Simcenter STAR-CCM+电磁学：多物理场环境下快速、可扩展的电磁分析工具

优势

先进的电磁求解器可对低频应用进行精确分析

• 单一集成多物理场环境可提高物理逼真度，扩大应用范围
• 在同一仿真中，计算电磁学可与计算流体力学(CFD)/热物理学耦合
• 低频电磁学的有限体积和有限元离散可用于2D和3D
• 快速、可扩展的求解器可用于分析工业规模的问题

当今电磁学面临的挑战

电气化是工业创新的主要支柱之一。在这一领域，现代设计和优化通常需要采用多学科方法。例如，开发电动机可能需要考虑电磁学、热传导、流体动力学、结构力学以及噪声和振动。设计断路器可能涉及辐射、壁烧蚀、接触侵蚀、铁磁性和流体力学。要解决此类复杂性问题，离不开经济有效的全面综合分析，其中要用到的一个重要工具就是高级数值仿真。以下是当今电磁学面临的其他仿真挑战：

• 仿真工程师需要仿真所有必要的物理场，以实现真正创新和可靠设计
• 尽量减少仿真工具数量，并采用对用户友好的工作流程
• 所选物理模型必须提供正确的数值公式和离散化（有限体积(FV)/有限元(FE)、时域/频域、2D/2D轴对称/3D）
• 结果精确，周转时间短

左图为逼真的3D电机模型，其中网格有1280万个单元。

右图为英特尔至强CPU E5-2698版本e3、2.30GHz、InifiniBand QDR的性能。

Simcenter STAR-CCM+提供了解决方案

Simcenter STAR-CCM+软件是一款多功能CFD工具，具有扩展的多物理场功能。它提供单一集成用户界面，允许用户利用一整套耦合物理模型来构建实际应用的高保真数字孪生。此外，得益于高度可扩展的高性能计算(HPC)框架，可以优化代码，更快获得结果。

Simcenter STAR-CCM+多物理场示例（其中显示低压断路器仿真的横截面）。

通过Simcenter STAR-CCM+，用户可以：

利用精确、快速、可扩展的低频电磁学分析

利用快速开发周期，快速响应和预测市场需求，每年发布三次功能齐全的新版本

减少设置复杂工作流程（涉及用途狭窄的不同工具）所需的时间，让用户专注于工程决策

多物理场

Simcenter STAR-CCM+主要优势之一在于其能够在单一环境中耦合多个物理模型，为用户提供其应用的精确物理数字孪生。例如，要开发稳健且高性能的电动机，仿真专家需要考虑电机的有效冷却，其仿真通常涉及高级多相分析（例如喷油冷却）。同理，对可靠断路器进行原型设计通常需要对复杂的物理现象进行详细仿真。

使用Simcenter STAR-CCM+的多物理场功能执行的典型低频应用包括：

• 电机（电动机、变压器、发电机、转换器）及其热管理
• 磁流体动力学和等离子弧（断路器、继电器、焊接装置、热喷涂、等离子焊炬）
• 涉及与固体应力耦合的问题，以评估短路事件中磁负载下的机械强度
• 感应加热和搅拌
• 欧姆加热：母线、保险丝等
• 致动器和扬声器
• 传感器和流量计

精度和性能用户必须对虚拟模型充满信心，才能根据计算预测结果做出决策。解决方案的精度至关重要，不容有失。例如，精确仿真有助于了解开关设备原型是否能在一定电压下切断大短路电流。处理电机的仿真专家需要量化几何体变化对电机扭矩的影响。安全分析（介电耐压、屏蔽、防雷）需要仔细确定几何体大小和组件之间的间隙。国际计算电磁学学会基准案例结果（其中左图为电流密度分析，右图为与实验结果的比较）。Simcenter STAR-CCM+提供理想精度、速度和性能-具体方法如下：

• 一流的计算电磁学(CEM)模型可确保在不影响速度的情况下涵盖不同应用领域
• Simcenter STAR-CCM+模型始终以已公布的结果为基准
• HPC框架具有出色的可扩展性，可在集群上超过200个内核的情况下提供更短的周转时间
• 用户可在直接多网格求解器和迭代多网格求解器之间进行选择，充分利用它们在不同网格尺寸上的互补优势和性能
• FE迭代求解器可以处理大型网格（超过1000万个单元），在大型案例中性能出色
• Siemens Digital Industries Software一直与相关学术和工业合作伙伴保持密切合作，后者的专业知识有助于提高精度和验证成功率