通过 Ansys Discovery 及其 2025 年新功能利用 CFD，通过 Computational Insights 应对 HVAC 行业的挑战。
挑战
HVAC 行业在设计高效可靠的管道系统方面面临多项挑战：
- 压力损失：设计不当的管道会增加能耗并降低热性能。
- 复杂的几何形状：弯曲、液络部、扩散器和过滤器会增加气流阻力，使准确预测变得困难。
- 传统限制：标准设计方法在处理复杂或非标准配置方面往往无法满足要求。
这就是计算流体动力学 （CFD） 作为改变游戏规则的工具发挥作用的地方。CFD 使工程师能够在构建物理原型之前很久就可视化气流行为、评估压力损失并优化设计。通过将实验数据与 CFD 仿真相结合，HVAC 行业可以更接近实现节能且具有成本效益的解决方案。
- 可视化：CFD 允许工程师分析气流、压力损失和湍流。
- 优化：无需昂贵的原型即可优化设计。
- 验证：将实验数据与 CFD 进行比较，可以获得更准确、更节能的解决方案。
工程解决方案
HVAC 行业采用各种技术进行设计。虽然手册中提供了实验数据，但进行实际测试通常既耗时又昂贵。基于简化流体力学方程的分析方法速度更快，但对于复杂的几何结构来说往往不准确。CFD 方法有助于克服设计挑战，同时推动 HVAC 行业的效率和创新。
方法
Ansys Discovery 提供先进的工具和功能来简化 CFD 仿真，从而提高效率和准确性。它有三种模式来完成设计：1） MODEL 是用于创建、修改或修复可以以不同格式导入的几何图形的 CAD 工具，2） EXPLORE 是实时物理 GPU 求解器，允许快速获得实时物理仿真结果，以及 3） REFINE 使用在 CPU 上运行的 Fluent 求解器以获得更高的保真度。下图显示了 Ansys 专家开发的示例。
一个突出的功能是其多面体网格划分支持，它将速度与精度相结合，同时减少了 GPU 内存的使用。此功能擅长捕获复杂的几何形状，例如薄结构和狭窄的流道，使其成为流体热传递、电子冷却和详细的流体控制设备分析等应用的理想选择。仿真驱动型设计的主要功能包括：
- 启用用于创建和修改几何体的直接建模。
- 提供与仿真和结果的实时交互。
- 允许为 CFD 分析高效准备几何体。
结果
像 Moffitt 这样的不同公司已经使用 Ansys Discovery 进行仿真。在本博客中，我们考虑下图所示的示例，该示例是在 Ansys Discovery 中创建的。这座小建筑有三个内部空间，并根据给定的要求设计了 HVAC 系统。这代表了整个 HVAC 系统的初始设计。CFD 分析可用于评估内部空间内的空气分布并评估管道设计。在此示例中，重点是后者，分析整个域的速度场和压力场。选择两个管道系统（进气和排气）。
Ansys Discovery 提供了各种用于修复和准备几何结构的工具。要定义风管系统中的流体域，请使用位于 （1） 准备选项卡下的“体积提取”工具。此工具使用户能够 （2） 选择包围区域的所有面，然后 （3） 选择体积内的面。结果是 （4） 一个新的体积，可用于应用边界条件的仿真。用户可以保留墙的几何形状，但将其排除在模拟之外。
对于进气系统，使用已知质量流率定义单个入口边界条件。或者，它可以设置为具有均匀剖面（垂直于边界）的入口速度，由组件定义，或设置为涡流。所有端部均设置为表压为 0 Pa 的出口。默认情况下，所有内表面都被视为具有无滑移条件的光滑曲面。工作流体是空气，在 20°C 时具有特性，引用自 Frank White 的《流体力学》第 7 版的表 2。
最近，Ansys Discovery 推出了一项新功能，允许用户在 EXPLORE 模式下可视化和控制网格创建。网格是根据像元大小生成的，而像元大小由全局和局部保真度值决定，而不仅仅是保真度条。用户可以使用剖切面查看整个网格以及横截面积。此平面将显示在树中，并且可以使用 Move Tool 重新定位。此外，自 2024R2 以来，摩擦阻力计算得到了改进，精度更高，结果更可靠。该图说明了不同区域的不同网格分布。
处理时间从几秒到几分钟不等，具体取决于为计算过程选择的保真度级别（请参阅下表）和可用的硬件。作为参考，此演示是使用 NVIDIA T1000 （8GB） GPU 卡开发的。计算包括监测器的质量流量加权平均值和 k-w SST 湍流模型。速度和静态压力的结果可通过 'Direction Field' 工具获得。设计人员可以轻松评估设计的关键区域。该模型在所有表面上的局部保真度为 5 mm，可提供 9.07 Pa 的压降（使用更好的 GPU 卡求解）。这表明使用网格控制（全局/局部细化）的进步。
排气管道系统
排气管道系统的模拟遵循相同的过程。但是，在这种情况下，管道末端定义为表压为 0 Pa 的入口部分，而单个出口设置为指定的质量流量。结果揭示了系统多个区域的再循环，使设计人员能够评估作条件并优化几何形状，以实现合适的压降和均匀的气流分布。值得注意的是，可以在不同温度下使用不同的流体和特性，以及不同的入口或出口速度或质量流速进行分析。
老用户都知道，Ansys Discovery可以使用粒子实现流动可视化，从而更清晰地了解域内的3D流动模式。此功能可通过结果功能区中的 'Particles' 工具获得。但是，最新版本引入了使用多个发射器的功能，允许用户跟踪来自特定区域的流动轨迹，例如本例中的每个入口。该工具还包括用于调整粒子大小、速度和可变范围的选项。
Ansys 解决方案的优势
Ansys Discovery 是一款功能强大的交互式仿真工具，它彻底改变了工程师进行 3D 建模、设计和分析的方式。通过将直接建模技术与实时仿真功能相结合，它简化了从几何体创建到深入物理探索的整个工作流程。借助Ansys Discovery，用户可以无缝定义和修改仿真、优化拓扑并轻松评估多种设计变体。该平台支持结构、流体流动、热和电磁仿真，为更快的数据驱动型决策提供即时见解。
Ansys Discovery专为效率和创新而设计，分为三个阶段：1） MODEL，用于直观的3D几何创建;2） EXPLORE，用于实时分析和快速设计迭代;3） REFINE，用于由 Ansys Fluent 和 Ansys Mechanical 求解器提供支持的高保真仿真。无论是完善概念还是解决复杂的工程挑战，Ansys Discovery 都使工程师能够突破设计和性能的界限。一些相关研究如下：
参数研究
- 参数扫描是一种同时评估多个设计选项的强大方法，可以深入了解不同配置之间的权衡。通过分析几何结构或物理输入参数的变化如何影响结果，工程师可以优化他们的设计并确定适合其项目的最佳解决方案。借助 Ansys Discovery，此过程可实现自动化，使用户能够高效地修改几何或仿真参数。
优化
- 无论您是使用云连接的突发计算加速设计探索，还是使用 optiSLang 无缝优化设计，这些最新的增强功能都能使工程工作流程比以往任何时候都更快、更直观。有关 这些主题的更多信息，请访问专用网站。
- Ansys Discovery 现在具有突发到云功能。 这支持数百个同步 GPU 仿真，以实现快速设计探索。这项新服务将参数研究速度提高了 100 倍或更多，使用户能够在短短 10 分钟内运行 1000 次仿真，而不会占用本地资源。
- 新的 optiSLang 插件。 它将 Discovery 项目与 optiSLang 无缝连接，实现设计优化流程的自动化并增强数据分析。它在 Discovery 中添加了一个自定义功能区，其中包含用于创建 optiSLang 项目和导出结果以进行后处理的工具。Discovery Add-In： optiSLang 指南中提供了安装说明。
