产品
随着计算机性能的发展，大规模仿真和复杂模型的计算效率得到大大提升，因此多物理场耦合技术也越来越多的应用在产品设计的过程之中。对于仿真工程师而言，掌握多物理场仿真的基本方法，已经成为技术发展的一个主旋律。
对于不同的物理场耦合问题，我们通常需要采用不同的数值耦合方式进行仿真。如下图所示，对于常见的多物理场仿真计算，主要根据耦合的强弱程度分为四个计算场景：单向耦合（顺序耦合）、双向显式耦合、双向隐式耦合、完全耦合。
图 1 多物理场耦合的几种场景
对于物理场景中耦合需求并不强烈的问题（比如共轭换热产生的热应力，或者小形变问题等），我们都应该采用单向耦合，或者叫顺序耦合。这一类耦合技术的特点是仿真计算结果的输出与加载带有明显顺序性；同时，单向耦合计算也都默认这一规则：下游的仿真计算结果不会对上游的计算产生任何影响。
CFD仿真应用专题
对于CFD仿真工程师而言，最常见的单向耦合计算技术就是Fluent软件中的压力基求解器，不管是分离求解（Simple）还是耦合求解（Couple），压力基求解器总是先计算流动方程，再计算能量方程。当材料属性或者边界条件和温度无关时，我们甚至可以认为温度的分布情况根本不会影响流动的计算结果。这也算是广义上的多物理场单向耦合计算，只不过该场景仅在单一软件中就能够实现。
图 2 压力基求解器中的顺序求解
接下来我们就会遇到稍微复杂一些的单向耦合技术，流固热耦合计算。这一类问题是在上述案例的基础之上进行的扩展，首先由Fluent软件计算得到流体和固体区域的全部温度情况，随后再通过Workbench将整个固体区域的计算结果加载到Mechanical软件中，作为载荷用于后续的热应力计算。这一类问题是典型的单向流固耦合算例，传递的载荷可以是温度，也可以是压力（分布）或表面对流换热系数。
图 3 Fluent计算得到的结果直接加载到Mechanical
当然，单向多物理场耦合技术也可以扩展到包含电磁仿真的耦合计算中。比如在下图所示的两种常见多物理场耦合场景中，都采用的是典型的单向（顺序）耦合计算方法。
图 4 常见的电磁-流体-结构耦合仿真
对于电子设备行业中的工业品，通常我们能够进行严谨的多物理场单向耦合计算，从而有效的提升仿真计算精度。通过电磁学的Siwave软件可以计算得到分布式的发热功率，这些内容的数值是根据电子产品的工作情况、导线的布置情况以及实际的电磁环境所决定的。随后软件将分布式发热功率加载到Icepak热管理软件中，能够得到对应工作状态下的温度分布。最后，再将温度计算的结果导入到Mechanical软件中作为载荷，来计算电子设备的热应力及形变情况。
在实际的产品设计与仿真工程中，电子元器件计算通常只包含单向耦合技术，因为下游的计算结果不会对上游的仿真有太多的影响。比如Icepak在计算温度的时候，不需要考虑热应力带来的变形情况，因为这个形变数值过小，对流场计算几乎没有任何影响。此时，如果强行考虑双向耦合技术，只会带来计算量上的增加，结果几乎不会有任何变化，这从CAE仿真设计的角度是效率低下的表现，通常应加以避免。
同样的道理，在电机行业的工业品仿真计算过程中，我们也可以采用这种完全的顺序单向耦合计算来描述多物理场共同作用的仿真场景，首先通过Maxwell软件计算得到电机各个部件的损耗（发热）结果，随后将该发热功率以一种能量源项的方式加载到Fluent中，再计算得到准确的温度分布结果，最后和上面电子设备计算的场景类似，可以通过Mechanical软件计算得到电机热应力与变形的情况。
除此之外，还有很多单向耦合计算的场景，比如电磁与结构的耦合场计算，电磁力作为载荷来计算结构强度、刚度、振动与模态等变量；或者是声学仿真的耦合计算，由CFD工具计算得到气动噪声带来的声压变化（傅里叶变换），并作为载荷来计算结构模型的谐响应情况等。
图 5 气动噪声与结构分析的耦合计算
结合上文中的分析，我们可以发现单向耦合计算具有较为广泛的应用场景，主要原因有两点，一是单向耦合计算求解架构简单，易于上手，能够快速将多物理场联合仿真的思路应用到各个行业的产品设计之中；二是计算规模适中，通常的单向耦合计算仅为多个物理场计算过程的简单叠加，不需要额外的迭代与循环。相比之下，双向耦合的计算规模就要远远大于单向耦合，因此难以应用在过多的产品设计之中。
当然，单向耦合计算也存在一定不足，那就是当下游数据反过来对上游结果产生较大影响时，无法保证计算精度。比如上面提到的电机行业，不同温度下，绕组线圈的电阻数值是有较大差异的，这时如果采用单向耦合，Maxwell计算所用到的电阻值，就只能在均匀温度分布的假设条件下开展仿真，这样就会在某种程度上造成计算精度的损失。因此，是否在仿真计算过程中采用单向耦合技术，还需要进行综合考量。
免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删
155-2731-8020
