作者：西门剑客之CFDer
转自公众号：STAR CCM Online
发表日期：2019-12-02
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今年11月18日~22日，在拉斯维加斯举行的西门子工业软件Converge2020大会上，全球的西门子工业软件的员工汇聚一堂，学习、交流、分享西门子产品在各个国家、各个行业的成功应用。作为全球最大的工业软件供应商，西门子工业软件提供了最全、最强大的工业领域信息化解决方案，涵盖了从产品设计、生产制造、运行维护以及云端数据传递的综合解决方案。其数字双胞胎（Digital Twin）概念将会在工业4.0方案中助力厂商以更低廉的成本、更快的产品研发周期、更个性化的产品设计方案，在更激烈的竞争中胜出。本文主要针对航空发动机\燃气轮机工业领域，探讨及分享STAR-CCM+在国际市场上的最新应用以及未来的发展方向。
图1 全生命周期数字双胞胎
仿真对于航发\燃机工业的价值毋庸置疑，据美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）2002年发表的研究报告表明，综合考虑F100，F404，F414和F119发动机的研发情况可以得出，一个发动机研发项目理论上需要10年周期，15亿美金研制经费，以及14台整机试车用发动机，试验时数长达11000多小时。采用先进的设计仿真工具，可使总试验时数减少到7000多小时，减少约30%（参见表1），相应的，用于试验的发动机整机数量从14台减少到9台，研制经费也可从15亿美元减少到7亿美元，降低幅度高达50%（参见表2）。
CFD作为仿真领域的重要分支，在燃气轮机设计中扮演重要角色，典型应用如图2所示。通过对整机、部件或系统等的高精度、高保真的数值模拟，深化对燃气轮机内部运行物理规律的认识，提前发现设计缺陷、故障风险，大幅提高研制效率和质量，减少实物试验反复，降低研制风险和成本，加快研制进程。
图2 STAR-CCM+在航空发动机上的应用
2014年，NASA经过大量的调研，形成了一份综述报告，对CFD技术在未来15年内，即到2030年时的能力进行了分析和预测，详细技术发展路线如图3所示。其中TRL（Technical Readiness Level）代表技术成熟度，由低到高分别用红、黄、绿色表示。
图3 CFD 2030 Vision 技术路线
简单总结该技术路线图的主要结论，主要分四个大的方向：
1.1 HPC能力
CPU浮点运算能力将从千兆级提升至百万兆级别。众所周知，CFD是传统CAE计算中最耗资源的一个分支，特别是与燃烧相关的CFD计算，大规模并行计算能力的提升让机动飞行过程中的非稳态整机CFD仿真（包含燃烧）成为可能；此外基于GPU的CFD计算将在2030年长足发展。
1.2 物理模型
到2030年，RANS方法可能仍然是工程界最主流的分析手段；Hybrid RANS/LES方法将快速发展，近壁简化技术逐渐成熟，具备应对复杂几何的能力，在诸如高升力、噪声计算等方面广泛应用；大涡模拟技术逐步发展，具备对适当雷诺数的复杂几何进行仿真分析能力；值得注意的是计算燃烧学单独被列为一个专题，与大涡模拟技术的结合使整机级别的燃烧仿真成为现实。
1.3 几何与网格
MBSE是工业界发展的大趋势，因此要求CFD与CAD的结合更加紧密，参数化模型未来会成为行业通用准则；并行网格技术长足发展，缩短网格时间，为高保真度仿真提供基础；自适应网格技术大规模应用。
1.4 MDAO（Multidisciplinary Design, Analysis, and Optimization）
CFD与其他学科（FEA、热、电磁、噪声、光等）交叉应用增加，优化技术广泛应用于CFD分析。
STAR-CCM+软件的设计理念借鉴了CFD Vision 2030，每年推出三个版本更新及时采纳学术界及客户需要的新模型及技术，使STAR-CCM+成为国际上燃机领域主流的CFD工具，在Converge2020发布了最新的行业应用案例短片，覆盖压气机、燃烧、涡轮（透平）。
2.1 HPC能力
STAR-CCM+ Power Session提供无限并行处理能力，是全球第一款能够支持10亿网格和10万核并行求解的商用CFD软件（2015年数据）。图4展示利用西门子H级燃烧室测试STAR-CCM+2019版本并行效率的结果，该测试计算采用LES大涡模拟方法，FGM燃烧模型，网格总数6.9亿，可以看出在4600核数以下基本能保证线性加速，在18000核数上能够达到85%左右的并行效率。
图4 STAR-CCM+并行计算效率测试
2.2 物理模型
STAR-CCM+的湍流模型非常丰富，覆盖RANS、DES、LES，如图5所示；燃烧模型主要分为两条大的技术路径：组分输运（Species Transport），该模型起源于Magnussen和Spalding教授于20世纪70年代初提出“涡破碎”湍流燃烧模型，把燃烧学基本概念、计算流体力学方法和燃烧室的工程设计有机地结合起来，开辟了研究燃烧理论及其应用的新途径。Flamelet方法的核心是预先建立起温度、组分与特征变量的火焰数据库，燃烧计算过程中，只需求解特征变量的偏微分方程，再根据火焰数据库反推出温度、组分分布，由于求解方程减少，因此大幅降低了燃烧计算量。根据火焰类型，该方法又可以细分为适用于扩散燃烧的Steady Laminar Flamelet（SLF）及适用于预混燃烧的Flamelet Generation Manifold（FGM），见图6。
图5 湍流模型汇总
图6 燃烧模型汇总
2.3 几何与网格
STAR-CCM+一直是业界网格技术的领军者，其核心技术多面体网格引领了业内技术发展趋势。多面体网格由于正交性较好，体积过渡光滑，能够刻画复杂几何的全部细节，最大程度保留几何完整性。它既具有和六面体网格相近的精确度，也具有和四面体网格一样易于自动化生成的特点，此外数量仅为四面体网格的20%~40%。
对于燃气轮机叶片冷却问题，STAR-CCM+自动生成流体边界棱柱网格、固体薄壁网格，且节点一一对应，利用高精度流固共轭换热算法，在不进行插值的情况下精确计算热传递，具备同时求解叶片空气动力学、内部冷却、叶片固体温度的能力。
图7 四面体与多面体对比及节点对应流固交界面
2.4 多学科设计及优化
STAR-CCM+软件开发之初就充分考虑了多学科交叉应用，CCM为Computational Continuum Mechanics的简称，软件包含丰富的多物理场模型，进行连续介质模拟，如图8所示。
图8 STAR-CCM+的多学科综合解决方案
2017年发布的STAR-CCM+12.04版本首次推出Design Manager设计管理器，内嵌SHERPA优化算法，可以完成设计扫掠、DOE分析、随机分析、单目标优化、多目标优化等功能。可用于设计探索和优化的变量包括CAD几何外形、运动规律、网格值、边界条件、用户自定义函数等。
川崎重工采用Design Manager创新的对透平叶片冷却孔进行参数化建模、CFD仿真、优化分析，采用SHERPA算法自动探索设计空间，最终提升200%冷却效率。
图9 川崎重工Nakomimi冷却孔设计优化案例
正是依靠上述技术优势，STAR-CCM+在全球范围内赢得了大量燃气轮机客户，包括西门子、三菱重工、P&W，RR，Honeywell等业界巨头；而在中国市场上，中国重燃、东方、杭汽、中国航发606所等公司已开始使用STAR-CCM+进行仿真分析，在行业内的知名度还是有限，通过本文也想让更多的中国用户了解、并开始尝试使用STAR-CCM+开展仿真分析。
转自网易云：一支穿云箭，千军万马来相见。
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