深入探讨 Ansys LS-DYNA 的流体求解器
计算流体力学（CFD）已成为 Ansys LS-DYNA 多物理场解决方案的一部分已有十多年。如果您是 LS-DYNA 用户且希望进一步了解相关内容，欢迎跟我一起深入探讨这一功能，并探索如何利用它来加速产品设计与开发。
Ansys LS-DYNA 是非线性动态结构仿真领域的领先求解器，被全球汽车行业广泛用于碰撞安全预测。 显式求解器是该软件的核心基础；然而，LS-DYNA 提供的远不止于此：它还包含用于热分析、声学、离散元、电磁学和流体流动的显式及隐式求解器。所有求解器均已实现耦合，使 LS-DYNA 真正成为一款“一软件多物理场”求解器。
在上一篇文章中，我探讨了如何利用 LS-DYNA 的隐式求解器进行静力学和频域分析。利用 LS-DYNA 的 CFD 功能，则是我们如何进一步挖掘该软件潜力的又一例证。
LS-DYNA 中提供了两种流体求解器：用于可压缩流体的 CESE* 以及不可压缩流体求解器（ICFD）。 对于许多工程应用，例如车辆的外流体动力学，或涉及液体的工艺（如冷却或模具注塑），不可压缩流体求解器是一个不错的选择。通过假设流体不可压缩，可以简化纳维-斯托克斯方程并求解，从而在马赫数小于 0.3 的情况下准确预测流体速度和压力（参考文献）。本文将重点介绍不可压缩流体求解器。
*守恒项/解项法
除了多物理场耦合功能外，在 Ansys LS-DYNA 中使用 ICFD 求解器还有许多优势，包括：
- 流体域的自动网格划分
- 完全流固耦合
- 牛顿流体和非牛顿流体模型
- 稳态与瞬态流场预测
- 包括RANS和LES在内的湍流模型系列
- 自由液面与多相分析
- 无需额外许可费用（受许可协议约束）
此外，ICFD求解器得到了Oasys LS-DYNA环境的全面支持，包括Oasys PRIMER中的专用设置工具 以及D3PLOT中的专用可视化工具，可在每个步骤中为用户提供指导。
让生活少些乏味
几年前在奥雅纳（Arup），我们对用于外部空气动力学分析的ICFD求解器进行了研究。通过使用DrivAer基准几何模型，我们验证了Ansys LS-DYNA预测的阻力系数（Cd）和压力系数（Cp）值，其结果与实验结果以及参考CFD代码均吻合良好（见下图）。 基于这一验证结果，我们利用ICFD求解器研究了外部表面在气流冲击下的气弹响应，这种气流冲击可能引发“颤振”现象。
图片来源：DrivAer 模型中心线上的压力分布对比
颤振是指外表面因气流作用及其自身的柔性而产生的空弹性失稳现象，会导致肉眼可见的振动。这种不良现象往往直到车辆原型机测试的后期阶段才会被发现。因此，为解决这些问题而进行的设计修改不仅成本高昂，还会影响项目进度。
在设计过程的早期阶段使用仿真技术，有助于避免这种情况。 ICFD求解器的关键优势在于其能够将流体流动解与结构求解器耦合，因为正是与流体激励频率相匹配的共振结构响应导致了颤振。传统的不包含结构耦合的CFD方法可能会完全忽略这一现象。我们的研究通过简单的发动机罩和扰流板模型验证了这一概念，展示了LS-DYNA如何提供更深入的洞察。
保持距离
在另一项研究中，我们探讨了气流对车辆“车队”的影响。 车队是指通过车与车之间的通信和传感技术，保持紧密间距行驶的车辆群体。车队在行驶过程中可能消耗更少的能量，并在高速公路上占用更少的空间。了解车队周围的气流情况对于安全和能效至关重要。通过在Ansys LS-DYNA中对不同的车队配置进行建模，我们得以探索其影响，为进一步优化铺平了道路。
图片来源：在Oasys D3PLOT 中绘制的流线图，显示两辆间距很近的车辆
该研究表明，ICFD求解器的计算结果有助于深入理解车辆间距与车身形状之间的复杂相互作用（见上图）。 利用ICFD求解器进行的下一步工作，可以是预测车队效应（例如车辆紧密间距导致的颠簸）对结构的响应。这两篇论文均证实，ICFD求解器是进行外部空气动力学分析的有效工具，具有显著优势，例如利用自动流体域网格划分实现快速建模，以及考虑结构相互作用。
形势紧张时保持冷静
自该研究以来，在英国2035年零排放目标的推动下，纯电动汽车（BEV）的市场份额显著提升。 为此，我们的服务范围也随之扩展；除了结构安全性和耐久性之外，我们现在还利用Ansys LS-DYNA协助客户进行电池系统开发。其最直接的应用是模拟安全标准要求的结构测试：冲击、挤压、振动和疲劳测试。此外，LS-DYNA还可进行热分析，通过ICFD求解器进行电池冷却设计，并探索热失控现象。
冷却对大型电池组至关重要，通常通过闭环液体冷却系统实现，该系统从电芯中提取热量，并通过换热器将其散发出去。冷却板（通常为一层薄的嵌入式结构）必须经过精心设计，以确保均匀覆盖，并避免出现会影响电芯性能的热点。仿真有助于在峰值负载下优化几何形状、流场分布和热效率。
LS-DYNA 的耦合电磁、结构、热力和 ICFD 求解器能够对电池冷却的物理过程进行建模。Randles 电路可模拟电芯的电化学过程，将电流与外部负载及内阻联系起来。这会产生欧姆热，该热量通过导热传递至冷却板，并经由耦合热交换传递给流体。
Oasys LS-DYNA 环境提供了新的工具，以协助电池模型的准备工作。Oasys PRIMER 的电池设置工具可快速定义兰德尔斯电路参数、电池组阵列以及多种汇流排配置方案。
在下图所示的示例中，两个电池堆通过热敏胶粘合在散热板上。电池产生的热量被传导至散热板，并通过耦合传热传递给流体。在此模型中，基于“流体动力学不受热载荷影响”的假设，在与热分析器耦合之前，先将流体流动作为稳态问题进行求解。在此示例中，利用Oasys D3PLOT实现了流体速度和温度的同步绘图。
图片来源：Ansys LS-DYNA 对电池单元和散热板的耦合 ICFD-热分析
流体流动分析对于热事件的仿真也至关重要。 热失控是一个复杂的过程，涉及高温下电池组件的快速分解，从而产生气体。电池和外壳会进行排气以避免压力积聚，但高温气体可能会在电池组内扩散，并与周围结构发生机械和热相互作用。这可能会导致密封区域变形或失效，从而影响排气效果。如果热量扩散到相邻电池，这些电池也可能发生热失控并排气，进而演变为整个电池组的热失控。
Ansys 在气体生成与排放方面的研究涵盖了基于连续介质的粒子-气体法。当与 Randles 电路建模相结合时，LS-DYNA 为模拟热失控场景提供了一个强大的框架。
顺其自然
在纯电动汽车（BEV）轻量化车身结构中，铝铸件的作用日益凸显，而优化其刚度、耐久性、碰撞安全性及质量至关重要。然而，铸件的力学性能往往不均匀，因此在碰撞仿真中准确反映其几何变化至关重要。
这种差异很大程度上源于铸造工艺本身；冷却速率、湍流和收缩都会影响最终性能。通过模拟该工艺，可以预测性能分布，并优化铸件配置，例如流道和浇口的布置。我们能否使用 Ansys LS-DYNA 的 ICFD 求解器来模拟铸造工艺？
为探究这一问题，我们复现了伯明翰大学的一项基准测试。在该测试中，采用重力浇注方式向一个简单的矩形模具内浇注金属，并使用了底部浇口流道和设计用于诱导湍流的高浇口。测试过程中，通过X射线胶片记录了模具充填过程，从而能够与LS-DYNA的计算结果进行直接对比。
结果非常令人鼓舞；LS-DYNA 能够正确再现试验中的关键结果：
- 正确的注塑时间（2秒）
- 从闸口进入模具时，喷泉的方向和尺寸应正确
- 准确解析浇口与流道交汇处的流体动力学
该动画还展示了熔融铝中的温度变化，使模具注塑过程的可视化呈现更加生动。
下图展示了一个更复杂的模型，其中包含多个阀门。尽管这仍是一个相对简单的例子，但可以清楚地看到，该技术如何通过进一步发展，为铸造工艺及铸件本身的性能提供有价值的见解。对于高速、高压铸造工艺，应考虑可压缩性的影响。
图片来源：多浇口铸件分析
结论
Ansys LS-DYNA 的 ICFD 求解器是一款功能强大、用途广泛的工具，适用于处理复杂的流体问题及结构-流体耦合问题。该求解器与 LS-DYNA 的多物理场求解器完全集成，且无需额外许可费用，可提供高性能的计算结果，所有现有 LS-DYNA 用户均可直接使用。
借助 Oasys LS-DYNA 环境，您可以在Oasys PRIMER中快速构建模型，并利用D3PLOT 的专用分析工具深入分析结果。无需费力处理复杂的设置或后处理工作。
准备好提升您的仿真水平了吗？立即开始探索 ICFD。无论是优化热管理系统、设计冷却回路，还是研究流体动力学，LS-DYNA 都能为您提供所需的工具，而您将完全掌控整个过程。
西蒙·哈特
西蒙·哈特（Simon Hart）负责奥雅纳（Arup）技术专家服务业务组合（UKIMEA）下的产品工程实践。他在车辆设计中应用计算机辅助工程方面拥有30年的经验，并领导工程师团队从事新型电动汽车项目的工作。
西蒙与Oasys LS-DYNA 环境软件业务部门密切合作，在数字产品的开发与其在工程项目中的应用之间架起桥梁。
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