Cadence 诠释涡轮机械应用先进CFD 技术

5 月 ，以“汇聚全球目光，助力零碳排放”为主题的 2023 国际涡轮技术大会（TURBINETECH 2023）在上海成功举行。大会秉持推动航空及燃气涡轮行业迈向更加高效清洁未来的愿景，专注未来航空及燃气涡轮行业进步的战略目标——领先的航空及燃气涡轮动力系统，持续推动航空及燃气涡轮行业去碳化发展。

本届大会有超过 600 位杰出行业代表齐聚上海，与来自全球优秀的航空和燃气涡轮领域的从业者汇聚一堂，共同探讨未来十年行业发展新未来。

演讲时刻

在 2023 国际涡轮技术大会上，Cadence（楷登）产品群总监 Yannick Baux 发表了主题为《应用于涡轮机械行业中的先进 CFD 技术》的精彩演讲。他表示，Cadence Fidelity CFD（计算流体力学）是新一代高性能、高精度、多物理场仿真软件平台，适用于涡轮机械、航空航天、汽车、船舶等多个垂直领域。

Fidelity CFD 软件引入了具有高阶数值、尺度解析仿真和大规模硬件加速的下一代流求解器，可提高仿真性能并加快周转时间，且不会降低精度。其涡轮机械解决方案涵盖 U-RANSRANS 流量仿真、非结构化网格、多块结构化网格、高保真度仿真、结构分析、初步设计、设计优化等多种方法。

统一用户界面

Yannick Baux 介绍说，Cadence Fidelity 软件平台中所有的工具都采用统一的用户界面，使用 Python API 实现从叶片设计到网格划分再到仿真和优化的全流程方案，有助于提高生产力。高性能计算体现在 HPC 分布式网格划分/求解、GPU 加速和 Cadence OnCloud 可扩展仿真三个方面。求解器包括 RANS、DES、LES，实现从低速到高超声速流动仿真。

几何清理和网格划分，高效与质量兼得

Yannick Baux 表示，Fidelity CFD 软件业界领先的几何清理和几何导入，支持 CAD、STL 等绝大多数文件格式，同时将 CAD 与叶轮机械拓扑、几何结构与叶轮机械拓扑结构相关联，实现 CAD 装配零件树状结构的可视化；所有网格划分和仿真参数都在拓扑结构上设置，还可以用相同的设置实现设计地快速替换。

实现更快、更准确的叶轮机械仿真

Yannick Baux 说，Fidelity CFD 显著提高了所有垂直行业的流体动力学性能和准确性，可实现所有流型下的快速收敛。其压力基求解器针对泵、风扇、鼓风机、风力涡轮机、螺旋桨、压缩机、汽轮机、燃气轮机等；其密度基求解器拥有空间和时间上的二阶精度；适用于大长宽比的网格，强大AMG线性求解器可以对边界条件和连接做完全隐式处理，并可在结构化和非结构化算法之间切换，加速几何多重网格收敛。

Fidelity CFD 在突破传统 CFD 求解器技术限制方面取得了重大技术创新，下一代高阶流动求解器具有先进的流体湍流仿真，预测空气动力阻力的能力比传统 CFD 求解器高 10 倍。此外，高精度仿真的收敛时间可以从几周缩短到一天以内。

Fidelity CFD 的叶轮机械能力还体现在转静子交界面、叶轮机械初场给定方式、多物理场方面。

CadenceFidelity Oofelie 和 Fidelity Turbo 在流固耦合方面也有出色的表现。

设计优化工作流程

基于 Concepts NREC 敏捷工程设计系统的叶轮机械初步设计，在多级轴向/径向叶轮机械的设计与分析中融入了最先进的损失模型、交互式流道改型、叶片设计、满足特定的设计标准的自动几何调整、快速评估偏离设计点的性能曲线生成，以及最终三维几何形状的详细设计。叶轮机械初步设计还可与三维 CFD 分析工具无缝集成。

Fine Design3D 是一个多学科叶轮机械稳健设计优化工具，其独特的 CAE 环境优化软件融入了嵌入式设计系统、最先进的优化算法、敏感性分析、不确定性分析、多学科优化和稳健的设计优化能力。

高保真度仿真的典型案例

自 Cascade Technologies 加入 Cadence 大家族以来，极大地扩展了高保真 CFD 仿真系统创新产品组合。Cascade Technologies 拥有高保真 CFD 完整软件解决方案的技术专家，是多物理仿真 GPU 加速的领导者，拥有完全 GPU-resident 求解器，可大大缩短收敛时间，同时有助于提高所设计和制造系统的耐用性和性能。

Yannick Baux 介绍的几个经典案例包括：NASA 采用 charLES 的全通道仿真的附面层吸入式涡扇发动机案例研究（动态失速）；针对进场条件和低噪声 OGV 的 NASA 风扇 SDT 基准的 GPU 加速仿真；针对高压涡轮机叶片传热（VKI-expts）的转捩预测中的雷诺数敏感性；针对罗尔斯·罗伊斯衍生叶片的涡轮气模冷却预测（带共轭传热）；NASA E3 燃烧室衬套传热预测等。

GPU 加速是高保真 CFD 的引爆点

Yannick Baux 最后强调，GPU 加速已成为高保真 CFD 的爆点，正在改变仿真软件的创新模式。GPU 加速可以在相同 CPU 成本下实现其9倍的数据吞吐量；在与 CPU 数据吞吐量相同时，成本可降低 9 倍，能耗降低 17 倍。

他认为，NVIDIA 成熟的 SDK 在支持这一转变方面发挥了关键作用，对航空航天、汽车和许多其他行业的设计产生了深远的影响。

NASA/GE 燃烧室衬套仿真以及涡扇发动机气动性能和噪声仿真充分证明：GPU 大幅提高了高保真 CFD 的吞吐能力。

审核编辑：彭静