■ 將HPC性能提升到全新高度，最大限度縮短求解器分析時間

要想廣泛使用和提供功能強大的計算資源，就需要為CFD分析人員提供功能同樣強大的軟體，才能如期得到結果。在16.0中，HPC的發展不僅能確保CFD求解器實現高效能，還能解決整體模擬過程中影響方案效率和可擴展性的其它問題，無論計算資源是由數百個CPU、數千個內核組成，還是由數十個CPU和數百個內核組成。

技術說明

16.0具備多項增強功能，能進一步改善HPC的可擴展性，消除瓶頸，實現HPC資源的高效應用。
▶ CFX提供的“開箱即用”HPC性能得到明顯改善，多級旋轉機械等工業應用的基準測試在使用多達2,000個或更多內核時體現出持續的可擴展性。
▶ Fluent推出基於HDF5的案例和資料檔案，開啟了全並行I/O處理之門，可顯著降低讀寫時間，特別是當使用HPC在數百個或數千個內核上運行模擬時尤其明顯。
▶ Fluent和CFX提供的新型HPC網格分區功能，現在可提供更高品質的分區，避免大長寬比的單元並可讓表面更加平滑，從而改善HPC計算的穩健性、收斂結果和可擴展性。
▶ 基於GPU加速，使用Polyflow的材料處理模擬速度現可提高2~6倍。
▶ 通信的進一步優化打破了Fluent的並行瓶頸問題，尤其是在高內核數（大於10,000）的情況下。在16.0中，燃燒器模擬可擴展至36,000個內核，效率高達到86%，充分展示了這項功能（參見下圖）。

參考客戶和客戶評價

▲ 與美國國家超級計算應用中心（NCSA）合作開展的基準測試。

上圖來自與美國國家超級計算應用中心（NCSA）合作開展的基準測試。通過把Blue Waters超級電腦、克雷公司工程團隊、NCSA私營企業計畫（Private Sector Program）技術團隊和Fluent中的16.0增強功能結合在一起，各機構得以研究最複雜最逼真的模擬案例。

▲ 與Voith Hydro和斯圖加特大學水力學研究所（IHS Univ. Stuttgart.）協作開展的基準測試

上圖來自與Voith Hydro和斯圖加特大學水力學研究所（IHS Univ. Stuttgart.）協作開展的基準測試。測試顯示在有4,000萬個節點的網格上使用CFX進行全瞬態水輪機模擬的預設HPC擴展能力得到了顯著改善。最終的基準測試使有大約3億個節點的網格，用於包括進口蝸管（inlet scroll）、導流葉片、活動導葉、流道和引流管在內的完整機械計算。

■ 為複雜環境建模

為CFD模擬準備複雜的CAD裝配往往是一個相當耗時的過程，需要工程師完成大量工作。可能這個問題最為突出的應用，是汽車引擎室熱管理（UTM）模擬。UTM幾何結構極為複雜，需要功能強大的工具才能在基本無需CFD工程師操作的條件下高效、高精確度地建模。而16.0在最大限度地減輕工作量方面已經取得重大進展，成功地將UTM流程的工程時間降低達40%。同樣重要的是，工作流程效率的提升不僅有利於UTM模擬，還有助於許多處理大型精細化CAD幾何結構的其它CFD模擬。

技術說明

多種產品的改進與貫穿工作流程的改進相結合，能明顯提升工作流程效率：
▶ 為Fluent和Fluent Meshing提供新型使用者介面，讓使用者能夠更好地監管流程模擬設置並有助於顯著改進網格劃分工作流程。
▶ 提供全新映射介面，明顯改善非一致性介面的處理能力，在不影響精確度的情況下，讓使用者能夠高度靈活地實現網格生成。
▶ 在Workbench中使用Fluent的用戶現在可將多個上游網格整合到Fluent系統中，讓他們能為自己的應用靈活地選擇最高效的網格組合。
▶ 增強幾何結構獲取和模型準備功能，CAD導入速度更快，並提供大量”Wrapping”改進。表面間隙自動閉合讓模型能夠直接用於CFD模擬，這樣最省時省力。

工程師往往需要處理CAD檔或表面網格檔呈現的超大型而又極其複雜的幾何結構，其有可能存在缺陷（在抽取流體域之前需要封閉的孔或間隙）。求解需求會導致對大型計算單元網格的需求。手動修補所有幾何結構缺陷需要大量的修正和昂貴的人工時間；創建大型網格需要大量耗時的計算。也許最大的挑戰是汽車引擎室熱管理（UTM）模擬。UTM幾何是非常複雜的，至少需要一個CFD工程師利用一個強大的工具去準確且有效的建模。

ANSYS Fluent網格劃分具備快速網格劃分複雜或不完整幾何結構所需要的所有關鍵技術：CAD導入、孔和間隙修補、高品質表面網格創建以及快速體積網格創建。Fluent網格劃分具有眾多優勢：

▲關於賽車的全車UTM模擬——具有代表性的普通賽車全車模型，顯示了模擬得到的車體表面溫度

▶ 多功能性：可以導入CAD或表面網格；
▶ 易用性：用於捕捉模型特徵的“尺寸”功能，其提供特徵捕獲是否充分的回饋資訊。使用者可以保存“尺寸”功能並且在需要的時候直接使用；
▶ 內置智慧功能：在體網格劃分完成之前，診斷工具可以發現和修復元件（間隙或孔）、面連接（面重疊或交錯）中存在的問題；和整個面網格品質；
▶ 準確性：改進後的包面工具可以捕獲幾何結構特徵和診斷工具可以確定幾何結構特徵捕獲的品質。提供各種工具用於根據需要進一步提高包面品質和準確性；
▶ 快速：
▶ 局部表面網格重新劃分工具可以根據需要局部改善表面網格的品質，而無需網格重新劃分整個幾何結構表面；
▶ 更快速的劃分體網格（棱柱層生成提速三倍）；
▶ 在生成四面體/棱柱網格時具有出色的並行網格劃分擴展性能。（性能視情況而定，不過在使用8核情況下4200萬網格存在92%的擴展性能）

點此觀看視頻——觀看此視頻看到如何使用包裝的工作流來創建高品質的計算網格。這個視頻包括描述如何使用尺寸場合創建表面網格。

▲新功能示例

▲使用大約200個部件的引擎室模擬，顯示了由於對流性和輻射性熱傳遞從排氣歧管散發到周邊物件的表面溫度

點此觀看視頻——如何直接利用GUI來準備你的CAD模型的網格：查看和研究你的模型，當需要簡單模型修補的時候，刪除一些小部件。

■ 簡化工作流程以縮短工程時間

建模/網格劃分往往是客戶工作流程中的瓶頸。使用者通過流程壓縮可以完成更多模擬，進而設計出更出色的產品，因此使用者自然會對縮短建模/網格劃分時間感興趣。網格剖分時間是在驗證模擬（一次性分析）到提供備選設計功能轉變過程（模擬驅動產品研發）中的一個關鍵因素。

在考慮備選設計方案時，建模/網格劃分流程都應在被考量的整個設計域中具有良好的可靠性。16.0在Workbench Meshing的穩健性、可用性和性能方面均有明顯改善，能夠在為各種設計備選方案提供更高穩健性的同時，大幅縮短網格劃分時間。

技術說明

在16.0中，影響網格劃分穩健性和性能的一些主要障礙得到了相應改善，從而有助於縮短網格劃分工作流程時間。其中包括：
▶ 改進四面體（patch conforming tet）的自動特徵清除功能。現在四面體網格剖分器能夠更好地自動化處理裂片及其它幾何結構中的複雜特性，即便在極精細或極複雜幾何結構上也能實現較好的穩健性。
▶ 提供更加穩健、性能更加優異的膨脹功能。
▶ 改善六面體網格剖分的穩健性和可用性，説明在模型的關鍵域提供六面體網格，或幫助GAMBIT的用戶遷移到Workbench網格劃分。
▶ 提供網格診斷和節點移動工具，在需要更高品質的網格時，用以修復最後剩餘的單元。
▶ 通過模型裝配和/或複製，更好地處理重複性部件。複製過程也可以融合節點，提供對應節點的網格。
▶ 改進可用性控制功能，包括為距離型尺寸函數提供近距離源、提供更多六面體網格剖分控制功能、支援用於Fluent的週期性邊界條件等。

▲圖為ANSYS 16.0劃分的網格

■ 越來越高效的旋轉機械

隨著旋轉機械設計的進一步精細化和優化，分析人員需要更加準確地預測更多流體細節，從而更加細緻地掌握機械行為和在更廣泛的工作區域內進一步優化設計的方法。這意味著需要不斷深入掌握旋轉元件和固定元件之間的相互作用。16.0進一步豐富了ANSYS CFX中提供的模型套件，為有效地模擬旋轉機械中的瞬態流動行為提供了更多途徑。ANSYS Fluent為其強大的燃燒模擬功能進一步增加了大量增強特性，便於燃氣輪機製造商提高燃燒效率，減少排放，滿足日益嚴格的環境法規要求。

技術說明

設計大型燃氣輪機的工程師以及水輪機、蒸汽輪機、泵等其它旋轉機械的製造商將從ANSYS 16.0 的下列關鍵增強功能中大獲裨益：
▶ 在CFX中使用傅立葉轉換法實現的單級瞬態轉子-定子模擬，和以往相比能夠更高效地為有大範圍變距的模擬建立模型。這包括處於錯流條件下（比如起飛時）的噴氣發動機，或是配合無葉導向器模擬壓氣機葉輪的非對稱流動。
▶ 能夠在CFX中使用傅立葉轉換法加入多個流擾動，便於極高效地模擬有進氣道擾動的葉片顫振，或是有進氣道和排氣道瞬態擾動的葉片顫振。
▶ 由於CFX解決方案的監控功能得到進一步豐富，用戶可跟蹤通過解監控器得出的統計量，更加方便地判斷週期性“准穩定”解出現的時間。
▶ 針對使用Fluent模擬燃氣輪機的燃燒情況，提供增強功能，包括速度更快、穩健性更好、準確度更高的全新平衡求解器，而且有限速率化學反應建模速度也明顯得到改善。
▶ 此外，Fluent還提供新的、更加靈活的碳黑形成建模功能。這對降低燃燒過程的環境影響具有重要意義。

工程師需要採用高級模擬工具以滿足客戶對更高效、更可靠的高性能機械裝置的需求。工程師必須在越來越寬泛的速度和工況範圍內準確預測空氣動力學性能，而且同時必須確保設計的可靠性。例如，他們需要確保抑制相關工作範圍內的葉片振動，並且確保週期性不穩定載荷不會影響設計使用壽命。

點此觀看視頻——瞭解ANSYS CFD和Structural模擬解決方案如何預測渦輪機葉片性能。

ANSYS可提供工程師設計可靠渦輪機葉片裝置的完整工作流程：
▶ 自動、快速、高品質3D六面體葉柵（轉子與定子）網格劃分；
▶ 用於確定關鍵性能指標（如：總壓力比、等熵效率和完整速度線）的CFD精確模擬；
▶旨在通過僅模擬系統有限扇面來模擬360度完整瞬態葉片現象的有效瞬態葉柵(TBR)；
▶ 用於確保以空氣動力學方式抑制所有葉片固有頻率和振動模式的渦輪機專用工作流程。實現方法是先通過ANSYS Mechanical確定頻率與模式，然後把其作為葉片變形導入到ANSYS CFX，在變形條件下執行瞬態CFD模擬，同時評估葉片穩定性。
▶ 用於確定葉片上不穩定流體壓力波動造成的應力的渦輪機專用工作流程。其實現方法是在ANSYS CFX中採用TBR方法確定葉片承受的不穩定流體壓力載荷。然後相關資訊將映射到ANSYS Mechanical中的相關葉片幾何結構並且確定應力。

參考客戶和客戶評價

▲渦輪增壓器渦輪側的演示模擬

實例圖片來自渦輪增壓器渦輪側的演示模擬，採用我們的合作夥伴（及客戶）PCA Engineering提供的幾何形狀設計。模擬使用新推出的功能，運用傅立葉轉換法有效地捕捉固定和旋轉元件之間的相互作用（這裡具體指固定進氣蝸殼和旋轉葉片）。目前各類推進用和發電用大型燃氣輪機的製造商，以及生產水輪機、蒸汽輪機、泵等其它旋轉機械的製造商均在採用這些新功能。

■ 更輕鬆、更可靠和更快捷地為自由面建模

從模擬船舶和海上鑽井平臺周圍的水和波浪的超大規模應用，到模擬噴墨頭和晶片實驗室設計的超微規模應用，許多流體模擬都涉及到“自由面”。VoF建模法為高效可靠地採集這些流動資訊提供了一種有效的方法。同時由於存在大量的應用可能，需要考慮不同的效應和細節，而且必須選擇適當的模型和數值選項。16.0經過大量改進，能夠更輕鬆地在Fluent內進行VoF模擬設置，更可靠地完成收斂，並能提供更精確的解。

技術說明 在Fluent 16.0 為工程師提供如下增強功能：
▶ Fluent使用者介面經重新組織，能夠更直觀為給定VoF應用選擇合適的介面模型及相關選項，減少出錯率。
▶ Fluent採用新的修正壓縮格式，對不同類型的VoF應用都能生成解析度盡可能高的自由面。
▶ 為加速瞬態自由面應用的模擬，現可採用隱式VoF的可變時間步長功能為Fluent中的更多VoF應用自動調節合適的時間步長。
▶ 可以使用Fluent中新引入的各種方法為隨機波形模式建模，從而為船舶設計等航海應用提供更加逼真的模擬。
▶ Fluent的新增數值處理功能可在絕對壓力為負值的情況下為高難度問題提供更可靠的解。
▶ 借助Fluent的新增介面數值處理功能，可顯著提高各種品質網格上自由面位置預測的精確性。為無法使用傳統的重構幾何結構格式的情況，提供良好的替代方案。

▲船舶周邊的波浪即為自由表面應用的例子

▲新的介面採集方法可以在不同網格上更準確地預測自由面，比如在多面體網格上（頂部是未使用新方法的情況，底部是使用新方法的情況）

ANSYS解決方案可為船舶與海上產品設計師提供全面流體力學與海洋模擬工具：
▶ 用於複雜的海上、船舶與海洋應用的快速、高品質網格劃分。
▶ 能夠模擬各種波浪：包含淺層水、非線性海浪以及海嘯波浪；海嘯波浪
▶對波浪與海上平臺、船舶及其它海洋結構相互作用的準確、快速CFD模擬。
▶ 能夠把3D CFD模擬連接到模擬工具以便預測系泊和/或相連系統物件在隨機海洋狀況下的行為。

點此觀看視頻——如何利用ANSYS Fluent預測流體動力以及海浪衝擊海上平臺時甲板上浪現象的分步演示。

▲集裝箱船的流體動力學模擬——模擬技術可以預測波浪運動、高度以及對船體的壓力

■ 更強大的伴隨求解器：智慧外形優化

在ANSYS Fluent早期版本中引入的功能強大的突破性創新型伴隨求解器，開啟了無限可能，擴展了模擬驅動產品研發的使用範圍，從預測行為提升到引導工程師掌握施加設計調整的位置和方法，説明實現目標要求。這種新穎的技術隨數個版本的發展逐步成熟，16.0得到進一步強化：能應用於更多規模的問題上；能對設計變更進行更全面的管理；能用於更廣泛的物理場和更多種類的設計目的。

技術說明

16.0的伴隨求解器功能更強、更易於使用：
▶ 伴隨求解器現在可用於使用5,000萬或更多網格單元的模擬；
▶ 由於自動求解的進步，特別是不必要求用戶在求解過程中微調參數，伴隨解的可靠性顯著提高。
▶ 由於16.0採用新的設計工具，可提高多目標設計的品質和效率，加強對網格變形的控制，並符合設計約束條件，所有這一切完美組合在一起，使使用者能更好地管理設計變更。
▶ 伴隨求解器現在可應用於包括多孔介質和用戶自訂源在內的多種應用，還可用於體積觀測量（比如體積積分、體積平均值和體積方差）。

點此觀看視頻——如何利用ANSYS伴隨求解器使得智慧優化外觀成為可能。

▲應用伴隨求解器求解5,000萬單元的汽車模擬應用，指導幾何結構調整，優化外部空氣動力學。圖片由Volvo提供。

假設您需要設計一輛汽車並且需要最大限度地降低其阻力，或者設計一個管道系統並且需要最大限度地降低其壓降。在這兩個例子中實際設計的形狀都是最重要的因素。在設置模擬參數時，您通常需要定義形狀和運行參數變化，往往需要借助於優化工具。雖然這是個不錯的方法，但是存在眾多限制：

▶設計形狀可能極其複雜，受制於數百個乃至更多的參數。對它們根本無法做到面面俱到。那麼您該如何確保選擇有關聯的參數呢？
▶ 即使選擇了一組關鍵設計形狀參數，您仍然需要評估數量龐大的設計方案。如果全部對它們進行模擬，將會花費大量的時間。

為此，您需要一種智慧外形優化工具，其能夠：
▶自動識別設計（形狀）中需要修改的部分。
▶ 通過直接根據模擬結果確定如何修改形狀而自動引導外形優化，無需一次次進行試錯法模擬。
▶ 快速執行設計形狀優化，僅需要最少數量的模擬並且能夠儘快執行所需的模擬。

▲在這個賽車設計中，伴隨求解器指示如何修改尾翼的設計，以提高下壓力。箭頭表明可通過增大尾翼室達到上述目的。

什麼智慧外形優化工具

ANSYS智慧外形優化工具被稱為「伴隨技術」，該工具實際上是一種求解器，其根據給定目標（降低阻力、實現牽伸比最大化、降低壓降等）採用CFD模擬結果找出最佳解決方案。但不僅僅如此，它還可以計算如何具體修改相關設計。由於它是一種求解器，因此具有眾多優勢：

▶它可以直接計算需要修改哪部分的設計以及如何修改。用戶無需定義任何參數。
▶ 它可以直接確定性能更好的形狀以及相關的性能改進，而無需其它CFD模擬。
▶ 它可以通過盡可能少的模擬次數確定最佳形狀。每次反覆運算都可以提高設計性能，直到實現最佳設計。

該智慧外形優化工具速度為何如此之快

由於伴隨求解器能夠直接確定需要修改哪部分的設計以及如何修改，因此它能夠更快地實現最佳幾何結構。由於伴隨求解器與網格變形技術協同運行，因此您無需重新定義幾何結構，也無需重新創建計算網格；而只需將網格轉變成新形狀。總之，此解決方案速度如此之快的原因在於：
▶ 該伴隨求解器可以直接確定如何改進性能，因此時間不會浪費在試錯過程。
▶ 網格變形器可以根據該伴隨求解器的建議自動調整設計形狀與計算網格，從而進一步節省時間。

▲將伴隨求解器用於普通F1賽車前翼設計。此處需注意一個幾何結構設計制約因素。（前翼必須保持在綠色標識的高度之上，才能位於競賽規則規定的“合法空間”之內）

■ 最大化CFD生產率

不斷提高生產率是一種普遍存在的需求，這影響著所有工程師以及他們使用的模擬工具。生產效率的重要性在ANSYS的發展歷程中得到了充分體現，因為它可以使工程師盡可能高效地完成他們的工作。16.0對ANSYS CFD的增強功能涵蓋了使用者介面與可用性以及求解器穩健性和性能，促使使用者能夠將精力重點集中于設計和開發更優秀的產品。

技術說明

16.0中用來提高生產效率的增強功能包括：
▶ Fluent UI中全新基於可擴展目錄樹的概覽和工作流程使使用者在建立流動模擬時具備更佳的概覽和更明確的方向。
▶ 得益於Fluent 中無反覆運算瞬態步進功能 (NITA) 針對Eulerian多相流的擴展，可顯著縮短較長的多相流瞬態求解時間 。
▶ 多種數值增強功能可提供更好的Fluent求解器穩健性，以適應各種具有挑戰性的應用，例如一些多相流模擬。這些增強功能包括：更好地處理較差的網格單元，為可壓縮多相流提供更好的數值功能，以及更穩健地處理具有較大密度差的多相流（例如混合槽或泡罩塔分離器）。
▶ Fluent中用於反應流模擬的全新平衡求解器能針對各種燃燒流應用（例如內燃機中）提供更加穩健、快速、精確的求解。
▶ CFX中求解中斷控制的擴展有助於對解的收斂進行自動評估，這在高度自動化執行多個流動模擬時尤其重要，例如由ANSYS DesignXplorer這樣的優化演算法驅動。
▶ 現在可在Workbench中將多個上游網格連接到Fluent系統，使使用者能夠組合多種網格和網格類型以實現最高效的模擬，同時感受到ANSYS Workbench的優勢。
▶ 利用“螢幕捕獲”選項擴展CFD-Post圖像創建功能，可顯著縮短圖像生成時間，尤其對涉及複雜場景的較長動畫有很大的影響。

▲Fluent UI的全新可擴展目錄樹結構允許通過右鍵點擊快速訪問常用功能，並提供清晰的實例創建概覽，進而提高工作流程效率。所有以前的可用選項都能通過可擴展目錄樹進行訪問，因此它可取代以前的功能窗格。