ICFD
ICFD的近期與未來發(fā)展摘要
Facundo Del Pin, I?aki Caldichoury, Rodrigo R. Paz and 黃千榕Livermore Software Technology Corporation
摘要不可壓縮流(ICFD)求解器自從在R7版中開始發(fā)行之后，在功能上持續(xù)的迅速改進(jìn)與增加。這篇文章提供了ICFD新的發(fā)展摘要，并聚焦在三個(gè)主題-：首先是加入穩(wěn)態(tài)解求解器與流固耦合或共軛傳熱問題耦合的能力；第二，對(duì)于在形狀優(yōu)化上結(jié)合ICFD與LS-OPT將有簡(jiǎn)短的介紹，主要構(gòu)想是利用LS?OPT結(jié)合ANSA將表面網(wǎng)格變形并提供優(yōu)化的解；最后，還簡(jiǎn)單介紹了一些當(dāng)前的新發(fā)展，例如沉浸接口、周期性邊界條件、滑移邊界等等，這些近期發(fā)展將會(huì)在未來LS-DYNA的發(fā)行中出現(xiàn)。
簡(jiǎn)介在過去幾年中，多物理耦合分析的需求一直處于穩(wěn)定的成長(zhǎng)，于是許多商業(yè)求解器在急于提供解決方法的同時(shí)，其僵硬的實(shí)現(xiàn)方式也成為了負(fù)擔(dān)。因此，一開始只為了單純計(jì)算流體力學(xué)問題所設(shè)計(jì)的程序，須面對(duì)將所得解與其他求解器，有時(shí)還可能是來自不同-發(fā)行商的求解器，相連結(jié)的挑戰(zhàn)，這往往會(huì)造成不同計(jì)算器之間的協(xié)同仿真過程非常麻煩，同時(shí)也增加了工程師進(jìn)行耦合計(jì)算時(shí)的負(fù)擔(dān)。
LS-DYNA中的ICFD模塊一開始就被設(shè)計(jì)為一個(gè)可以提供準(zhǔn)確性以及具有可擴(kuò)展性之流體力學(xué)計(jì)算的多物理求解器，同時(shí)，可以簡(jiǎn)單地與LS-DYNA其他物理模塊整合起來。ICFD持續(xù)的發(fā)展重心放在了與新模塊整合、耦合算法的改良、計(jì)算效率的增進(jìn)、以及考慮到非計(jì)算流體力學(xué)或固體力學(xué)背景的使用者，其耦合計(jì)算時(shí)，步驟也非常簡(jiǎn)單。
在這篇文章中，將會(huì)展示一些在耦合問題實(shí)現(xiàn)上的新進(jìn)展，尤其是使用穩(wěn)態(tài)解的優(yōu)勢(shì)將會(huì)被探討，在一些問題中若是可以將準(zhǔn)確性維持在合理范圍，使用穩(wěn)態(tài)納維?斯托克斯解或是穩(wěn)態(tài)位勢(shì)流解將可以大幅度的減少快速成型的成本。LS?DYNA所具有將穩(wěn)態(tài)計(jì)算流體力學(xué)的解流暢地轉(zhuǎn)移至結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算的能力，可以大大減少解決非線性問題的成本以及復(fù)雜性，類似的概念可以被應(yīng)用在共軛傳熱分析當(dāng)中。第二部分將會(huì)展示結(jié)合LS?OPT、ANSA、LS?DYNA來解決一個(gè)簡(jiǎn)單卻有價(jià)值的車輛形狀優(yōu)化問題，用來改善下壓力以及阻力的比率值。這篇文章的最后提到若干將會(huì)出現(xiàn)在未來發(fā)行中的新的功能，包含周期性邊界條件、滑移網(wǎng)格、以及沉浸邊界的開發(fā)。
穩(wěn)態(tài)解與多物理耦合在耦合問題中，最大的復(fù)雜度之一是非線性效應(yīng)，往往造成可擴(kuò)展性減少以及計(jì)算成本的增加。非線性耦合具有高度復(fù)雜性，需要在深度了解背后的物理性質(zhì)之后才能正確的將問題建模。但是，在某些類型的問題中或是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的某些階段，線性化提供了考慮到準(zhǔn)確性、計(jì)算時(shí)間、以及模型復(fù)雜度之下一個(gè)良好的妥協(xié)。幸而LS-DYNA皆具有非線性與線性的分析工具，在這一節(jié)中，我們將著重在一個(gè)可以被應(yīng)用在流固耦合分析或共軛傳熱分析的線性化之耦合方法，它發(fā)生在當(dāng)流體力學(xué)的求解器計(jì)算得出穩(wěn)態(tài)下的力、速度和溫度通量分布之后，在同一個(gè)運(yùn)行中，將物理量場(chǎng)流暢地傳遞到結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器的部分。并且，若使用關(guān)鍵詞*ICFD_DATABASE_DRAG，用戶可以將流場(chǎng)信息存儲(chǔ)在LS-DYNA格式的檔案中，并且在結(jié)構(gòu)模型中利用這個(gè)檔案將流場(chǎng)信息導(dǎo)入，如此一來在不用實(shí)際額外執(zhí)行流體的計(jì)算之下，流場(chǎng)的信息可以被反復(fù)使用，這個(gè)特點(diǎn)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型、材料特性、厚度等參數(shù)調(diào)試時(shí)，非常有利用價(jià)值。下面兩個(gè)例子顯示將上述功能應(yīng)用在流固耦合以及共軛熱傳問題的情形。
流固耦合在地面車輛上的應(yīng)用
第一個(gè)例子是地面車輛車頂蓋在流場(chǎng)影響下變形的流固耦合分析，其模型顯示如圖一。
圖一：研究車頂蓋結(jié)構(gòu)受流場(chǎng)影響下變形的車輛模型。
這個(gè)問題利用了三種不同的方法解決。第一個(gè)方法利用非線性瞬時(shí)流固耦合分析，其中固體結(jié)構(gòu)與流體求解器利用強(qiáng)耦合連結(jié)，并且以隱式法求解，這個(gè)方法是三種方法中比較準(zhǔn)確的耦合方式，其解應(yīng)被視為是參考解。第二個(gè)方法先使用穩(wěn)態(tài)位勢(shì)流求解器，隨后利用位勢(shì)流求得的壓力場(chǎng)，求取非線性結(jié)構(gòu)解。使用位勢(shì)流求解器隱含著流場(chǎng)貼近邊界和流場(chǎng)為層流的假設(shè)，但是事實(shí)上，在這個(gè)問題中流場(chǎng)并非層流，但是仍是貼合邊界的，所以所得出的壓力場(chǎng)可以預(yù)期和納維?斯托克斯解的差別仍在合理范圍之中，因此可以接著被使用在結(jié)構(gòu)位移的預(yù)測(cè)中。第三個(gè)方法則將非線性耦合分析求得的結(jié)構(gòu)受力，以結(jié)構(gòu)模型中的負(fù)載段存取到LS-DYNA的輸入文件。因此只要將這個(gè)文件包包含在固體結(jié)構(gòu)的輸入文件中，使用者可以運(yùn)用之前耗時(shí)的非線性分析所得出的力場(chǎng)，僅運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析，這不但加快了計(jì)算速度，并且可以讓工程師輕松地改變并測(cè)試他們的設(shè)計(jì)，直到模型準(zhǔn)備好進(jìn)行下一次新的非線性分析。圖二中顯示了使用位勢(shì)流以及納維?斯托克斯求解器的速度場(chǎng)比較。
圖二：位流以及納維?斯托克斯的速度場(chǎng)比較。
車輛的頂蓋是我們感興趣的區(qū)域，圖三顯示了利用上述三種方法所得到的結(jié)果，可以觀察到三個(gè)方法都得出了非常相似的位移場(chǎng)，需要指出的是，雖然第三種簡(jiǎn)化方法的準(zhǔn)確度相對(duì)較差，但其所需的運(yùn)行時(shí)間很少，用戶可以在對(duì)其具體問題的準(zhǔn)確度要求和計(jì)算時(shí)間之間進(jìn)行權(quán)衡之后，選擇一種合適的耦合方式。
圖三：同分析方法的結(jié)構(gòu)位移分布以及所需計(jì)算時(shí)間。
冷卻問題分析
第二個(gè)例子是一個(gè)共軛傳熱問題，流體被用來冷卻沖壓模擬中的模具。模型的設(shè)置如圖四所示。
圖四：冷卻仿真所使用的模型。
在冷卻問題中，在模具的管路中流動(dòng)的流體具有比模具更低的溫度，當(dāng)流體流經(jīng)管路時(shí)，它被慢慢地加熱，同時(shí)冷卻模具。因?yàn)闆]有熱源，流體和模具最終會(huì)達(dá)到相同溫度，即為流體流入的溫度。流體的流速在維持管路中適當(dāng)?shù)臏囟确植忌习缪萘艘粋€(gè)重要的角色，圖五顯示利用納維?斯托克斯方程以及比特流解出的速度分布比較，最大的差異發(fā)生在角落以及流場(chǎng)中剝離/再循環(huán)的區(qū)域。
圖五：利用納維--?斯托克斯方程以及比特流解出的速度分布比較。
圖六顯示了利用納維?斯托克斯以及位勢(shì)流求解器得出的溫度分布比較，可以看出兩者符合程度非常高。
圖六：利用納維--?斯托克斯以及位流求解器解出的穩(wěn)態(tài)溫度分布比較。
使用LS-OPT進(jìn)行形狀優(yōu)化
與ICFD相關(guān)的近期成果之一是使用LS-OPT以及網(wǎng)格組件ANSA(BETA-CAE發(fā)行)進(jìn)行形狀優(yōu)化。其構(gòu)想是修改初始幾何形狀來優(yōu)化一個(gè)泛函。舉例來說，在地面車輛空氣動(dòng)力分析中，車輛的幾何形狀被調(diào)整，直到下壓力與阻力的比率達(dá)到最大值。在圖七中顯示了一臺(tái)一般車輛的初始幾何外型，其優(yōu)化處理將會(huì)著重在車輛的尾部。
圖七：在優(yōu)化循環(huán)中使用的初始幾何形狀。
其想法是利用ANSA中的變形功能，并利用LS-OPT得到的一些參數(shù)來改變幾何形狀，圖八中展示ANSA中的變形框以及在LS-OPT的優(yōu)化循環(huán)中修改的參數(shù)。
圖八：變形框以及參數(shù)。
其中一個(gè)使用LS-DYNA來做優(yōu)化處理的優(yōu)勢(shì)在于體網(wǎng)格是在其運(yùn)行時(shí)才被建立，所以只需要將車輛表面進(jìn)行變形即可，大大的簡(jiǎn)化了優(yōu)化的程序。將體網(wǎng)格變形是一個(gè)費(fèi)時(shí)以及較不可靠的做法，尤其是當(dāng)邊界層網(wǎng)格被使用時(shí)。最終得出的預(yù)測(cè)與結(jié)果如圖九所示。
圖九：LS-OPT的預(yù)測(cè)以及結(jié)果。
新開發(fā)
在這一節(jié)中，將簡(jiǎn)要地介紹目前新開發(fā)的一些功能，這些功能目前還不是LS-DYNA發(fā)行版的一部分，不過測(cè)試版本預(yù)計(jì)會(huì)在今年釋出。
周期性邊界條件
周期性邊界條件常被使用在數(shù)值模擬方法上，可以藉由只仿真一小部分的區(qū)域來表示大型區(qū)域的仿真結(jié)果，這種邊界條件被大量地使用在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，例如渦輪機(jī)械。在實(shí)現(xiàn)上使用了線性約束來確保流場(chǎng)在周期性邊界條件上的連續(xù)性以及守恒性。圖十為一個(gè)周期性邊界問題的設(shè)置范例。
圖十：周期性邊界條件的問題設(shè)置，值得注意的是，周期性邊界條件上的網(wǎng)格不需要是匹配的。滑移網(wǎng)格
滑移網(wǎng)格是一個(gè)可以在不需要網(wǎng)格重劃的情況下仿真瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的技術(shù)。當(dāng)滑移網(wǎng)格被使用時(shí)，通常仿真區(qū)域會(huì)被分開成至少兩部分的體網(wǎng)格：一個(gè)網(wǎng)格含有旋轉(zhuǎn)的部件，其他網(wǎng)格則是包含剩下的區(qū)域，而在這兩種體網(wǎng)格間的界面即是滑移網(wǎng)格。所有的區(qū)域?qū)⑼瑫r(shí)求解，并利用線性約束來鏈接滑移網(wǎng)格。 圖十一顯示滑移網(wǎng)格的一個(gè)應(yīng)用范例。
圖十一：滑移網(wǎng)格應(yīng)用范例，黑線的范圍表示旋轉(zhuǎn)以及其他區(qū)域間的接口。
沉浸界面
沉浸接口法使用了不貼合邊界的網(wǎng)格，簡(jiǎn)化了復(fù)雜邊界形狀的前處理過程。其目的在于根據(jù)在模型中不同部分的流場(chǎng)性質(zhì)，結(jié)合使用沉浸接口以及貼合邊界的網(wǎng)格。這個(gè)新方法根據(jù)的是非連續(xù)有限元近似，可處理尖銳接口且允許結(jié)構(gòu)互相接觸。圖十二顯示的是凸輪泵問題，由于凸輪彼此互相接觸，若使用典型的網(wǎng)格重構(gòu)方法是非常具有難度的，這是一個(gè)使用沉浸接口法的典型例子。
圖十二：此圖顯示的是凸輪泵的幾何形狀，左側(cè)放大圖中顯示了部件相互接觸處以及此處網(wǎng)格，右側(cè)為求出的速度場(chǎng)圖。
作者簡(jiǎn)介
Facundo Del Pin, 博士畢業(yè)于加州伯克利大學(xué)，2008 年加入后，主要從事CFD功能的開發(fā)和研究。
I?aki ?aldichoury，碩士畢業(yè)于法國(guó)國(guó)家航空和航天研究所，專業(yè)為空氣動(dòng)力學(xué)和飛行力學(xué)。2011年加入LSTC后，主要從事LS-980中的新功能模塊的可靠性測(cè)試和技術(shù)支持工作。
Rodrigo R Paz 博士畢業(yè)于阿根廷利托拉爾國(guó)立大學(xué)，其專業(yè)為計(jì)算流體力學(xué)以及平行運(yùn)算， 于2013年加入LSTC之后，主要從事ICFD以及流固耦合計(jì)算功能的開發(fā)。
黃千榕 博士畢業(yè)于加州大學(xué)洛杉磯分校，專業(yè)為計(jì)算流體力學(xué)以及流固耦合，2017年加入LSTC之后，主要從事LS-DYNA在生醫(yī)問題上的應(yīng)用與驗(yàn)證以及技術(shù)支持工作。
