Cadence Fidelity CFD：小汽油机设计效率的‘神器’

中国内燃机工业协会小汽油机分会 2022 年年会于 11 月 3 日 - 4 日在重庆召开。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 7,000 万台左右；中国 3,967 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，在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。

关于 Cadence

Cadence 在计算软件领域拥有超过 30 年的专业经验，是电子系统设计产业的关键领导者。基于公司的智能系统设计战略，Cadence 致力于提供软件、硬件和 IP 产品，助力电子设计从概念成为现实。Cadence 的客户遍布全球，皆为最具创新能力的企业，他们向超大规模计算、5G 通讯、汽车、移动设备、航空、消费电子、工业和医疗等最具活力的应用市场交付从芯片、电路板到完整系统的卓越电子产品。Cadence 已连续八年名列美国财富杂志评选的 100 家最适合工作的公司。如需了解更多信息，请访问公司网站 cadence.com。

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