Cadence Fidelity CFD 软件平台助力工程师仿真多物理场的系统性能

2022 年 10 月，第五届中国国际透平机械学术会议（CITC）在昆明古滇名城皇冠假日酒店隆重召开。

本次 CITC 会议的主题之一，是在能源转型、各类新能源应用崛起的新形势下，探讨透平机械产业所面临的新机遇、新挑战。在这两年一度的全国乃至全球透平机械产业界盛会上，Cadence（楷登电子）展出了其 Fidelity CFD 软件平台，获得参会人士广泛关注与好评。

透平机械（Turbomachinery）是对具有叶片的动力式流体机械统称，其共同特点是叶轮作高速旋转运动，工质（气体或液体）与叶轮之间产生力的相互作用，借以实现能量转化，从电脑主板散热风扇到风力发电机、航空发动机，在生产生活中有着广泛应用。

从其基本原理也不难看出，透平机械的性能很大程度上取决于叶轮设计，而这样的设计除了传统风洞试验外，正越来越多依赖于计算流体力学（CFD）软件仿真手段。

不过 CFD 软件在实际运用上，一直以来始终存在不少“痛点”，如：

流动、传热、组分扩散等多物理场的前处理、求解、后处理往往需要使用不同软件厂商的工具自行整合开发流程，数据、模型与工程文件之间的转换衔接费时费力；

商业软件求解器精度不足，以至于工程师往往需要二次开发自行编写；

软件无法有效调度利用并行计算架构资源，算力限制下开发人员往往不得不简化几何、网格，以将求得收敛结果的周期压缩到有意义的程度。

Cadence 此次展出的 Fidelity CFD 软件平台，则为上述“痛点”提供了一站式解决方案。

这一今年 4 月份推出的新一代高性能、高精度、多物理场仿真软件平台，是首款同时具有高阶数值格式、尺度解析湍流模型和 GPU / CPU 加速功能的商用 CFD 软件平台。适用于多种工业领域，包括汽车、透平机械、船舶、航空航天等。Fidelity CFD 也标志着一个全新架构体系的创建，是 Cadence 积累的计算软件专业知识和此前收购的两家专业 CFD 公司技术经验全面集成的结晶。

作为对前述 CFD 领域应用“痛点”的回应，Fidelity CFD 将全流程先进工具结合在一起，统一的工作流程免除了工具间的数据传输，助力工程师通过一体化的 Workflow 更好仿真多物理场的系统性能。

Fidelity CFD 引入了新一代流体求解器，包含专门用于船舶和透平机械应用的流体求解器，以及用于多种流体类型的通用流体求解器。

该求解器可提供高阶数值格式、尺度解析仿真和大规模硬件加速功能，可助力提高仿真性能，在确保准确度的同时缩短研发周期，以更快的求解速度获得更高精度的预报结果，求解器稳健性和自动化程度的提升还使其能够支持多学科仿真，可对同一几何模型同时进行多物理场仿真。

资料显示，其预测汽车空气动力阻力的精确度可比传统 CFD 求解器提高 10 倍，仿真分析周期则可以从数周缩短到一天乃至更短。

尤其值得一提的是，Fidelity CFD 引入了独特的网格生成技术。一直以来，几何处理和网格划分等前处理自动化程度非常有限，占据了 CFD 工程师 75% 的工作时间，而 Fidelity CFD 创新性的网格生成技术可以极大提高效率，网格生成流程几乎无需用户参与，可以将这一环节耗时从数天缩短至数小时。根据 Cadence 资料，其网格生成器可以使针对商业和军用飞机以及太空运载火箭周围流场的网格划分速度加快 3 倍。

此外，Fidelity CFD 还可以在现有的和新一代基于 GPU 的高性能计算（HPC）平台上高效运行。

利用 Fidelity CFD，开发人员可以解决道路车辆的风噪问题，提高新一代飞机航程，优化风力发电机和燃气轮机的气动性能，减少船舶的燃料消耗，能够在保持高准确度的同时显著缩短设计周期。

在 F1 方程式赛车这一全球顶级竞速赛事中，圈速缩短几分之一秒就意味着巨大的竞争优势，各大车队在赛车空气动力学设计上也因此毫不吝惜投入，展开了激烈的“军备竞赛”，对 CFD 软件也有着极为“挑剔”的筛选眼光。

Fidelity CFD 甫一推出，就吸引了 F1 老牌车队迈凯伦的关注，在今年 5 月宣布与 Cadence 结成技术合作伙伴，选用 Fidelity CFD 用于改进其赛车空气动力学特性。

在另一项全球顶级航海赛事——美洲杯帆船赛中，日前也有包括卫冕冠军新西兰酋长队在内的三支参赛队伍宣布选择 Fidelity CFD 用于提升其比赛船只的航行性能，新西兰酋长队曾在 2013 年以突破性的水翼技术一举夺冠，船体下方的水翼由于可以抬升船体，减小浸润面积，大幅提高水动力效率，业已成为各支队伍竞争的技术热点，四冠王新西兰酋长队与 Cadence 的携手，足以反映出后者在 CFD 软件领域的技术实力。

除了传统应用领域，近年来新能源产业的蓬勃发展，也为 CFD 软件开辟出不少全新的应用市场。以透平机械为例，随着风电光伏发电量提升，电网负载的动态平衡日益成为迫切的课题，削峰填谷的电网级储能未来将有广阔发展前景，在电化学技术路线之外，无论是当前主流的抽水蓄能，还是新兴的压缩空气储能（CAES），都需要高效的透平机械以减少损耗，实现储能效率，也为相应场景下透平机械设计带来新的约束条件，更高精度、更高效率的 CFD 软件平台，无疑可以帮助透平机械厂商更快更好地捕捉新兴市场机会，实现转型升级发展。

随着 Fidelity CFD 的推出，Cadence 已经向外界展现了向流体仿真等更广泛系统设计领域拓展布局的意愿和能力。事实上，这样的拓展也正符合自动化、智能化融合发展的产业变革深层逻辑，并已成为越来越多系统厂商自觉或不自觉的实践方向，依托数十年来持之以恒的内部研发与外延并购，Cadence 始终行进在产业潮流的最前沿，并已成为电子系统设计（ESD）向智能系统设计（ISD）进化的领导者。

审核编辑：彭静