ESI 计算流体动力学和多物理场解决方案

　　一、概述

　　1.宽广的应用领域

　　如何在提供高质量产品的同时缩减研发和上市时间，是目前生产商所面临的普遍问题。通过在设计过程中使用ESI集团提供的CFD-ACE+产品包，用户可以准确地预测和优化CFD仿真，从而取得竞争优势。CFD-ACE+的解决方案覆盖了几乎所有的工业应用范围，在全世界拥有超过400家机构和600所大学用户。特有的高级耦合求解功能使得CFD-ACE+成为理想的CFD相关问题解决方案，轻松解决从最简单的热传导问题到最繁杂的多物理场耦合问题。

　　2.真实世界的仿真解决方案

　　CFD-ACE+是一款通用的CFD(计算流体力学)及多物理场求解器，被广泛地应用在多学科计算领域内。问题中涉及到的0维~3维、稳态或者瞬态偏微分方程都可以得到求解。对于复杂的多物理场、多学科耦合问题，CFD-ACE+是市场上最适合的解决方案，再加上并行求解功能，CFD-ACE+能　　够更加快捷地解决复杂问题。

　　除此以外，还有节约成本的集团化解决方案，可以方便地将CFD-ACE+独有的模块化设计应用到集团中的不同学科和部门中。

　　3. CFD-ACE+ 的优势

　　◎利用真实的多物理场模型，在产品设计周期的早期阶段做出关键的设计决策;

　　◎快速而一致地使用所含仿真管理工具将流程自动化;

　　◎工业尺度多物理场功能能够表现全部产品的复杂性，从而细化和优化设计;

　　◎VisCART网格划分解决方案，可以将复杂几何网格的划分时间从几周缩减为几小时，而且几乎无需经验;

　　◎以更少的时间专业化地显式最终结果并进行演示，能够使设计师与上下游用户进行更有效的沟通;

　　◎通过iPhone 或iPod Touch，可以在任何时间和地点进行仿真交互。

　　二、最全面的多物理场求解器

　　ACE+产品包是世界众多企业和机构所采用的工程设计和分析工具，用来满足日益增长的复杂CFD和多物理场仿真挑战。它覆盖了广泛的行业领域，如交通运输和能源(燃料电池和普通电池)，而且还有一些专门应用，包括车辆空气动力学、空调(气候控制)、热管理以及发动机仿真等。而且，ACE+产品包可以在所有计算机硬件/软件系统上使用，它也被用于在高性能工作站和PC集群上进行并行计算，如图1所示。

　　CFD-ACE+，是ACE+包的基础，模块化和可扩展的结构提供给客户一个高度灵活的功能和成本选择。CFD-ACE+包括最先进的树脂和物理模型以及高级的前后处理模块，支持所有的网格技术，包括多块结构化网格、一般多面体非结构化、任意界面、移动和变形网格。CFD-ACE+支持大多数常用计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和电子设计自动化(EDA)数据格式。此外，CFD-ACE+提供了包括流动、传热和湍流的基本包，其他优化的行业包还包括生物技术、等离子、半导体、MEMS、航天和燃料电池。

　　CFD-ACE+：完整的多物理场耦合求解工具包，提供从网格划分到最终求解结果的紧密集成环境，如图2所示。

　　1.CFD-GEOM

　　CFD-GEOM是功能全面的建模和网格生成器，如图3、图4所示。

　　◎输入格式：CAD 数据或者第三方网格信息，包括SAT、IGES、NASTRAN、DXF、PLOT3D和STL 等格式;

　　◎输出格式：全面集成的DTF通用数据文件，包含几何、网格和边界条件等信息;

　　◎支持NASTRAN、SAT和STL等兼容几何文件格式。

　　2.CFD-ACE+ 图形用户界面

　　多物理场问题设置的专家系统，包括：

　　◎输入格式：来自CFD-GEOM 的集成DTF 文件、第三方几何文件，包括NASTRAN、PATRAN、Plot3D和CGNS 等格式;

　　◎输出格式：DTF 整合仿真数据格式。

　　3.CFD-ACE+ 求解器

　　◎输入格式：本地DTF文件输入、第三方软件模型;

　　◎输出格式：DTF通用数据文件，包含计算结果信息;

　　◎多物理场耦合求解能力。

　　4.高度可扩展的模块化结构

　　CFD-ACE+可以应用在几乎所有行业内。软件高度的模块化可扩展设计，使CFD-ACE+在功能性和成本上有着极高的灵活性。

　　5.通用偏微分方程求解器

　　CFD-ACE+是一款通用的偏微分方程求解器，应用范围十分广泛，包括流体、传热、应力/变形、化学动力学、电化学、生物化学、静电、电磁学、微电子以及生物科技等学科范围内的问题，都可以单独或者耦合求解。求解的适用范围可以从0维到3维，稳态和瞬态均可。CFD-ACE+还提供了直接蒙特卡罗(DSMC)功能，用于求解于大Knudsen数的特殊流动问题。

　　6.CFD-VIEW

　　先进且易用的可视化后处理工具，如图5和图6所示。

　　◎输入格式：DTF 通用文件;

　　◎彩色等值线图、云图和矢量图;

　　◎动态演示、动画制作;

　　◎输出各种图片图像格式;

　　◎输出各种通用第三方后处理器格式。

　　三、典型应用

　　1.半导体工艺

　　ICP(感应耦合等离子)半导体反应器全局仿真：CFD-ACE+ 独有的电磁—等离子—电化学反应耦合求解功能，使它能够对极其复杂的各类CVD、PECVD半导体加工工艺过程和设备进行全面而精确的仿真，如图7所示。从而能够帮助设计和加工人员掌握设备内的各种物理参数分布，优化设计，改善设备的工作状态。

　　光刻法动态仿真：对于各种半导体淀积、蚀刻工艺过程，CFD-ACE+使用先进的特征标度法，结合加工设备内物理参数环境，精确地计算出每一时刻半导体材料表面的形状变化，从而对半导体设计的实际工艺成果提出有价值的预测和评估，如图8所示。

　　2.流固耦合

　　气弹：CFD-ACE+ 通过对外流和机体结构变形的耦合计算，能够轻松处理静气弹、动气弹问题。

　　旋转机械：使用旋转坐标系方法，CFD-ACE+ 在处理旋转机械中流动问题的同时，还能计算出叶片、机匣等结构的受力和变形状况，如图9所示。

　　3.燃烧推进

　　航空喷雾燃烧室仿真：CFD-ACE+整合了先进的流体、湍流、传热、热化学反应以及多相流动求解功能，可以从容应对各种航空航天发动机的仿真工作，如图10和图11所示。

　　化工反应炉仿真，如图12所示。

　　4.MEMS

　　MEMS 是细微而精密的机械—电子系统，其一大特点就是在小尺度的空间范围内有多种物理现象相互作用，包括流体、结构和电磁等，如图13和图14所示。对于这一类系统，CFD-ACE+提供了从设计到建模到全面仿真的完整解决方案。

　　5.生物科技

　　DNA检测生物芯片微流体仿真，如图15所示。

　　6.燃料电池

　　CFD-ACE+独有的多孔介质电化学求解能力，使它能够对各种类型的燃料电池做出精确而全面的仿真，如图17所示。

　　7.交通运输

　　ACE+提供了完整的交通运输应用交互分析包，用于解决行业面对的最富挑战的问题，如图18~图21所示。

　　◎发动机热分析：瞬态和稳态温度;防热罩;混合—电池和发动机控制冷却。

　　◎空气动力学：外部空气动力学;利用 Adjoint 求解器在设计阶段进行优化。

　　◎发动机：发动机空气流动;排气;涡轮增压器性能;火花塞;混合——燃料电池和普通电池;除霜。

　　◎舒适性：乘员温度;管道流动。