ICFD
ICFD的近期與未來發展摘要
Facundo Del Pin, I?aki Caldichoury, Rodrigo R. Paz and 黃千榕Livermore Software Technology Corporation
摘要不可壓縮流(ICFD)求解器自從在R7版中開始發行之后，在功能上持續的迅速改進與增加。這篇文章提供了ICFD新的發展摘要，并聚焦在三個主題-：首先是加入穩態解求解器與流固耦合或共軛傳熱問題耦合的能力；第二，對于在形狀優化上結合ICFD與LS-OPT將有簡短的介紹，主要構想是利用LS?OPT結合ANSA將表面網格變形并提供優化的解；最后，還簡單介紹了一些當前的新發展，例如沉浸接口、周期性邊界條件、滑移邊界等等，這些近期發展將會在未來LS-DYNA的發行中出現。
簡介在過去幾年中，多物理耦合分析的需求一直處于穩定的成長，于是許多商業求解器在急于提供解決方法的同時，其僵硬的實現方式也成為了負擔。因此，一開始只為了單純計算流體力學問題所設計的程序，須面對將所得解與其他求解器，有時還可能是來自不同-發行商的求解器，相連結的挑戰，這往往會造成不同計算器之間的協同仿真過程非常麻煩，同時也增加了工程師進行耦合計算時的負擔。
LS-DYNA中的ICFD模塊一開始就被設計為一個可以提供準確性以及具有可擴展性之流體力學計算的多物理求解器，同時，可以簡單地與LS-DYNA其他物理模塊整合起來。ICFD持續的發展重心放在了與新模塊整合、耦合算法的改良、計算效率的增進、以及考慮到非計算流體力學或固體力學背景的使用者，其耦合計算時，步驟也非常簡單。
在這篇文章中，將會展示一些在耦合問題實現上的新進展，尤其是使用穩態解的優勢將會被探討，在一些問題中若是可以將準確性維持在合理范圍，使用穩態納維?斯托克斯解或是穩態位勢流解將可以大幅度的減少快速成型的成本。LS?DYNA所具有將穩態計算流體力學的解流暢地轉移至結構力學計算的能力，可以大大減少解決非線性問題的成本以及復雜性，類似的概念可以被應用在共軛傳熱分析當中。第二部分將會展示結合LS?OPT、ANSA、LS?DYNA來解決一個簡單卻有價值的車輛形狀優化問題，用來改善下壓力以及阻力的比率值。這篇文章的最后提到若干將會出現在未來發行中的新的功能，包含周期性邊界條件、滑移網格、以及沉浸邊界的開發。
穩態解與多物理耦合在耦合問題中，最大的復雜度之一是非線性效應，往往造成可擴展性減少以及計算成本的增加。非線性耦合具有高度復雜性，需要在深度了解背后的物理性質之后才能正確的將問題建模。但是，在某些類型的問題中或是產品設計過程的某些階段，線性化提供了考慮到準確性、計算時間、以及模型復雜度之下一個良好的妥協。幸而LS-DYNA皆具有非線性與線性的分析工具，在這一節中，我們將著重在一個可以被應用在流固耦合分析或共軛傳熱分析的線性化之耦合方法，它發生在當流體力學的求解器計算得出穩態下的力、速度和溫度通量分布之后，在同一個運行中，將物理量場流暢地傳遞到結構力學求解器的部分。并且，若使用關鍵詞*ICFD_DATABASE_DRAG，用戶可以將流場信息存儲在LS-DYNA格式的檔案中，并且在結構模型中利用這個檔案將流場信息導入，如此一來在不用實際額外執行流體的計算之下，流場的信息可以被反復使用，這個特點在進行結構模型、材料特性、厚度等參數調試時，非常有利用價值。下面兩個例子顯示將上述功能應用在流固耦合以及共軛熱傳問題的情形。
流固耦合在地面車輛上的應用
第一個例子是地面車輛車頂蓋在流場影響下變形的流固耦合分析，其模型顯示如圖一。
圖一：研究車頂蓋結構受流場影響下變形的車輛模型。
這個問題利用了三種不同的方法解決。第一個方法利用非線性瞬時流固耦合分析，其中固體結構與流體求解器利用強耦合連結，并且以隱式法求解，這個方法是三種方法中比較準確的耦合方式，其解應被視為是參考解。第二個方法先使用穩態位勢流求解器，隨后利用位勢流求得的壓力場，求取非線性結構解。使用位勢流求解器隱含著流場貼近邊界和流場為層流的假設，但是事實上，在這個問題中流場并非層流，但是仍是貼合邊界的，所以所得出的壓力場可以預期和納維?斯托克斯解的差別仍在合理范圍之中，因此可以接著被使用在結構位移的預測中。第三個方法則將非線性耦合分析求得的結構受力，以結構模型中的負載段存取到LS-DYNA的輸入文件。因此只要將這個文件包包含在固體結構的輸入文件中，使用者可以運用之前耗時的非線性分析所得出的力場，僅運行結構分析，這不但加快了計算速度，并且可以讓工程師輕松地改變并測試他們的設計，直到模型準備好進行下一次新的非線性分析。圖二中顯示了使用位勢流以及納維?斯托克斯求解器的速度場比較。
圖二：位流以及納維?斯托克斯的速度場比較。
車輛的頂蓋是我們感興趣的區域，圖三顯示了利用上述三種方法所得到的結果，可以觀察到三個方法都得出了非常相似的位移場，需要指出的是，雖然第三種簡化方法的準確度相對較差，但其所需的運行時間很少，用戶可以在對其具體問題的準確度要求和計算時間之間進行權衡之后，選擇一種合適的耦合方式。
圖三：同分析方法的結構位移分布以及所需計算時間。
冷卻問題分析
第二個例子是一個共軛傳熱問題，流體被用來冷卻沖壓模擬中的模具。模型的設置如圖四所示。
圖四：冷卻仿真所使用的模型。
在冷卻問題中，在模具的管路中流動的流體具有比模具更低的溫度，當流體流經管路時，它被慢慢地加熱，同時冷卻模具。因為沒有熱源，流體和模具最終會達到相同溫度，即為流體流入的溫度。流體的流速在維持管路中適當的溫度分布上扮演了一個重要的角色，圖五顯示利用納維?斯托克斯方程以及比特流解出的速度分布比較，最大的差異發生在角落以及流場中剝離/再循環的區域。
圖五：利用納維--?斯托克斯方程以及比特流解出的速度分布比較。
圖六顯示了利用納維?斯托克斯以及位勢流求解器得出的溫度分布比較，可以看出兩者符合程度非常高。
圖六：利用納維--?斯托克斯以及位流求解器解出的穩態溫度分布比較。
使用LS-OPT進行形狀優化
與ICFD相關的近期成果之一是使用LS-OPT以及網格組件ANSA(BETA-CAE發行)進行形狀優化。其構想是修改初始幾何形狀來優化一個泛函。舉例來說，在地面車輛空氣動力分析中，車輛的幾何形狀被調整，直到下壓力與阻力的比率達到最大值。在圖七中顯示了一臺一般車輛的初始幾何外型，其優化處理將會著重在車輛的尾部。
圖七：在優化循環中使用的初始幾何形狀。
其想法是利用ANSA中的變形功能，并利用LS-OPT得到的一些參數來改變幾何形狀，圖八中展示ANSA中的變形框以及在LS-OPT的優化循環中修改的參數。
圖八：變形框以及參數。
其中一個使用LS-DYNA來做優化處理的優勢在于體網格是在其運行時才被建立，所以只需要將車輛表面進行變形即可，大大的簡化了優化的程序。將體網格變形是一個費時以及較不可靠的做法，尤其是當邊界層網格被使用時。最終得出的預測與結果如圖九所示。
圖九：LS-OPT的預測以及結果。
新開發
在這一節中，將簡要地介紹目前新開發的一些功能，這些功能目前還不是LS-DYNA發行版的一部分，不過測試版本預計會在今年釋出。
周期性邊界條件
周期性邊界條件常被使用在數值模擬方法上，可以藉由只仿真一小部分的區域來表示大型區域的仿真結果，這種邊界條件被大量地使用在旋轉系統中，例如渦輪機械。在實現上使用了線性約束來確保流場在周期性邊界條件上的連續性以及守恒性。圖十為一個周期性邊界問題的設置范例。
圖十：周期性邊界條件的問題設置，值得注意的是，周期性邊界條件上的網格不需要是匹配的。滑移網格
滑移網格是一個可以在不需要網格重劃的情況下仿真瞬時旋轉系統的技術。當滑移網格被使用時，通常仿真區域會被分開成至少兩部分的體網格：一個網格含有旋轉的部件，其他網格則是包含剩下的區域，而在這兩種體網格間的界面即是滑移網格。所有的區域將同時求解，并利用線性約束來鏈接滑移網格。 圖十一顯示滑移網格的一個應用范例。
圖十一：滑移網格應用范例，黑線的范圍表示旋轉以及其他區域間的接口。
沉浸界面
沉浸接口法使用了不貼合邊界的網格，簡化了復雜邊界形狀的前處理過程。其目的在于根據在模型中不同部分的流場性質，結合使用沉浸接口以及貼合邊界的網格。這個新方法根據的是非連續有限元近似，可處理尖銳接口且允許結構互相接觸。圖十二顯示的是凸輪泵問題，由于凸輪彼此互相接觸，若使用典型的網格重構方法是非常具有難度的，這是一個使用沉浸接口法的典型例子。
圖十二：此圖顯示的是凸輪泵的幾何形狀，左側放大圖中顯示了部件相互接觸處以及此處網格，右側為求出的速度場圖。
作者簡介
Facundo Del Pin, 博士畢業于加州伯克利大學，2008 年加入后，主要從事CFD功能的開發和研究。
I?aki ?aldichoury，碩士畢業于法國國家航空和航天研究所，專業為空氣動力學和飛行力學。2011年加入LSTC后，主要從事LS-980中的新功能模塊的可靠性測試和技術支持工作。
Rodrigo R Paz 博士畢業于阿根廷利托拉爾國立大學，其專業為計算流體力學以及平行運算， 于2013年加入LSTC之后，主要從事ICFD以及流固耦合計算功能的開發。
黃千榕 博士畢業于加州大學洛杉磯分校，專業為計算流體力學以及流固耦合，2017年加入LSTC之后，主要從事LS-DYNA在生醫問題上的應用與驗證以及技術支持工作。
