2023.03.21
Ansys Fluent 2023 R1 新功能總覽
Ansys Fluent 2023 R1 新功能總覽 - 艾索科技
在 Ansys CFD 2023 R1 中，流體系列持續提升 CFD 模擬性能、保真度、永續性和⽣產⼒的極限。
現在 Fluent 已全面支援所有分析項目的多個 GPU 計算能力，大大減少各種計算成本（硬體、軟體、電源消耗等）。
在綠色能源方面，Fluent 提供不同的氫燃料電池模型，例如 PEM (proton exchange membrane) electrolysis 和 alkaline electrolysis，以進行氫電解的模擬。
全新的 Fluent 也提供⾃動化的⼯作流程，包含 pyFluent, Fluent Aero Workspace, Watertight Geometry Workflow，幫助使用者進行更快、更⾼效的模擬工作，從⽽縮短設計週期。
一、Ansys Fluent 更新三大亮點
1. 多 GPU 求解器的完整版本：Fluent 中的多 GPU 求解器現已完全發布，支持物種傳輸、移動參考系和 LES 模擬的增強數值，測試版支援反應流、滑動網格和可壓縮流，減少模擬求解時間（6 個高端 GPU > 2,000 個 CPU）和總功耗，適用於廣泛的汽車、航空航天和能源工業應用，對實驗數據和 CPU 求解器進行規範和工業案例的全面驗證。
2. 氫燃料電池模型：使用全新且準確的質子交換膜 (PEM) 和鹼性模型通過電解模擬綠色制氫，並加入增強型聚合物電解質膜燃料電池 (PEMFC) 和固體氧化物燃料電池 (SOFC) 模型模擬氫氣消耗，解決用於運輸和儲能的氫燃料電池設計中的挑戰，永續性的水排放氫燃料電池有助於應對嚴峻的氣候挑戰。
3. PyFluent 擴展：通過使用 PyFluent 構建自訂解決方案來提高使用者的工作效率，新的嵌入式 PyConsole 將 PyFluent 直接引入 Fluent 界面，支援集中式 Python 日誌和完整方案/TUI 到 python 日誌翻譯，另外新增自動完成和快速搜索 Fluent 命令功能。
二、Ansys Fluent 新功能介紹
- 新功能目錄：
GPU 求解器 PyFluent 航天航太 多相性（Multiphase）
多物理與求解器 渦輪（Fluent Turbo） 工作流及使用者體驗 網格
1. 增強 LES 數值
實際案例中的實驗結果和CPU結果完美匹配。
2. 物種傳遞和反應流
物種傳遞使用物種傳遞方程，並支援多項式、混合定律、動力學理論、體積加權混合定律，對於可變密度瞬態流，例如懸崖體、高渦流等，穩定性需要進一步增強。另外在化學反應中，新增非剛性求解器的渦耗散燃燒模型（測試版）。
3. 更多邊界條件
多孔跳躍、壓力入口的速度方向(笛卡兒方向、圓柱方向、局部圓柱方向)、進氣風扇、出口通風口。
4. 邊界剖面圖
現在您可以為邊界條件值設置空間剖面圖，支援 u、v、w、t、p、k、ε 和 omega。以下為驗證案例：帶 SST k-w 的翼型，求解完整域案例，然後與使用從完整域解決方案中提取的配置檔邊界條件的部分域解決方案進行比較。
5. 顯示器
支援正常區域上的顯示器並加入新功能：均勻性、HTC、多孔力、力矩、體積平均。
6. 使用者介面
GPU 求解器現在使用更新的啟動器從解決方案模式啟動，並將大多數無法支援的功能隱藏於 GUI。進行最小的 TUI 更改，大多數不支援的功能在 TUI 中仍然可用。在閱讀案例、更改設定、調用 GPU 求解器時，可進行自動兼容性檢查和大小寫轉換功能。
1. Fluent 的開源可訪問性
支援直接在 Fluent 界面中運行參數研究和設計最佳化，包括變形，從而加快設計週期，可結合其他 Ansys Python 資料庫(包)、其他外部 Python 產品一起使用。訪問所有用於網格劃分、求解和後處理的 Fluent TUI 命令，提取後處理（現場）數據並與標準 Python 工具一起使用，像是 PyVista、NumPy、SciPy、Matplotlib 等。另外還新增了構建自訂工作流功能。
2. PyConsole
新的嵌入式 PyConsole 直接在 Fluent 界面中引入 PyFluent，支持集中式 Python 日誌記錄、完整方案/TUI 到 python 日誌翻譯和可用性功能，如自動完成和快速搜索 Fluent 命令（測試版）。
1. 基於密度的求解器和高音速
現在可在 GUI 中使用高速數字（High-Speed Numerics），並改進了求解器、高傾斜網格的穩健性，新增跨越衝擊和不連續的焓守恆、雙溫度均衡器模型、壁面消融模型。
2. 虛擬葉片模型 (VBM)
將 3D 轉子的影響作為控制方程中的動量源項，提高了航空航天和能源應用的自動化程度和生產率 (beta)。提供高效的旋轉葉片建模方法，不解析幾何細節，並提供對流場的整體效應。使用浮盤功能無需將 VBM 盤劃分為單元區，且網格自適應可以細化圓盤上的元素。
3. 網格自適應
基於 Hessian 的網格自適應可提供高效準確的結果，與精細網格相比，在精準度相同的情況下，速度提高了17倍。
4. Fluent Aero Workspace
全新支援壁熱邊界條件。增強自動化功能，在整個 Design Point Matrix 中提供完整的批量處理模式。重新校準次音速到高超音速模擬的 DBNS 預設收斂設定，並公開 DBNS 的最新收斂設定。在氣動提取工具方面，提高了機翼 CAD 和網格劃分腳本的穩健性，並改進工作流程來創建虛擬葉片模型的氣動翼型數據。
5. AeroOptical 工作流
直接在Ansys Fluent 中計算由氣動光學像差引起的光程長度/光程差(OPL/OPD)，並將它們導出到 OpticalStudio 以進行更複雜的光學分析（測試版）。使用 Fluent（測試版）中提供的新 OSPRay 光線追踪引擎，通過即時預覽、自訂環境、材質編輯器、燈光預設等生成逼真的模擬渲染。
1. 拉格朗日壁膜（Wall Film）
薄液膜的應用廣泛，包含預膜霧化器、排氣系統中的選擇性催化反應器和汽車電動機的油冷卻系統。新加入的對流傳熱係數模型可用於拉格朗日壁膜 (LWF) ，在建模時準確地捕獲壁傳熱。
2. 氣體與微粒流的邊界條件
粒子再循環時，離開域的粒子允許再次重新注入，且保留粒子溫度、直徑和成分，指定位置和速度後進行再注入，可應用於碳捕捉、支撐劑輸送、流化床反應器。
3. 空心錐形注射（DPM粒子）
更準確地類比空心錐形顆粒注入，除了錐角之外，現在還可以設置色散角，並在初始徑向注射位置設置一個點差（徑向交錯）。
4. DPM 離散相位建模的可用性改進
擴展顆粒尺寸分布的直方圖繪製功能，並將區域名稱加入 DPM 摘要報告。
5. 採樣平面上的等值線圖
在使用者定義的平面上進行採樣，並為採樣的粒子數據生成等值線圖。採樣平面被離散化為二維網格，記錄的粒子數據被分配到網格的一個單元格並平均。
6. 歐拉多相（Eulerian Multiphase）
在混合模型中引入狀態轉換，使用 AIAD 框架識別流動形態（混合形態）並自動應用適當的阻力相關性，為齒輪箱應用、分離器和其他混合形態多相流應用提供更快的解決方案。加入更強大的毛細管壓力配方，適用於多孔介質應用。
7. 滑行船體的通風數值
新增基於表達式的處理方法，去除邊界層第一個單元格中的空氣或水，依照局部體積分數的匯項做使用，預測的阻力非常接近實驗，可協助填充、電動機冷卻、電子塗層等應用。
1. PCB 的直接 ECAD 工作流程
從 ECAD 到 Fluent Meshing 到 Fluent 求解器，支援 PCB 本體的多區域網格劃分。讀取 ECAD Power Map 數據以在 Fluent 中捕獲準確的 PCB 熱行為，包括用於顯示儀器冷凝的壁膜建模、霧化 / 除霧和嵌入式應用程式的蒸發建模，能夠通過 ROM 創建和 Ansys Twin Builder 耦合擴展到系統模擬。
2. 氫氣燃燒閃回
驗證案例為氫氣燃燒閃回建模建立了新的最佳實踐。
3. 使用 MDA 進行燃氣輪機線性建模
Fluent 的多域架構 (MDA) ，為燃氣輪機襯裡的溫度評估提供了一種靈活高效的方法，支援流固區域之間的共形和非共形界面。固體區域在瞬時間內即完成求解，提高了模擬速度。新增從流體到 CHT 固體的時間平均溫度。
4. 燃氣輪機的燃燒
離散縱座標（DO）輻射加速度現在與煙塵、顆粒相互作用相容，在使用煙塵或顆粒跟蹤時能夠計算更快的輻射。
5. 熱傳遞
各向異性熱導率數值都進行了改進，新的預設混合助焊劑提高了準確性和穩健性，局部相鄰梯度選項進一步提高了收斂性和精準度，速度加快了 2~3 倍，提高電機熱建模的準確性。
6. 使用曲線座標進行多孔建模
使用具有各向異性電阻的曲線座標系（CCS），對複雜多孔形狀（例如過濾器）進行建模。
7. 電池建模
全面改進電池設計工作流程和功能，通用的包裝生成器模式中改善了殼傳導的模型支援，參數估計工具中改進了充電和放電曲線的工作流程，並使用多條測試曲線來擬合濫用反應動力學。
另外將內部短傳播模型擴展到 1-eqn 熱濫用模型，新增電池模擬中的自動 V、I 和 T_max 監控、Fluent 中的 LTI-ROM 生成功能，並為基於物理的生命模型提供循環歷史概況。
8. 綠色製氫與燃料電池
模擬電解以實現綠色制氫，現在支援質子交換膜 (PEM) 模型和鹼性電解模型的電解，包含與電化學求解器集成的多相建模、PEM 或鹼性電解槽中多孔電極的建模。
針對燃料電池建模也進行了功能擴展，克努森擴散（Knudsen Diffusion）現在可用於 SOFC、PEMFC，並增加 SOFC 的溫度相關交換電流密度，藉由在設置彎曲度、接觸電阻等方面支援線程名稱來協助編寫腳本。
9. 網格劃分適應和網格重新劃分
擴展了對溢流網格的適應功能，並支援重新劃分多邊形網格。
1. 介面更新
GTI 創建中新增了覆蓋區域/界面功能，突出顯示選定的界面區域並覆蓋在檢視器中的全幾何線框上，使區域選擇更加容易，也為新接口檢查提供診斷功能。混合平面模型現在改進了波段創建，導向更好的保護。新增圓周平均輪廓工具，使用入口、出口或界面表面導出解決方案變量的周向平均分佈。
2. 空氣力學
週期性位移和氣動阻尼功能擴展，包含新的空氣動力學影響係數方法（AIC），可適用於實際模式形狀，並在單一模擬中提供整個節點直徑範圍的結果，與行波法（Travelling Wave,TWM）匹配。
發布基於傅立葉的相位滯後的基礎模型，可應用於入口/出口流量擾動、葉片顫動。
3. 汽輪機的濕蒸汽非平衡冷凝（NEC）模型
能夠啟用/停用每個流體區域的 NEC，運行沒有液體形成的初期解決方案，且輕鬆啟用 NEC 模型。濕蒸汽 NEC 支援使用行波法模擬汽輪機中的葉片顫動。
4. 燃氣輪機葉片膜冷卻模型
適用於 TRS 外殼（移動網格），所有通道的虛擬冷卻孔皆可進行自動週期性擴展，注入孔的質量流量規格可以統一或使用穿過孔的剖面。
1. 參數化工作流程
更新分佈式並發設計點，支援基於 HPC、optiSLang 的參數許可，optiSLang 算法可在 Fluent 中創建 DoE。調整報告中的條件格式，並最佳化“在 optiSLang 中打開”的選項，可進行參數變形演示。
2. 設計工具
幾何探索中簡化的設計工具，可輕鬆變形幾何體和網格，無需重複生成網格即可探索多個設計，只需定義運動、變形並重新計算解決方案。增強的約束功能可以更高效、更準確地處理設計條件，提供簡化和改進的使用者體驗。
3. 最佳化改進
基於梯度的最佳化器改進，最佳化器中的行搜索功能現在可以自動設置最佳化的步長，來獲得更好的最佳解。增強的執行命令能更深入地自定義基於梯度的最佳化器，在物理方面支援表達式作為所有方程的源項。
4. 使用者體驗
提升具有許多區域的情況下的 UI 性能，使用多個區域時，許多 UI 操作的速度提高 2 到 10 倍，例如：電池建模。嵌入式圖形窗口的儀表板管理器，可管理嵌入式圖形窗口的佈局，Fluent 使用案例文件保存嵌入窗口的位置。現在可以導出模擬報告到 PowerPoint，並支援任意切割平面的瞬態統計。
5. 輕量級的設定模式
快速編輯設置，無需載入繁重的網格和解決方案數據，在這種模式下能夠快速讀/寫，且記憶體用量小。
6. 圖形與後處理
透過 OSPRay 光線追蹤進行影像級的逼真渲染，支援嵌入式即時預覽、環境、接地平面、紙本和解決方案的動畫匯出。此外也支援燈光預設、全景 360 度攝像頭、自訂環境。
7. 材質編輯器的渲染功能
新的材質編輯器可定義材質及其屬性，並預覽材料在檢視器中的外觀，進行定義、映射和編輯紋理。
8. 高解析度的油流路徑
利用高解析度跟蹤（HighRes）直接在表面區域跟蹤路徑。
【Watertight Geometry Workflow / 水密網格劃分工作流程】
1. 網格診斷工具
加入具有可視化功能的新型綜合網格診斷工具，包含表面網格和體積網格特徵，可用於整個網格域或範圍為特定區域/對象。
2. 多區域大小函數比例因子
在某些情況下，Multizone 網格與相鄰的 Surface 網格相比過於粗糙，共形連接未完成，導致出現自由面：
現在引入了尺寸函數比例因子，它將縮放多區域網格所見的尺寸場，位於 Generate The Multizone Mesh 任務中。
3. WTM可用性增強功能
保留死區的原始名稱、有選擇地網格流體或固體區域、改進邊界圖層設置、簡化網格導入、多個 CAD 導入
【FTM 容錯網格劃分】
1. CFD 表面網格 / 保形網格
更新區域設置中的新提取選項“CFD 表面網格”，使用新的表面網格劃分技術，在一些具有挑戰性的情況下提供更高的性能與穩健性。支援提取期間選擇性的幾何投影，包含 CFD 表面網格對象的幾何投影。
2. 不使用尺寸欄位的填充（Size Field）
當使用大小字段並行進行體積網格劃分時，總內存會因大小字段的重複而增加，新增 Use Size Field = No 的選項透過使用指定參數控制內部網格大小來減少內存需求。
【快速八叉樹網格劃分】
1. 幾何分辨率
改進網格最佳化方案。
2. 稜鏡的投影角度校正
以具有不均勻的表面尺寸 + 細化區域的三棱柱層作為範例，且改進的幾何解析度處於活動狀態。從圖表比較2022 R2(前一版本)及2023 R1(最新版本)，可看出網格品質有明顯的提升。
3. 用於邊界尺寸的角度細化
現在可以為每個邊界設置角度細化（以前僅限於單個全域值），並更精細地調整網格密度。
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