高度な製品開発のための10の最高のCFD分析ソフトウェア

公開: 2021-09-14

CFD解析により、エンジニアは、流体の流れ、熱伝達、乱流、非ニュートン流体などに関する問題について、製品設計を視覚化、テスト、および分析できます。

このテクノロジーにより、組織やエンジニアは、事実上、いつでも、どのような状況でも、設計効率を簡単に計算できるようになりました。 その結果、時間、労力、およびお金を節約できます。

しかし、プロセスは以前はそれほど単純ではありませんでした。 シミュレーションやCFD解析が登場する前に、高価な物理テストが実際の問題を解決する唯一の手段でした。 これには、多くのリコールと失敗を伴うプロトタイプを使用した厳密なテストが含まれていました。

テストとは別に、設計を本番環境に移行するには、問題をすばやく修正する必要があります。 CFD分析ソフトウェアはこれを支援します。これについては、この記事で説明します。

それでは、始めましょう。

CFDとは何ですか？

数値流体力学（CFD）は、データ構造と数値計算を利用して、化学組成、密度、速度などの流体（気体と液体）の流れの問題を分析および解決する流体力学の一部です。

また、CFD解析を実行し、流体の流れの問題を解決するためのツールは、CFDソフトウェアです。 これにより、製品設計の初期段階から最良のフローコンセプトが使用され、さまざまな条件下でコンポーネントが効率的に機能できるようになります。

CFDを使用すると、液体-気体、流体-固体、または流体-流体の相互作用を含む複雑な流体の流れの問題を簡単に分析できます。 高度なソルバーを使用して、物理法則を偏微分方程式から代数方程式に変換し、それらを効率的に解きます。

エンジニアとアナリストは、コンピューターを使用してこれらの計算を実行し、自由に流れる流体とその表面との相互作用をシミュレートします。 洗練されたコンピューターやスーパーコンピューターを使用すると、最も複雑な問題でも、高速で正確なソリューションを取得できます。

CFDは、次のようなさまざまな分野で使用されます。

  • 航空機の空気力学、乱流/層流、圧縮性/非圧縮性流れ、翼型設計、回転機などをシミュレートする航空宇宙工学。
  • バッテリーシミュレーション、冷却などの電子機器製造
  • 暖房、換気、および空調（HVAC）
  • 自動車部品、パイプ、バルブの空気力学をシミュレートする自動車
  • キャビテーション防止
  • スポーツ用品、その他多数

CFD分析はどのように機能しますか？

一般に、CFD解析には3つの主要なフェーズが含まれます。

前処理：これは、流体の流れの問題が離散的で理想的なコンピューターモデルに変化するときです。 エンジニアとアナリストは、圧縮性、非圧縮性、定常、過渡、粘性、非粘性など、流れのタイプに基づいていくつかの仮定を行います。また、メッシュを作成し、相互作用する表面に境界条件を適用します。

解法： CFD解析では、流体の流れの問題や方程式に対して実際の計算を実行し、正確で高速な解をもたらす強力なソルバーを使用します。

後処理：アナリストは、最終段階で結果を視覚化および分析して、表、グラフ、動画などの形式で結論を出します。

CFD分析の利点は何ですか？

CFD分析は、多くの点で製品開発に役立ちます。

＃1。 効率

複雑な方程式の分析と解法は、従来のテストと計算を介して手動で行うと、非常に時間がかかります。 しかし、CFD解析ソフトウェアは、複雑な流体方程式を高速かつ正確に解くことができるため、労力と時間を節約できます。

＃2。 柔軟性の向上

手動で一度に限られた量を測定することができます。 ただし、CFD解析では、非常に優れた計算能力により、必要なすべての物理量を高解像度で同時に測定できます。 これは、設計を物理的なテストと製造にすばやく移行するのに役立ちます。

＃3。 実用的なフィードバック

エンジニアは、CFD解析を利用して、建設前に設計を作成し、効率をテストできます。 これにより、ソフトウェアでモデルの形状、構造、サイズ、スケールなどを簡単に変更し、最も効率的なモデルを完成させることができます。

＃4。 実世界の経験

シミュレーションには、風の動き、重力、光速などのさまざまな実世界の現象と条件が含まれます。したがって、環境条件を生成し、それらの条件に対して設計をテストして、パフォーマンスと動作を理解できます。

それでは、市場で最高のCFD解析ツールのいくつかを見てみましょう。

Autodesk CFD

Autodesk CFDは、アナリストやエンジニアが気体や液体の流れや挙動をインテリジェントに予測するための非常に優れたCFDシミュレーションソフトウェアです。 これは、さまざまな物理プロトタイプの要件を最小限に抑えて、設計パフォーマンスのための流体の流れに関する詳細な洞察を得るのに役立ちます。

このCFDソフトウェアと熱シミュレーションツールには、最高のパフォーマンスで動作する多くの機能があります。 このツールを使用すると、設計を比較して、本番環境に移行する前に設計内の流体の動作を理解できます。 さらに、フロー制御アプリケーションの圧力分布を改善し、固体-固体または固体-流体からのすべての熱伝達モデルの方程式を解くことができます。

Autodesk CFDを使用すると、Fusion 360に接続して、CADの変更と簡素化を実現できます。 また、メッシュの自動化とジオメトリを使用してメッシュのサイズを決定したり、HPCサーバー、リモート、またはローカルで複数の解析を実行して、大規模なモデルを柔軟に解決したりすることもできます。

このソフトウェアを使用すると、設計を最適化して、MEPおよび建築アプリケーションの建築効率を向上させることができます。 また、気体と液体の間のインターフェースをシミュレートし、こぼれ、スロッシング、波などのさまざまな流れ現象をモデル化し、カスタマイズされた方程式を作成して視覚的な結果を得ることができます。

Autodesk CFDで見つけることができるその他の機能は、CAD接続、ヒートシンクコンポーネントのパフォーマンスのシミュレーション、および流れの方向と循環をよりよく理解するための粒子追跡です。 また、スカラー混合、放射モデリング、回転デバイスの分析、および凝縮と湿度のモデリングも可能です。

これとは別に、太陽熱負荷と煙の可視性の分析、カスタマイズ可能でクリーンなユーザーインターフェイス、データ駆動型の結果、およびAPIを介した自動スクリプトもこのCFDソフトウェアの貴重な機能です。

SimScale

SimScaleのCFDソフトウェアはクラウドベースであり、オンラインシミュレーションを介して設計をテスト、検証、最適化、および反復できます。 Webブラウザーですべてのプロセスを有効にするため、限られた計算能力、高コスト、およびアクセシビリティに苦労する必要はありません。

過渡シミュレーションは正確な結果を生成するためにより多くのお金と時間を必要とするため、SimScaleのCFDソフトウェアはこの問題を解決します。 このGPUベースのソルバーは、格子ボルツマン法（LBM）を利用して、高精度と比類のない速度を提供します。

また、Numeric Systems GmbHと協力して、Pacefishを使用してこのすぐに使用できる機能を作成しました。 その結果、過渡シミュレーション時間は数日と数週間から数分と数時間に短縮されました。 さらに、このソフトウェアは複数のGPUで並行して実行され、標準プロセスよりも20〜30倍短いターンアラウンドタイムを提供します。

SimScaleは、Smagorinsky、k-omega SST、Hybrid SST-IDDES、SST-DDESなどの複数の乱流モデリングタイプをサポートしています。 流体の圧縮性は重要な考慮事項であるため、このツールは、圧縮性および非圧縮性流体のシミュレーションを正確にサポートし、より安全で高品質な製品の設計と開発を支援します。

SimScaleのCFDソフトウェアは、正確な数値手法を使用して複雑な流体方程式を解くことができます。 したがって、飛行機、翼型、ダクト、バルブなどのコンポーネントの設計に適用できます。 また、過渡的で定常的なシミュレーションに加えて、乱流と層流の両方で機能します。 したがって、パイプ、煙の伝播、クリーンルーム、およびサイクロンセパレーターの設計に役立ちます。

このソフトウェアは、熱シミュレーション機能を提供し、Volume of Fluid（VoF）メソッドを使用して複数種または多相流をモデリングします。 また、OpenFOAMソルバーを利用して、水や油などの2つの非混合流体を分析します。これは、プロセスエンジニアリングや海洋アプリケーションに役立ちます。

複数の参照フレーム（MRF）または回転境界条件を使用した定常状態シミュレーションと、任意メッシュインターフェイス（AMI）を使用した過渡シミュレーションを実行します。 また、造船やパイプの設計に適した、6自由度（DoF）を含むソリッドボディモーションをシミュレートおよび評価することもできます。

Ansys

すべての設計エンジニアは、より迅速でより良い決定を下すのに役立つ優れたCFDシミュレーションツールを提供するAnsysを使用したか、少なくとも聞いたことがあるはずです。 彼らのCFDシミュレーションは、正確な結果と高い計算能力を提供し、その品質が検証されています。

CFDツールは直感的で強力であり、開発の労力と時間を削減しながら、製品の安全性とパフォーマンスを向上させるのに役立ちます。 さらに、エラーがほとんどまたはまったくないことを保証し、業界グレードの効率的なソルバーを使用して最適化された製品を革新および生産する大きな可能性を提供します。

効果的な飛行中の着氷シミュレーションを実行する方法を探している場合でも、内燃（IC）エンジンの効率を最大化する方法を探している場合でも、Ansysには役立つツールがあります。 それらはユーザーフレンドリーで高度であり、時間を節約し、生産性を向上させるのに役立ちます。

彼らが提供するCFD製品のいくつかは次のとおりです。

  • 高精度の高度なモデリングのためのAnsysFluent
  • ターボ機械アプリケーションで卓越した速度、堅牢性、精度を実現するAnsys CFX
  • Ansys Chemkin-Proは、複雑な化学反応システムをモデル化するためのプレミアムCFDツールです。

さらに、Ansys BladeModeler、Ansys Rocky、Ansys Vista TF、Ansys TurboGrid、Ansys Polyflow、Ansys Model Fuel Library、Ansys FENSAP-ICE、Ansys EnSight、AnsysForteなどの他の関連ツールを提供します。

OpenFOAM

2004年にリリースされたOpenFOAMは、OpenCFDによって開発されたオープンソースの無料CFDソフトウェアです。 それは、学術および商業組織を含むほとんどの科学および工学地域で世界中に重要なユーザーベースを持っています。

OpenFOAMは、化学反応、熱伝達、乱流、弾性波、電磁、音響などの単純な流体から複雑な流体の流れを解決するために適用できる多くの機能を提供します。 さらに、OpenFOAMの開発者コミュニティはその開発に貢献し続けており、6か月ごとに新しいバージョンをリリースするための顧客主催の開発も含まれています。

これは、ESI-OpenCFDのアプリスペシャリスト、選択された顧客、および開発パートナーによって独自にテストされています。 彼らは品質保証のためにソフトウェアで厳格なテストを実行します。 コードの評価プロセス、妥当性確認、および妥当性確認には、毎日何百もの単体テストが含まれます。

CFDモジュール

ConsolのCFDモデリングソフトウェア– CFDモジュールを使用すると、モデルを定義して解き、流体の流れを伴うシステムを研究できます。 また、流体の流れと物理現象の組み合わせを含むシステムでも機能します。つまり、単相流と混相流の両方で機能します。

CFDモジュールは、次のようなさまざまな流体解析の基礎をモデル化するためのツールを提供します。

  • 圧縮性および非圧縮性流れ
  • 乱流および層流
  • 自由または多孔質媒体およびオープンエリアでの流れ
  • 薄膜の流れ

このソフトウェアは、構造フローインターフェイスを介してこれらの機能を実装し、3D、2D、および2D軸対称の定常および過渡フローの問題を定義、分析、および解決します。 さらに、マッハ数の高い流れ、非ニュートン流体、および回転機械に関する問題を解決するために調整された機能を提供します。

CFDモジュールは、同じ環境で反応する流れと共役熱伝達をモデル化して、流れの問題を同時に分析できるようにします。 これとは別に、ソフトウェアを他のComsolモジュールと組み合わせることで有効にできる、流体と構造の相互作用などのマルチフィジックス機能を提供します。

Simcenter

シーメンスのSimcenterCFDシミュレーションソフトウェアを使用して、実際の製品のパフォーマンスを分析および予測します。 この業界をリードするCFD解析ツールは、流体、構造、および関連する物理学に関連するさまざまな工学的問題の高速で正確なシミュレーションを提供します。

設計者、CFDエンジニア、または研究者のいずれであっても、このソフトウェアは、複雑な流体の流れの問題を分析し、得られた洞察を革新的な製品の開発に変換するのに役立ちます。 また、メッシュモーフィング、オーバーセットメッシュ、または2つの組み合わせを使用して、いくつかの移動および相互作用するパーツに関連する問題を簡単にシミュレートできます。

さらに、移動メッシュ機能を使用して、定常または一時的なシミュレーションやパラメトリックスタディを行うことができます。 これにより、オブジェクトを置き換えたり再配置したり、さまざまな設計構成を検討したりするための簡単な方法が提供されます。 Simcenter CFDソフトウェアは、さまざまなシミュレーションのニーズに正確に適合するラグランジュおよびオイラーモデリング機能を提供します。

言うまでもなく、これは数値フローシミュレーションを備えたDEM機能を備えた最初の商用エンジニアリングシミュレータです。 乱流が反応する流れとどのように相互作用するかを分析して、製品がさまざまな動作条件下で正常に機能することを確認するのに役立ちます。

さらに、定常状態モデル、DES / LES、伝播モデルなどの空力音響ソースを予測するための正確なモデルを含む広範なライブラリを入手できます。 幾何学的仕様と性能を使用したバッテリーシミュレーションを使用して、デジタルリチウムイオンバッテリーの設計を検証することもできます。

フロースクエア

このリストにあるもう1つの無料のCFDソフトウェアはFlowsquareです。これは、亜音速または超音速の流れとともに、非定常および非反応性/反応性の流体の流れを分析するための2次元CFDソフトウェアです。 これは、CFD分析に便利な環境を提供し、より多くの人々をこのテクノロジーに近づけ、流れをシミュレートして、学問的または教育的な関心を養うことを目的としています。

ほとんどの商用CFDツールは高コストであり、専門知識と大量の計算リソースを必要とします。誰もがそれらを使用できるわけではありませんが、Flowsquareは無料で、使いやすいように設計されています。 メッシュ作成、CADプログラミング、前処理/後処理などのスキルに習熟している必要はありません。 Microsoftペイントなどのペイントツールを使用して、簡単なシミュレーションフィールドをスケッチすることから始めることができます。

1〜2個のビットマップ画像と1つのテキストファイルを使用して計算ドメインを設定します。 ここでは、リアルタイムで視覚化を実行し、ビットマップファイルとして保存できます。 色、ベクトル等高線、ラグランジュ粒子、およびグラフ用の視覚化ツールが組み込まれています。

Flowsquareは非常に柔軟な数値条件とスキームを使用しており、シミュレーションデータは後処理用にバイナリ形式で利用できます。 これは、世界中の個人、企業、教育機関によってさまざまな目的で使用されています。

ParaView

ParaViewは、マルチプラットフォームでオープンソースのデータ視覚化および分析ソフトウェアです。 それはあなたが迅速に視覚化を作成し、定性的および定量的方法の助けを借りてそれらのデータを分析することを可能にします。

ParaViewのCFDシミュレーションを使用すると、揚力、抗力、気流などを調べて、設計効率を高めることができます。 また、分散コンピューティングメモリリソースを使用して大規模なデータセットを分析することもできます。 さらに、ソフトウェアのバッチ処理機能を使用して、プログラムでインタラクティブに、または3Dでデータ探索を実行できます。

スーパーコンピューターでParaViewを実行してペタスケールのデータセットを分析したり、ラップトップでマイナーデータを分析したりできます。 この汎用性により、さまざまな業界、大学、および国立研究所に適用できます。 さらに、その高い計算とパフォーマンスにより、複数の賞を受賞しています。

次のプロジェクトにParaViewを活用し、高度なサービスとR＆Dソリューションを活用してください。 また、ParaViewフォーラムに参加して、最新の開発情報を入手することもできます。 このツールは、次のような多くのユースケースに最適です。

  • 気候データ分析ツール（CDAT）は、アナリストが気候変動を監視、予測、追跡するのに役立ちます。
  • CFDシミュレーションは、航空チームが揚力比を分析および研究するのに役立ちます
  • 没入型データを直感的に探索します。
  • ParaView CatalystとPHASTAは、翼プロファイルの忠実度が高いフロー制御CFDシミュレーションに役立ちます。
  • 成形爆薬ジェットの浸透に使用されるセラミックプレートでのALEGRAシミュレーション
  • NVIDIA Omniverse ParaView Connectorを使用すると、科学者は気候と気象データを地球への影響とともにインタラクティブに分析できます。

Altair

高度なCFDモデリングを実行する場合でも、設計に関する熱または流体効果を研究する場合でも、Altairは豊富なツールを使用して支援します。 いくつかのスケーラブルなソルバーと強力な前処理および後処理CFDソフトウェアを提供して、完全なシステムパフォーマンスをテストし、コンポーネントを詳細に分析します。

Altair CFDは、熱伝達、流れ、非ニュートン材料、および乱流の幅広い解析機能を備えたナビエ-ストークスソルバーを使用します。 メッシュ要素のトポロジや品質に関係なく、堅牢で正確かつスケーラブルなソリューションを提供できます。

その高度なテクノロジーは、GPUベースのコンピューティングにより最適化されたエネルギーとコスト効率を提供し、高性能を実現します。 その結果、単一のサーバー上で複雑なモデルをシミュレートし、eモーター、再生可能エネルギー、冷却ファンなどの回転機械から空力音響を計算できます。

Altair HyperWorksの合理化された専用のワークフローを、ソルバーの実行、前処理、および後処理の機能とともに利用できます。 さらに、Altair CFDは、格子ボルツマン法（LBM）を使用して、乗用車、レースカー、大型車、および小型トラックの超高速での空力特性を予測します。

Altairは、Smooth Particle Hydrodynamics（SPH）ソルバーを使用して、複雑なモーションで複雑なジオメトリの周りの流れを予測します。 さらに、その個別要素法（DEM）ツールは、石炭、穀物、繊維、粉末などの粒状材料の挙動を正確にシミュレートおよび調査します。

Altair CFDとEDEMを計算して、流体と粒子の相互作用を現実的にシミュレートし、流動床、スプレーコーティング、乾燥、ろ過、固液混合などの複雑なシステムを調査できます。 このスイートの他のツールは、熱伝達、流れ、および燃焼設計用のAltair FlowSimulator、電子機器冷却用のSimLabなどです。

ソリッドワークス

SOLIDWORKSユーザーの場合は、SOLIDWORKS Flow SimulationSoftwareがお勧めです。 数値解析を使用して流体の流れの問題を処理し、製品の熱性能と流体の流れに関する動的なフィードバックを提供します。

パラメトリック最適化機能を使用すると、分析と設計プロセスを自動化して、使い慣れたCAD環境内で最適な設計反復を見つけることができます。 これらのツールを使用すると、さまざまなシナリオでさまざまな種類の気体や液体をシミュレートできます。

その典型的な用途は、マニホールド、電子冷却、熱交換器、および空気力学の周りの流れです。 FEA統合、回転システム解析、外部および内部フロー解析、電子冷却モジュール、自由表面ダイナミクス、粒子研究、およびHVACモジュール用の多くのCFD解析ツールを利用できます。

このCFDソフトウェアはSOLIDWORKSと統合され、分析にCADインターフェースを使用します。 解析タイプに応じて設計内の流体量を自動的に認識し、複数のCFDシナリオを実行して、正確な入力とパラメータを使用して解析テンプレートを作成できます。 また、動的メッシュと自動メッシュリファインを活用して、高流動的なアクティビティを実現することもできます。

結論

CFD解析ソフトウェアを使用すると、製品設計における流体の流れや熱伝達などに関する問題を視覚化して分析できます。 これらの問題を迅速かつ正確に解決して、より安全で高品質な製品の設計と開発を可能にすることができます。