解器，可大大縮短收斂時(shí)間，同時(shí)有助于提高所設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)的耐用性和性能。

Yannick Baux 介紹的幾個(gè)經(jīng)典案例包括：NASA 采用 charLES 的全通道仿真的附面層吸入式渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)案例研究（動(dòng)態(tài)失速）；針對(duì)進(jìn)場(chǎng)條件和低噪聲 OGV 的 NASA 風(fēng)扇 SDT 基準(zhǔn)的 GPU 加速仿真；針對(duì)高壓渦輪機(jī)葉片傳熱（VKI-expts）的轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)中的雷諾數(shù)敏感性；針對(duì)羅爾斯·羅伊斯衍生葉片的渦輪氣模冷卻預(yù)測(cè)（帶共軛傳熱）；NASA E3 燃燒室襯套傳熱預(yù)測(cè)等。

GPU 加速是高保真 CFD 的引爆點(diǎn)

Yannick Baux 最后強(qiáng)調(diào)，GPU 加速已成為高保真 CFD 的爆點(diǎn)，正在改變仿真軟件的創(chuàng)新模式。GPU 加速可以在相同 CPU 成本下實(shí)現(xiàn)其9倍的數(shù)據(jù)吞吐量；在與 CPU 數(shù)據(jù)吞吐量相同時(shí)，成本可降低 9 倍，能耗降低 17 倍。

他認(rèn)為，NVIDIA 成熟的 SDK 在支持這一轉(zhuǎn)變方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，對(duì)航空航天、汽車(chē)和許多其他行業(yè)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

NASA/GE 燃燒室襯套仿真以及渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)性能和噪聲仿真充分證明：GPU 大幅提高了高保真 CFD 的吞吐能力。