ICFD
ICFD的近期与未来发展摘要
Facundo Del Pin, Iñaki Caldichoury, Rodrigo R. Paz and 黄千榕Livermore Software Technology Corporation
摘要不可压缩流(ICFD)求解器自从在R7版中开始发行之后，在功能上持续的迅速改进与增加。这篇文章提供了ICFD新的发展摘要，并聚焦在三个主题：首先是加入稳态解求解器与流固耦合或共轭传热问题耦合的能力；第二，对于在形状优化上结合ICFD与LS-OPT将有简短的介绍，主要构想是利用LS‑OPT结合ANSA将表面网格变形并提供优化的解；最后，还简单介绍了一些当前的新发展，例如沉浸接口、周期性边界条件、滑移边界等等，这些近期发展将会在未来LS-DYNA的发行中出现。
简介在过去几年中，多物理耦合分析的需求一直处于稳定的成长，于是许多商业求解器在急于提供解决方法的同时，其僵硬的实现方式也成为了负担。因此，一开始只为了单纯计算流体力学问题所设计的程序，须面对将所得解与其他求解器，有时还可能是来自不同发行商的求解器，相连结的挑战，这往往会造成不同计算器之间的协同仿真过程非常麻烦，同时也增加了工程师进行耦合计算时的负担。
LS-DYNA中的ICFD模块一开始就被设计为一个可以提供准确性以及具有可扩展性之流体力学计算的多物理求解器，同时，可以简单地与LS-DYNA其他物理模块整合起来。ICFD持续的发展重心放在了与新模块整合、耦合算法的改良、计算效率的增进、以及考虑到非计算流体力学或固体力学背景的使用者，其耦合计算时，步骤也非常简单。
在这篇文章中，将会展示一些在耦合问题实现上的新进展，尤其是使用稳态解的优势将会被探讨，在一些问题中若是可以将准确性维持在合理范围，使用稳态纳维‑斯托克斯解或是稳态位势流解将可以大幅度的减少快速成型的成本。LS‑DYNA所具有将稳态计算流体力学的解流畅地转移至结构力学计算的能力，可以大大减少解决非线性问题的成本以及复杂性，类似的概念可以被应用在共轭传热分析当中。第二部分将会展示结合LS‑OPT、ANSA、LS‑DYNA来解决一个简单却有价值的车辆形状优化问题，用来改善下压力以及阻力的比率值。这篇文章的最后提到若干将会出现在未来发行中的新的功能，包含周期性边界条件、滑移网格、以及沉浸边界的开发。
稳态解与多物理耦合在耦合问题中，最大的复杂度之一是非线性效应，往往造成可扩展性减少以及计算成本的增加。非线性耦合具有高度复杂性，需要在深度了解背后的物理性质之后才能正确的将问题建模。但是，在某些类型的问题中或是产品设计过程的某些阶段，线性化提供了考虑到准确性、计算时间、以及模型复杂度之下一个良好的妥协。幸而LS-DYNA皆具有非线性与线性的分析工具，在这一节中，我们将着重在一个可以被应用在流固耦合分析或共轭传热分析的线性化之耦合方法，它发生在当流体力学的求解器计算得出稳态下的力、速度和温度通量分布之后，在同一个运行中，将物理量场流畅地传递到结构力学求解器的部分。并且，若使用关键词*ICFD_DATABASE_DRAG，用户可以将流场信息存储在LS-DYNA格式的档案中，并且在结构模型中利用这个档案将流场信息导入，如此一来在不用实际额外执行流体的计算之下，流场的信息可以被反复使用，这个特点在进行结构模型、材料特性、厚度等参数调试时，非常有利用价值。下面两个例子显示将上述功能应用在流固耦合以及共轭热传问题的情形。
流固耦合在地面车辆上的应用
第一个例子是地面车辆车顶盖在流场影响下变形的流固耦合分析，其模型显示如图一。
图一：研究车顶盖结构受流场影响下变形的车辆模型。
这个问题利用了三种不同的方法解决。第一个方法利用非线性瞬时流固耦合分析，其中固体结构与流体求解器利用强耦合连结，并且以隐式法求解，这个方法是三种方法中比较准确的耦合方式，其解应被视为是参考解。第二个方法先使用稳态位势流求解器，随后利用位势流求得的压力场，求取非线性结构解。使用位势流求解器隐含着流场贴近边界和流场为层流的假设，但是事实上，在这个问题中流场并非层流，但是仍是贴合边界的，所以所得出的压力场可以预期和纳维‑斯托克斯解的差别仍在合理范围之中，因此可以接着被使用在结构位移的预测中。第三个方法则将非线性耦合分析求得的结构受力，以结构模型中的负载段存取到LS-DYNA的输入文件。因此只要将这个文件包包含在固体结构的输入文件中，使用者可以运用之前耗时的非线性分析所得出的力场，仅运行结构分析，这不但加快了计算速度，并且可以让工程师轻松地改变并测试他们的设计，直到模型准备好进行下一次新的非线性分析。图二中显示了使用位势流以及纳维‑斯托克斯求解器的速度场比较。
图二：位流以及纳维‑斯托克斯的速度场比较。
车辆的顶盖是我们感兴趣的区域，图三显示了利用上述三种方法所得到的结果，可以观察到三个方法都得出了非常相似的位移场，需要指出的是，虽然第三种简化方法的准确度相对较差，但其所需的运行时间很少，用户可以在对其具体问题的准确度要求和计算时间之间进行权衡之后，选择一种合适的耦合方式。
图三：同分析方法的结构位移分布以及所需计算时间。
冷却问题分析
第二个例子是一个共轭传热问题，流体被用来冷却冲压模拟中的模具。模型的设置如图四所示。
图四：冷却仿真所使用的模型。
在冷却问题中，在模具的管路中流动的流体具有比模具更低的温度，当流体流经管路时，它被慢慢地加热，同时冷却模具。因为没有热源，流体和模具最终会达到相同温度，即为流体流入的温度。流体的流速在维持管路中适当的温度分布上扮演了一个重要的角色，图五显示利用纳维‑斯托克斯方程以及比特流解出的速度分布比较，最大的差异发生在角落以及流场中剥离/再循环的区域。
图五：利用纳维‑斯托克斯方程以及比特流解出的速度分布比较。
图六显示了利用纳维‑斯托克斯以及位势流求解器得出的温度分布比较，可以看出两者符合程度非常高。
图六：利用纳维‑斯托克斯以及位流求解器解出的稳态温度分布比较。
使用LS-OPT进行形状优化
与ICFD相关的近期成果之一是使用LS-OPT以及网格组件ANSA(BETA-CAE发行)进行形状优化。其构想是修改初始几何形状来优化一个泛函。举例来说，在地面车辆空气动力分析中，车辆的几何形状被调整，直到下压力与阻力的比率达到最大值。在图七中显示了一台一般车辆的初始几何外型，其优化处理将会着重在车辆的尾部。
图七：在优化循环中使用的初始几何形状。
其想法是利用ANSA中的变形功能，并利用LS-OPT得到的一些参数来改变几何形状，图八中展示ANSA中的变形框以及在LS-OPT的优化循环中修改的参数。
图八：变形框以及参数。
其中一个使用LS-DYNA来做优化处理的优势在于体网格是在其运行时才被建立，所以只需要将车辆表面进行变形即可，大大的简化了优化的程序。将体网格变形是一个费时以及较不可靠的做法，尤其是当边界层网格被使用时。最终得出的预测与结果如图九所示。
图九：LS-OPT的预测以及结果。
新开发
在这一节中，将简要地介绍目前新开发的一些功能，这些功能目前还不是LS-DYNA发行版的一部分，不过测试版本预计会在今年释出。
周期性边界条件
周期性边界条件常被使用在数值模拟方法上，可以藉由只仿真一小部分的区域来表示大型区域的仿真结果，这种边界条件被大量地使用在旋转系统中，例如涡轮机械。在实现上使用了线性约束来确保流场在周期性边界条件上的连续性以及守恒性。图十为一个周期性边界问题的设置范例。
图十：周期性边界条件的问题设置，值得注意的是，周期性边界条件上的网格不需要是匹配的。滑移网格
滑移网格是一个可以在不需要网格重划的情况下仿真瞬时旋转系统的技术。当滑移网格被使用时，通常仿真区域会被分开成至少两部分的体网格：一个网格含有旋转的部件，其他网格则是包含剩下的区域，而在这两种体网格间的界面即是滑移网格。所有的区域将同时求解，并利用线性约束来链接滑移网格。 图十一显示滑移网格的一个应用范例。
图十一：滑移网格应用范例，黑线的范围表示旋转以及其他区域间的接口。
沉浸界面
沉浸接口法使用了不贴合边界的网格，简化了复杂边界形状的前处理过程。其目的在于根据在模型中不同部分的流场性质，结合使用沉浸接口以及贴合边界的网格。这个新方法根据的是非连续有限元近似，可处理尖锐接口且允许结构互相接触。图十二显示的是凸轮泵问题，由于凸轮彼此互相接触，若使用典型的网格重构方法是非常具有难度的，这是一个使用沉浸接口法的典型例子。
图十二：此图显示的是凸轮泵的几何形状，左侧放大图中显示了部件相互接触处以及此处网格，右侧为求出的速度场图。
作者简介
Facundo Del Pin, 博士毕业于加州伯克利大学，2008 年加入后，主要从事CFD功能的开发和研究。
Iñaki Çaldichoury，硕士毕业于法国国家航空和航天研究所，专业为空气动力学和飞行力学。2011年加入LSTC后，主要从事LS-980中的新功能模块的可靠性测试和技术支持工作。
Rodrigo R Paz 博士毕业于阿根廷利托拉尔国立大学，其专业为计算流体力学以及平行运算， 于2013年加入LSTC之后，主要从事ICFD以及流固耦合计算功能的开发。
黄千榕 博士毕业于加州大学洛杉矶分校，专业为计算流体力学以及流固耦合，2017年加入LSTC之后，主要从事LS-DYNA在生医问题上的应用与验证以及技术支持工作。
