Cadence Fidelity CFD大幅提升“小汽油机”设计效率

集微网消息，11月4日，中国内燃机工业协会小汽油机分会2022年年会在重庆召开，会议围绕中国小汽油机行业现状及发展趋势、国内外政策形势及展望、标准化工作、自主品牌建设、数字化转型、行业共性热点问题等展开互动交流和专题研讨，本次年会专门设置的CFD分会场上，Cadence（楷登电子）推出的Fidelity CFD解决方案占居“C位”，获得与会业界人士广泛好评。

“小汽油机”分会拥有180余家会员单位，集合了以小汽油机动力为主，以泵、发电机，高压清洗机，风扇等配套厂商为辅的庞大群体。其产品包括发电机、发动机、割草机、清洗机、园林机械，微耕机，水泵等工业产品。去年全球“小汽油机”产品出货量7000万台左右；中国3967万台，其中大部分用于出口。由于对作业现场的极强适应性，在可预见的未来，其下游需求仍将长期保持旺盛。

不过随着碳中和、碳减排进程深入，“小汽油机”的减排增效日益成为紧迫问题，中国、美国、欧盟均相继推出“小汽油机”排放标准限值，为了满足越来越严格的排放法规，小汽油机产品设计也日趋复杂，除了化油器、空滤器、尾气后处理装置等部件的性能迭代，内燃机本身进气道、燃烧室设计也是不容忽视、甚至更为关键的优化方向。合理的设计可以有效提高缸内油气混合均匀性，改善燃烧质量，减少燃油消耗，降低污染物排放，而这样的设计优化，已经超出了传统气流运动测试实验方法所能实现的限度，CFD工具的应用可以说势在必行。

对于不少小汽油机厂商而言，亟需一套能够将前处理、求解、优化全流程先进工具结合在一起，统一Workflow，界面简单易用，可应对多物理场、不同集成级别仿真的CFD最佳实践。

在当天的CFD分会场上，Cadence针对小汽油机行业应用，展示了基于Fidelity软件平台的全套CFD解决方案。

根据Cadence专家现场介绍，Fidelity CFD解决方案具有高性能、高精度、多物理场仿真能力，内置求解器和自研算法为高性能计算量身打造，支持CPU/GPU异构加速，完善的功能模块使其可以将CFD几何处理、网格划分、数值仿真、性能评估、多学科多目标优化的全流程在一个平台、一个界面内实现无缝衔接，高度集成，打破了设计与仿真之间的隔阂，适合不同职能团队高效协同，助力厂商打造更好的工业产品。

在前处理环节，Fidelity CFD引入了多款Cadence独创的网格生成工具，例如：

Fidelity AutoSeal可以全自动、并行式极速完成洞缝搜索与几何密封；

AutoMesh/AutoGrid是叶轮机械网格划分的标杆产品，其特性包括基于模板式的自动分配拓扑结构、家族树形结构功能允许在一套设置下对多几何进行分析、以及精细的子午面、B2B和三维网格控制，从而可完成高质量的全六面体结构化网格生成，对并行计算架构的高效利用，使16核并行生成1亿网格仅需2分钟，极大减少产品研发周期；

AutoMesh/Hexpress面向非结构化网格高效划分需求，具备由体到面和由面到体的网格划分方式，可自由选择全六面体或以六面体为主的混合网格，支持几何清理功能，并具有简单易用的自动模式，可一次性生成流体-固体域网格，并支持高效并行计算架构。

值得一提的是，以小汽油机为动力的器械，往往在仿真中涉及到结构化和非结构化网格的混合，Fidelity CFD可以实现自动系统匹配，完成快速生成。

上述新工具对传统CFD前处理工作带来了重大革新，一直以来几何处理和网格划分等自动化程度非常有限，占据了CFD工程师约80%的工作时间，Fidelity CFD可以极大提高前处理效率。

Cadence方面专家透露，Fidelity CFD用于某款摩托车设计仿真，可以将原先两个星期的仿真时间压缩到两天。

在求解环节，Fidelity CFD引入了新一代求解器组合，针对可压缩流体仿真、不可压缩流体仿真、叶轮机械仿真、流动/振动噪声仿真、固体强度/变形仿真等不同场景进行优化，以DBS/PBS为例，这组高效多用途的通用CFD求解器可实现多相流、多孔介质、流热耦合、辐射、燃烧、流固耦合、空化、蒸发等多物理场仿真求解，并支持大规模硬件加速功能，而独特的非线性谐波法求解器，则兼具定常级的仿真速度和非定常级的仿真精度，在求解精度和计算资源消耗之间实现平衡，可助力提高仿真性能，在确保准确度的同时缩短研发周期，以更快的求解速度获得更高精度的预报结果。

而在优化环节，Cadence的Fidelity Optimization提供了一个独有的多学科高自动化优化平台，全自动化是其最大的特色和优势。

Fidelity Optimization采用先进高效的人工神经网络+遗传算法，内置功能全面的CFD循环程序链，用户无需自行编写繁琐的脚本文件，从参数化文件的生成、定义、建立代理模型、执行优化、验证的全流程中仅需人工进行一次干预即加载样本库定义优化目标，极为方便易用。可实现多学科、多工况、多目标优化，更为贴近工程实际应用需求。

在CFD分会场上，Cadence还分享了基于Fidelity CFD的叶轮机械气动设计、马达/发电机冷却设计解决方案，事实上，这也正符合“小汽油机”产业的转型升级需求，对于水泵、汽油发电机等集成小汽油机动力和叶轮机械部件的产品，更高集成级别的设计优化离不开叶轮机械的CFD优化工具，在这方面，Fidelity CFD同样具备强劲实力。

汽车巨头福特公司使用Fidelity CFD进行离心压缩机优化，在不降低气动性能的前提下，成功消除了背板局部的应力集中；

德国通风机厂商Ruck Ventilatoren GmbH通过Fidelity CFD调整流道和叶型，有效地消除了通风机静叶尾部存在的流动分离，提高了产品性能，并被稍后的试验数据所证实；

著名汽车品牌Renault通过Fidelity平台优化工具，在明显提高了设计点水泵效率的同时，也有效地拓宽了其工作范围；对于非设计点下的性能提升尤为显著。

随着Fidelity CFD的推出，Cadence向外界展现了向流体仿真、有限元计算（FEM）等更广泛系统设计领域拓展布局的意愿和能力。依托数十年来持之以恒的内部研发与外延并购，Cadence已成为电子系统设计（ESD）向智能系统设计(ISD) 进化的领导者，赋能从元器件到云的端到端系统设计全流程，陪伴系统厂商向新的数字化时代迈进。（校对/萨米）