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FloEFD：前端装载 CFD
因为创新需要精确、快速的答案
第 2 页
Mentor Graphics
81 Bridge Road,
Hampton Court,
Surrey,
UK KT8 9HH
特别鸣谢：
Koenigsegg Automotive AB、
Esteq、
Voxdale 和
Anthony Kumpen
©2016 Mentor Graphics
Corporation，保留所有权利。本文档
包含 Mentor Graphics Corporation 的
专有信息，只能由原始接收者出于内
部商业目的全部或部分复制本文档，
前提是在所有副本中都包含此完整声
明。接受本文档即表示接收者同意采
取一切合理措施，防止未经授权使用
这些信息。本出版物中提及的所有商
标属于其各自所有者。
前端装载 CFD 所指的概念已经被成千上
万的企业采用，它是指在早期频繁进行
仿真的做法。
我七岁那年，我的父亲带我参加了一
次计算机展会。时值 60 年代末，这类
活动在苏联极为罕见。当天结束时，
我在内心隐约感到，终有一天，所有
设计和生产元素都会全部集中在计算机上进行。
时光如梭，20 年后，我和我的同事当时正在开发一款
供俄罗斯航空航天业使用的仿真软件。精度并非奢
求，而是基本前提。此外，我们无法获得功能强大的
计算机。因此，我们的软件必须达到与西方国家开发
的软件同样的速度和精度。我们不得不开发一些创新
的技术，让我们的代码在没有相同硬件的情况下，仍
能达到同样的效率和速度。
于是乎，在 90 年代初，儿时的记忆与我的职业生涯两
相交汇碰撞。当时，我和我的一帮同事正在筹集资金
开办一家新的 CFD 公司。在听完我们的推销演示后，
风险资本家告诉我们，他对投资另一款“跟风”的 CFD
软件毫无兴趣。除非我们能拿出点真正有创意的东
西 —— 一种能够将设计与仿真合而为一的解决方案，
他才会考虑投资。
正是这句话成为我们开发 FloEFD 的箴言。
在
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第 3 页
Alexander Sobachkin，Mentor Graphics 机械分析部
产品线总监
仿真要成为设计流程中的一个自然步骤，必须拉近其
与设计之间的联系。这个概念说起来简单，要做到却
并不轻松。机械工程师的主要任务是设计，而不是仿
真。为了开发符合项目要求的模型，他们已经承受了
不小的压力。他们的主要工具是 CAD，而其他所有工
具都是用于改善设计的补充工具。因此，仿真不过是
一种用于甄别趋势和排除不满意的设计创意的方法。
现如今，CFD 本身就是设计流程中最复杂的学科之一，
而且传统的 CFD 需要投入大量时间以及运用专业知识。
所以，对于希望快速获取见解的设计工程师而言，传
统 CFD 并不符合他们的需求。正因如此，FloEFD 才是
机械工程师的理想解决方案，可支持企业实现前端装
载 CFD。
前端装载 CFD 所指的概念已经被成千上万的企业采用，
它是指在早期频繁进行仿真的做法 —— Moh Sabeur
博士在 2015 年 12 月 NAFEMS 欧洲大会上所作的名为
“汽车开发流程中的前端装载 CFD”的演示中便讨论
了这一主题。在设计阶段，速度至关重要。通过快速
迭代，工程师可以摒弃没什么吸引力的想法并提出更
多创意。而这正是 FloEFD 解决方案符合流程要求的
地方，相较于其他 CFD 工具，它能将获得解决方案
的总时间缩短 65%-75%。而且，我们都知道，早期
分析可能意味着可观的成本节省，因为随着流程的推
进，提取缺陷所需的成本将会呈指数级增长。据美国
国防部称（依据国防采办大学的报告），国防部项目
95% 的生命周期成本投入在测试阶段。换言之，产品
成本几乎完全取决于对最终设计尚一无所知的早期概
念阶段所做的决策，而在研发阶段的投入仅占很小的
比例。
可见，在早期频繁进行仿真具有更高的成本效益。
FloEFD 采用突破性的技术，可快速提供准确的分析结
果，从而支持设计人员快速验证自己的设计。例如，
FloEFD 网格采用了 SmartCells™ 技术，该技术反过来
允许 FloEFD 创建笛卡尔网格，在相同的域分辨率下，
该网格的大小通常仅为传统 CFD 网格的十分之一，同
时还能保持高精度水平。由于 FloEFD 已经嵌入到当今
大多数常用的 CAD 程序，因此 FloEFD 可利用 CAD 技
术来支持用户进行变型分析，在不延误项目截止日期
或牺牲精度的情况下探索一系列的构想 —— Ivaov、
Trebunskikh 和 Platonovichas 在 2013 年度 NAFEMS 世
界大会 (NWC) 上演示的“现代 CAD 嵌入式 CFD 代码的
验证方法：从基础测试到工业基准”，以及 Dumnov、
Kharitonovich、Marovic 和 Sobachkin 在 2016 年度
FISITA 汽车大会上演示的“面向专家和设计工程师的
基于数值方法和工程方法协同效应的省时仿真方法”
中均讨论了这一主题。
因此，如果您的组织在以下任何问题上迟迟打不开局
面，那么您需要寻找一种全新的解决方案：
• 您是否需要渗入一个全新的市场或让产品更快地打
入市场？
• 您是否需要开发富有创意的全新产品？
• 您是否需要最大限度地降低成本以提高市场竞争力？
您需要思考如何将仿真和设计高效地结合到一起。您
需要了解一下 FloEFD。经许多公司证实，它是唯一一
款真正的前端装载 CFD 解决方案。请阅读这些公司的
成功案例，然后告知我们，我们能够为您提供哪些帮
助，支持您的组织成功实施前端装载 CFD。
前景
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前端装载 CFD 大奖获奖者
Mentor Graphics 很高兴地公布了 2016 年度 FloEFD 前端装载 CFD 大奖的获奖者。该奖项旨在表彰通过屡获大
奖的 FloEFD 实施前端装载 CFD 的卓越事迹。我们的 6 人评委小组依据多项标准为每个入围者打分，其中包括明
确展示前端装载 CFD 的运用和在应用中采取的务实方法。
最高奖被 Magnetti Marelli 汽车照明团队的热工程师 Aihua Wang 女士摘得。她的演示名为“将热分析集成到汽车
照明产品设计”，发布于 2015 年集成电气解决方案论坛 (IESF) 大会。IESF 是面向电气／电子设计工程师、经理
和高管的全球盛会。我们为夺得最高奖的王女士颁发了 1,500 美元的现金奖励和一座奖杯。王女士选择了将奖金捐
赠给她首选的慈善团体 —— 美国爱护动物协会 (ASPCA)。
我们的评委小组选出的其中一位亚军获奖者是 Kolio Kojouharov，其作品名称为“设计与集成散热系统和动力单元／
传动系统，以满足即将出台的环保（四级）法规”。2015 年 10 月，当时作为就职于 Liebherr-Werk Nenzing
GmbH 的一名工程师，Kojouharov 先生在慕尼黑的 Mentor Graphics U2U 大会上演示了该文稿。
最后，Hoval 的工程师 Georg Jäger 被选为另一名亚军获奖者。他撰写的论文“从概念性头脑风暴到定制冷凝式
锅炉”，于 2016 年 11 月 8-9 日在法兰克福举行的 FloEFD 仿真大会上发表。
我们为我们客户借助 FloEFD 取得的累累硕果感到无比自豪。此奖项旨在表彰他们取得的成就，我们期待来年有
更多的优秀作品入围。
冠军获奖者
Aihua Wang
亚军获奖者
Kolio KojouharovGeorg Jäger
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第 5 页
obert Bosch Automotive Steering GmbH 是
乘用车和商用车转向系统领域的标兵企业
和引领者。Bosch Automotive Steering 为
所有大型汽车制造商开发技术先进的解决方案。
随着汽车行业的产品周期和开发时间日益缩短，对于
能够提供快速且高度可靠的仿真结果的最新仿真工
具，市场需求也与日俱增。利用 FloEFD for PTC Creo
软件，可以在开发周期内尽可能早的阶段评估未来的
汽车元器件。通过在项目的可行性阶段首次对概念进
行评估，可以发现和纠正问题。
Bosch Automotive 最近承接的一个项目是开发商用车
中借助液压系统回路执行的转向助力装置。设计人员
使用一个双联阀作为给水泵的控制阀。设计目标是考
虑给定的压力状况，提供需要的体积流量，并将所需
体积和流量下的压降保持最小。与此同时，还必须避
免空化效应。
设计人员在 FloEFD for PTC Creo 中研究了该阀门的
多种设计变型。除了主要几何形状的修改之外，还分
析了对个别元器件所做的详细更改及其影响。所获得
的见解从产品概念开发的早期阶段便开始采用。将基
于仿真结果获得的最有效的总体设计制作为样机，并
按测试设置进行测量。测量结果证实仿真结果是准确
的，从而将物理样机的数量减少至仅仅一个。
通过前端装载的 CFD 仿真，Bosch Automotive 得以
详细优化管脚的设计，使其能够通过二次设计用于未
来一系列的同类阀门。对于该系列，在产品概念阶段
便已实现成本优化。
要详细了解 Bosch Automotive 面临的设计挑战，请阅读
http://go.mentor.com/4Nf9p
摘自 Robert Bosch Automotive Steering 声学／仿真开
发工程师 Rolf Haegele 的原始文章。
阀内的流量矢量
Robert Bosch Automotive Steering GmbH“转向”流量优化
“通过在我们的 PTC Creo 环境中使用 FloEFD，我们可以将完
整的 CFD 仿真前端装载到我们的设计流程，从而缩短设计时
间，并让开发流程开始时便开展优化成为可能。在 FloEFD 的
帮助下，即使很短的开发周期，我们现在也能予以满足。”
Rolf Haegele，Robert Bosch Automotive Steering GmbH
R
汽车
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第 6 页
动器散热是摩托车和赛车设计的一个关
键方面。瑞典哈尔姆斯塔德大学 Arne
Lindgren 最近的一项毕业设计研究了超
级跑车在极端条件下的不同散热解决方
案。该项目由超级跑车制造商 Koenigsegg Automotive
AB 主导，目的是为其最新的赛车型号 Regera 设计一
种高效的制动器散热解决方案。（图 1）
Regera 在瑞典语中的意思是“掌权”，它是首款采用
混合技术的 Koenigsegg 跑车，其内燃机和电动机的
组合动力超过了 1,500 马力。这样一辆马力强劲的跑
车无疑需要有效且可靠的制动器。在从 300 到 0 km/h
的制动过程中，Regera 的平均制动功率超过 1 MW。
Koenigsegg Automotive AB 是由 Christ ian von
Koenigsegg 于 1994 年创立的一家瑞典公司。第一
个样机于 1996 年完成，CC8S 型号的批量生产始于
2002 年 [2]。Koenigsegg CCR 成为 2005 年速度最快
的量产车，CCX 型号则于 2006 年创造了 Top Gear 单
圈记录，并且在随后两年多的时间里保持不败。2014 年
推出的 One:1 型号是世界上首款 hp/kg 整备质量比为
作者：Mike Gruetzmacher，Mentor Graphics FloEFD 产品专家
使用 CAD 嵌入式 CFD 进行赛车制动器散热仿真
图 1. Koenigsegg Regera
1:1 的量产车。公司有约 120 名雇员，包括一个由约
25 名工程师组成的工程部门。
Lindgren 在其论文中对 Regera 的多项制动器散热设
计进行了评估。在 CFD 仿真中，他使用了 Mentor
Graphics 提供的嵌入到 CATIA V5 的 FloEFD™ – 实验测
试被认为过于昂贵，而且无法采集某些流量数据 [1]。
图片由 Koenigsegg Automotive AB 提供
制
汽车
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尽管专门的制动器散热对普通的乘用车而言不是必需
的，但对必须承受赛车状况的赛车而言，这是一项巨
大的挑战。对于正常驾驶条件下的普通车辆制动器而
言，周围空气的散热效果往往已经足够了。现代公路
车辆配备的是内部通风的制动盘（至少在前轴是这样
的，后轴通常也是如此）。内部叶片有助于泵压空气
通过制动盘，内部通道则是散热量最大的位置 [1]。
制动器过热可能导致多个问题：
• 摩擦材料退化；
• 制动盘中出现热应力，可能导致变形和应力破裂；
以及
• 制动钳内的制动液蒸发。
这些故障可能导致制动部分或完全失效，后果非常
严重。
对于赛车和用于轨道行驶的汽车而言，这一问题变得
更加复杂。考虑到轨道行驶期间发生制动的频率更
高，因此需要使用特殊的散热风道来引导周围气流进
入制动器，以确保获得足够的散热性能。
制动器主要通过对流的热传递方法进行散热，其中的
制动液会吸收热量并运离热物体。Lindgren 的工作主
要集中在改善制动器的对流气冷上，并将其研究范围
限制在前轴制动器（图 2），因为这里的发热量最大。
上一代 Koenigsegg 赛车上使用的制动器散热解决方
案被用作散热仿真的基准。
图 2. Koenigsegg Regera 前制动器 图 3. 安装在 Koenigsegg Agera 支撑架上的制动散热
风道（基准设计）。（Klingelhoefer，2013 年，参考
文献 3）
基准设计包含位于汽车前保险杠中的进气管（用于捕
获周围气流）和用于将空气输送至管道（或喷嘴）的
软管，这些软管安装在车轮轴承座上并将散热气体导
向制动盘中央（图 3）。针对这些仿真，Koenigsegg
提供了过去用于嵌入式 CFD 仿真的相关几何形状的
CAD 模型。
仿真中使用的主要几何形状包括：
• 由碳纤维增强的碳化硅 (C/SiC) 制成的制动盘，直径
396 mm，厚度 38 mm，配有径向通风道；
• 制动块；
• 制动钳；
• 支撑架（或车轮轴承座）；
• 空心轮轴；
• 带轮胎的 19 英寸轮辋；以及
• 轮罩护板几何形状。
在对基准配置进行仿真后，生成不同的制动风道概
念，并对其散热效果进行仿真。将同一计算模型用
于基准仿真和概念仿真，而仅仅更改制动风道的几
何形状以及风道进口位置两个边界条件。仿真直接
在 CATIA V5 嵌入式 FloEFD CFD 软件中的 3D 几何形
状模型中进行。这样可实现对复杂几何形状的高效仿
真。凭借自动网格划分功能、案例配置向导和后处理
功能，加上可以直接在 CAD 环境中修改几何形状，最
终找到了一个高效且高产的工作流程 [1]。
汽车
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图 4. 几何轮罩拱模型（蓝色箭头指示周围气流方向）。
图 5. 车轮和地面边界条件。旋转区域高亮显示为蓝绿色。
真实壁面 真实壁面
0 rad/s -123.5 rad/s
-123.5 rad/s
123.5 rad/s
-41.7 m/s 0 m/s
-15.0897364 rad
15.0897364 rad
1000 微米 50 微米
角速度 角速度
角速度
角速度
平移速度 平移速度
参数
参数
粗糙度 粗糙度
旋转角度
旋转角度
图 6. 具有 FloEFD 壁面边界条件的制动盘和制动块。
真实壁面
真实壁面 真实壁面
壁面温度
壁面温度 壁面温度
600 °C
500 °C 450 °C
-123.5 rad/s
0 m/s
50 微米 100 微米 50 微米
角速度
平移速度
粗糙度 粗糙度 粗糙度
由于该项目的目标是研究多种概念，需要一定的计算时间，因此不适宜对整个车
辆进行完整的仿真，而是使用含轮罩护板在内的部分车身，以及尺寸和离地间隙
与 Regera 相似的车轮和制动器组件（图 4）。
环境风速定义为 150 km/h，这是赛车道上的典型平均风速。将来自散热器的额外
气流应用于轮罩护板的板内侧（图 4，红色箭头）。将从前保险杠的进气管流过
软管的气流作为压力进行建模，以获得用于所有可能的制动风道设计的实际流
量。使用壁面条件定义旋转对称几何形状（例如轮胎和制动盘摩擦表面）的旋
转。将 FloEFD 滑移网格方法应用于非旋转对称零件。使用 3D 实体（旋转区域）
定义需要旋转的几何形状，在本案例中为轮辋辐条和制动盘通道。应用 150 km/h
的对地平移速度（图 5），以包含地面效应。在该 CFD 仿真中仅仅考虑了对流，
因为这是能够起作用的最简单的传热过程，并且占总散热量的约 60 – 90%。应
用于这些部件表面的表面温度（图 6）是基于 Koenigsegg 在跑道测试期间记
录的值。
汽车
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仿真使用约 350 万个网格（图 7）和 FloEFD 双尺度壁面函数方法进行，该函
数方法支持使用比传统 CFD 代码所需网格更粗糙的网格。
这些概念基于 Lindgren 自己的创意、观测过的制动器散热设计和在其他应用中
的观测结果，同时仅考虑了制造商可能实现的概念。利用所述的 FloEFD 边界条
件对 12 个不同的概念进行研究。在一台配置 3.5 GHz 六核 Intel Xeon E5 CPU
和 32 GB RAM 的计算机上，以给定的设置执行仿真，仿真时间约为 24 小时。
图 8 显示了基准仿真结果：
将每个概念与基准概念进行比较。研究主要集中在制动盘的散热上，因为大
部分制动能量都进入了制动盘。采用的方法是通过使用高气流速度或引入湍
流来打破温度边界层，从而增强对流散热。此外还考虑了其他设计标准，确
保解决方案能够承受行驶条件下出现的作用力、振动和温度等。
图 7. 车轮、制动盘和轮罩的 FloEFD 计算网格。
图 8. 高亮显示为蓝色的基准制动风道和包含 FloEFD 结果的表格。
14481 2837 5448 3003 2170 482 508 0,183 0,104
描述：
结果： 总计 制动盘
中心
制动盘
通道
制动盘
内部
制动块
内部
制动盘
外部
制动块
外部
软管 通道
传热量 [W] 质量流量 [kg/s]
之前的 Koenigsegg 模型上所用的设计。吹向轮轴中心的喷嘴。
汽车
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研究表明，局部的气流改善往往同时会导致其他区域的散热效果变差。单靠
气流速率不足以改善更大表面上的散热。另一项早期发现是，可以改进制动
盘中的散热通道设计。但制动盘设计不在本项目的研究范围内，因此没有做进
一步的研究。将制动风道进口放在包含径向通道的轮轴中心是一项很有突破性
的创意。它会提高软管的流量，因为轮轴中的径向通道和制动盘将共同构成一
个离心式风扇。最后，此概念还补充了一项不依赖于软管气流的“被动”散热
设计，该设计由两块带有凹槽的环形板实现（图 10）。仿真表明，这两块板
改善了制动盘摩擦面的散热，但 Lindgren 对这些结果表示怀疑，因为仿真没
有包含辐射（真实情况下这些板会将热量反射回制动盘）。概念 8（图 9）和
12 最为有效，不过概念 12 还需要进一步的分析或测试，以了解辐射效应。
图 9 和图 10 显示了这些概念的设计，以及以相对基准值的百分比差异形式给
出的结果。概念 8 的优势是，只需要几个相对简单的额外零件。
图 9. 概念 8 的全貌图和 FloEFD 结果
图 10. 概念 12 的全貌图和 FloEFD 结果
14% 34% 19% -2,0% 1,9% 4,8% 6,1% 41% 48%
25% -2,0% 28% 15% 78% 6,4% 10% 57% 71%
总计
总计
制动盘
中心
制动盘
中心
制动盘
通道
制动盘
通道
制动盘
内部
制动盘
内部
制动块
内部
制动块
内部
制动盘
外部
制动盘
外部
制动块
外部
制动块
外部
软管
软管
通道
通道
传热量
传热量
质量流量
质量流量
描述／创意：
描述／创意：
注释／分析：
注释／分析：
与基准之间的
差异
与基准之间的
差异
进气管位于经修改、包含径向通道的轮轴中心，已堵上通孔。制动盘中心已封闭，因此这里
不会逸出任何空气。
穿过轮轴的进口，在径向通道进口添加了倒角。如概念 8 所述的封闭的制动盘中心。制动盘内表面和外表面的 8 mm 环形板，带有与概念 11 相似的法兰槽，但具有倒装角且法兰槽更深（距离制动盘 3.5 mm）。
总体改进良好，相比概念 11，对制动盘外部的改进很大。
总体改进良好，在大多数表面实现了更好的散热效果。轮轴通道和制动盘通道共同组成类似
离心式风扇的结构，并提高了软管流量，有利于散热。
（剖视图）
概念
8
概念
12“使用 FloEFD，可以从 CAD 软件内完
成仿真配置，而无需导出／导入几何形
状。该软件还具有自动网格划分、案
例配置向导和集成式后处理等功能，
所有功能均可在 CAD 软件内使用。”
Arne Lindgren，瑞典哈尔姆斯塔德大学（Arne
Lindgren 毕业后被 Koenigsegg Automotive 聘
为设计工程师）。
汽车
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Lindgren 在可能的近乎无限数量的散热解决方案中，对
12 个概念（图 11 – 13）进行了分析，并与 Koenigsegg
提供的基准设计进行了比较。两个最为有效的解决方
案分别令总体热性能提高了 14% 和 25%。概念 8 是作
为一项增强功能提出的，它将软管进口置于轮轴中
心，从而将散热空气通过径向通道导向制动盘。
FloEFD 仿真表明，与之前使用的散热解决方案相比，
建议的设计应该可以提高 14% 的传热量。除了这些
散热风道之外，未来也可考虑一些被动散热装置。
在本研究中，FloEFD 能够针对广泛的概念提供工程
时标内的趋势预测，不过，建议未来继续研究更精细
的网格和辐射效应，这将需要更多的计算资源。这里
描述的 CFD 结果表明，与作为基准分析的使用之前的
Koenigsegg 风道的制动器散热相比，新概念可采用简
单的迭代过程创建、分析和开发。使用 CATIA V5 嵌
入版本的 FloEFD 进行仿真让这类研究成为可能，否
则创建每个概念的真实样机意味着很高的成本和时间
要求。现在可以从结构分析、制造工艺方面进一步研
究最为有效的解决方案，并最终生成一个样机。
参考文献
1. “Development of Brake Cooling”, Arne Lindgren,
Bachelor Thesis in Mechanical Engineering, 15
credits, Halmstad 2016-05-20:
http://www.diva-portal.se/smash/get/diva2:938489/
FULLTEXT01.pdf
2. Koenigsegg 网站：http://koenigsegg.com/
图 11. 基准案例 (a) 通过车轮的水平平面上的温度切面
图，和 (b) 通过制动盘通道的垂直平面上的矢量速度。
图 12. 概念 8 中通过车轮的水平平面上的速度切面
图 (a)，和通过制动盘通道的垂直平面上的速度切面
图 (b)。
图 13. 概念 8 与概念 12 的比较
概念 8，制动盘外 1 mm 的速度 概念 12，制动盘外 1 mm 的速度
概念 8，制动盘内 1 mm 的速度 概念 12，制动盘内 1 mm 的速度
汽车
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术领域的发展日新月异，但 Se i ko
Epson 一直在投影仪创新领域保持前
沿位置。作为行业先驱和所在市场的
领导者，公司拥有难以撼动的行业位
置。Epson 的投影仪广泛应用于办公室、学校、零售
商、博物馆、电影院和起居室内。
投影仪内的热源（例如电源和灯泡）会在投影仪外壳
内产生高温。随着体积更小、结构更紧凑的便携式投
影仪不断问世，Epson 的设计人员的首要考虑一直是
热源的管理。根据产品设计和所用材料的性质，除非
将热量排放到空气或其他部件，否则设备很容易在机
身内蓄积热量。传统上，在投影仪的开发中，辐射传
热是最重要的考虑因素。引入 LCD 技术后，随着亮
度更高、功能更全且体积更小的投影仪的市场需求日
增，开发周期被缩短为原来的一半。
与许多小型化设备一样，热辐射受到了限制，因此外壳
内需要气冷。事实证明，如果低估了开发时间表，造成
后期超过时限，代价将非常巨大。尽管热分析领域面临
新的挑战，但仍要求缩短开发时间和削减成本。
团队于 2009 年开始使用 FloEFD for Creo 来支持设计
人员分析自己的设计并提高生产率。FloEFD 用户发现
了新方法，运用其新获得的分析技能解决各种难题。
FloEFD 得以帮助团队化解在设计投影仪内的半导体
时遇到的诸多挑战。半导体在使用自然风冷时会达到
很高的温度，而且其设计的达成度通常低于行业标准
图 1. 整个外壳内的散热气流验证
支持工程师实现高效的
设计生命周期
“FloEFD 在我们的日常工作中不可或缺。很多情况下，我
们无法预测分析结果，但 FloEFD 会自动引导我们获得正确
的结果。”
Fumio Yuzawa 先生，Seiko Epson
的 60%。由于设计人员的知识和经验无法轻松达到这
一实现水平，FloEFD 经验证是解决这一挑战的关键
所在。
FloEFD 何以成为 Epson 的正确选择呢？
据 Epson 的 Hiroshi 先生称，“在选择分析软件工具
时，我们最看重的一点是，所有团队成员无论能力水
平如何，都能使用这一工具。我们依据以下三条标准
进行评估：
1. 没有丰富的分析经验的人员也能轻松使用
该工具。尤其是网格划分，因为这是最难
掌握的流程之一。利用 FloEFD 的自动网格
划分功能，只需设置特定的模型区域即
可。至于工作流程，借助向导，我们只需
要选择“是”或“否”，而且我们还能根
据习惯了解分析流程中应该设置的内容。
2. 工具与 Pro/ENGINEER（现在的 Creo）相
集成，这一点很重要。我们不希望为了进
行分析而另外创建模型，而且通过嵌入到
CAD，我们可以反复验证各种分析模型。
我们还必须能够轻松地在流程之间切换
（从设计到分析）。
3. 全面的数据库。FloEFD 具有符合全球标准
的数据库。尤其是，我们能够使用 Mentor
Graphics 产品套件（例如 FloTHERM）中
的其他数据库。这会给用户带来实实在在
的好处。”
要详细了解 Seiko Epson 如何提升工程师的能力，
请阅读 http://go.mentor.com/4PhyU 。
技
电子设备
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行高难度的汽车外部空气动力学研究方面，FloEFD 的
精度完全不逊于其他商用 CFD 软件。
如需该项基准测试的详细版本，请阅读
http://go.mentor.com/4Phzl 。
日本汽车工程师协会 (JSAE) 就汽车空气动力学测试测量开展基准测试
本汽车工程师协会 (JSAE) 最近对商用计
算流体动力学 (CFD) 软件进行了一次不具
名的基准测试，以对照标准 “Ahmed” 体的
测试验证数据展示软件的精度。
每个 CFD 软件包必须在事先不知道实验数据的情况下
分析模型周围的气流，并将其预测的结果与实验数据
进行比较。特别是，JSAE 希望验证每种 CFD 工具在预
测模型的边界层分离、压力分布和体积力方面的精
度。基准测试的参与者负责选择最佳网格、湍流模型
及其 CFD 代码中的其他设置，以提供最佳预测。所有
参与者必须提供车体不同部分的阻力、升力和俯仰力
矩系数以及压力系数。
共计七家组织参加了该项基准测试。Mentor Graphics
的日本经销商 KKE Inc. 在项目中使用了 FloEFD。KEE
将笛卡尔网格方法与基于八叉树的自适应细分相结
合，并在车身周围使用局部网格。在 FloEFD 中轻松设
置每个局部的细分等级，剩余的网格生成适应过程则
会自动完成。针对研究的案例，FloEFD 的自适应网格
生成的单元数目是其他 CFD 工具生成的单元数目的
1/11 到 1/4。而且，FloEFD 在案例 1 中的阻力和升力
结果也非常精确，在案例 2 中则给出了所有被测代码
中最佳的俯仰力矩预测结果。
概括而言，与其他工具相比，FloEFD 需要的资源更
少，计算时间更短，并且能够提供良好的总体结果。
另外，它还展示了与风洞实验测量的高度吻合。尽管
FloEFD 的网格划分和求解器技术是一种非传统的 CFD
方法，但 JSAE 的这次不具名基准测试已证实，在进
粒子成像测速 (PIV) 测量轮廓图提供的实验测试结果表明，FloEFD 和 STAR-CCM+ (SST k-ω) 与风洞
结果的匹配度最高。
实验 (PIV) 实验 (PIV)
FloEFD
ANSYS Fluent
SCRYU/Tetra (SAS)
STAR-CCM+ (SST k-ω)
STAR-CCM+ (IDDES)
AcuSolve (Inflow 2)
日
汽车
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于电动汽车的二氧化碳排放量、燃料成
本和噪音更低，因此越来越受到用户
的欢迎。然而，它们也给设计人员带
来了一些全新和饶有趣味的工程挑战。
例如，符合法规和安全性要求是合格灯设计的基本要
求；但保持低能源消耗和轻量化以提高电池的使用效
率对于电动汽车中使用的灯设计而言同样重要。
TQ Technology (TQT) 的工程师们合作开发了一款全新
的雾灯设计。新的设计与传统设计相比，需要的功耗
和重量都要低得多（图 1）。雾灯的功能是照亮公路边
缘和车道标志，而且雾灯是在可见度较差的行驶条件
（包括下雨、起雾、起灰或下雪）下使用。好的雾灯
能够产生较宽的条形光束，并且在光束顶端有鲜明的
水平截断（上面黑，下面亮），截断面以上的向上光
线极少。它们的照明目标和安装位置通常较低。
TQT 工程师设计了一款多面反射镜，并将其性能与其
他三种设计进行了比较。结果，该反射镜的几何形状
从 40 cc 扩大到 66 cc，增加了 65%，而且他们得以
将 LED 芯片数从两片减少至一片。此外，他们还获得
了更高的反射镜效率（从 38.6% 提升到 52%），这
有助于提供足够的光通量，以符合欧盟和 UNECE 法
规要求 [1]。
提高反射镜效率的方法是在边缘位置使用一个凹井来
照亮雾灯光束的两侧，这样中间部分只需较少的光通
量便能符合法规要求。在他们的设计中，两个雾灯
（一对）采用 1.5 W 驱动器，一对雾灯共计消耗 7.9 W
功率。该设计相比传统的 55 W 卤素雾灯（符合相同的
法规要求）节省了 92.7% 的能源，相比现有的 6.5 W
雾灯也节省了 38.4% 的能源。
图 1. 全新的 TQ Technology 超低功耗 LED 雾灯。
让灯光照亮雾夜：工程师使用 FloEFD 前端装载 CFD 面向市场推出新型 LED 雾灯设计
“此设计与 55 W 卤素灯相比，可节
省 92.7% 的能源；与现有的 6.5 W
雾灯相比，可节省 38.4% 的能源”
由
汽车
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第 15 页
图 2. FloEFD 针对不同外壳材料得出的热仿真结果。
LED Ts (°C) 98 107 213
128 137 243
260.4 196.2 170重量（克）
LED Tj (°C)规格 150 (°C)
图 3. 全新 TQ Technology LED 雾灯与卤素雾灯的汽车道路测试比较。
TQT LED 雾灯 4W 卤素雾灯 55W
利用功耗更低的 3.2 W LED 设计，还有可能实现重量
更轻的灯设计。他们分析了三种外壳结构（图 2）。
在 CAD 嵌入式 FloEFD 中对 LED 的结温和表面温度
进行了仿真，以评估设计流程中不同结构效应的可靠
性。关键参数是 LED 结温，该温度必须低于 150 °C。
仿真的环境温度为 65 °C。
全金属外壳的结温最合适 (128 °C)，塑料外壳中的结
温则高达 243 °C —— 假设规格表中的最高温度为
150 °C，那么它已经超过该温度，使用寿命将会变得很
短。在 LED 底座上部分使用金属，而在反射镜上使用
塑料的混合结构提供了有效的散热，同时在塑料外壳上
保持了较低的温度。灯的重量也从 260 克（全金属）
降至 196 克（金属加塑料），节省了 24.7% 的重量。
这一混合解决方案被采纳为商用版雾灯设计（图 3）。
与卤素雾灯或其他 LED 雾灯设计相比，他们的最终
产品具有更高的性能，可节省更多能源，而且重量
更轻。
参考文献
(1) United Nations (2011), “ECE Regulation No. 19:
Uniform provisions concerning the approval of power-
driven vehicle front fog lights contents,” 阅读更多 。
汽车
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esonant Environmental Technologies 的工程
师对 Eramet Sauda 一处锰铁高炉出炉区的现
有排烟系统完成了一项研究。该组织设在挪
威，经营两座锰铁高炉和一座锰氧精炼 (MOR) 设备。
铁合金冶炼的出炉作业会生成大量烟气。必须有效地
捕获烟气才能满足环境、职业和法律要求。该项研
究包含现场测试出炉口、流槽和钢包区，以及使用
FloEFD 进行计算流体动力学 (CFD) 建模，以确定和评
估解决方案。
出炉口和出炉口后的作业会产生二次烟气排放。现有
的二次烟气捕获系统具有合格的容量，但易散性排放
在熔炉建筑中已经逸出。这些烟气中的氧化锰由于尺
寸很小，容易被人体吸入，而且会危害健康，包括锰
中毒和各种肺部疾病。因此，挪威法律针对可吸入锰
尘的规定变得极为严格。
在熔炉作业期间进行的现场测试和观测提供了系统
性能基准和使用 FloEFD 进行烟气流量仿真的输入参
数。Resonant Environmental Technologies 的工程师测
量了每个排烟区的气体流量和含能量。他们还拍摄了
照片和录像片段来评估烟气的泄露区。他们对照现场
观测结果验证 CFD 仿真，以确保输入参数的准确性。
然后，对多个概念进行建模，并研究适当的组合，以
确保提供可靠的解决方案。
捕获金属冶炼厂的易散性排放
典型的空
气幕位置
30° 空气幕 15° 空气幕 0° 空气幕
图 1. 典型的空气幕排列
推送
前端位置，1900x300 mm 烟罩；
10 mm 10m/s
拖拉
他们仔细研究了以下解决方案，以优化二次烟气捕
获，包括：空气幕（图 1），调整钢包罩的纵横比和
位置，增加钢包提取量，以及延长出炉存放区结构的
长度。最佳的总体解决方案是结合使用 2 米延长存放
区、增加提取量和空气幕。
R 他们使用 FloEFD 对出炉口、流槽和钢包区生成的烟
气进行仿真，并评估各种提取概念的捕获效率。他们
使用稳态方案而不是瞬态方案。热对流本身是非稳态
的。尽管在验证过程中可以使用非稳态方案，但他们
得出的结论是，稳态方案能够提供令人满意的结果，
实现对烟罩捕获效率的保守评估。
图 2.
工艺
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图 3. 存放延长区的 3D 模型
图 4. 成功改造在 FloEFD 中建模的空气幕
他们的研究结果包括：
1) 在此应用中，较厚的低速空气幕效果最佳。但改变
空气幕的角度没有显示任何明显的好处（图 4）。
2) 细长的烟罩纵横比相对当前的方形烟罩显示了少许
改进。而且，他们发现推送空气幕的测试效果较
差，因为更多的量被吹入存放区，导致额外的烟气
泄漏。最重要的是，提高钢包罩的提取速度显示大
幅提高了捕获效率（图 5）。
3) 延长存放区有助于提高捕获效率。不过，为了最大
限度提高捕获效率，有必要提高钢包罩提取速度。
根据以上分析，最有效的改造项目如下：
• 采用 10 mm、10 m/s 的空气幕
• 将钢包提取速度增加到 18 kg/s
• 延长存放区结构
如果没有仿真手段的协助，要通过尝试大量方案找到符
合环保法规的最有效方案，在经济上不具备可行性。
10 mm 垂直空气幕 10m/s 10 mm 15° 空气幕 10m/s
10 mm 30° 空气幕 10m/s
2 米延长区的等距视图
2.5 米延长区的等距视图
图 5. 在 FloEFD 中建模的钢包罩配置的温度图
前端位置 1900x300 mm；出炉口
18 kg/s；钢包 11 kg/s
前端位置 1900x300 mm；出炉口
18 kg/s；钢包 18 kg/s
后端位置 1900x300 mm；出炉口
18 kg/s；钢包 11 kg/s；10 mm
10m/s 推送空气幕
后端位置 1900x300 mm；出炉口
18 kg/s；钢包 18 kg/s
“如果没有仿真手段的协助，要通过尝试大量方案找到符合环
保法规的最有效方案，在经济上不具备可行性。”
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为地下煤矿营造更安全的环境连续采煤机是通过驱动带有一组尖刺的旋转鼓轮插入
煤层来采煤的机械，它们通常由操作员通过连接到机
械的远程线圈进行操控。图 1 显示了在连续采煤机切
入采煤工作面的过程中平巷的发展情况。切削操作产
生的摩擦会生成热量，甚至可能引起火花。再加上足
够浓度的瓦斯气体混合物以及煤尘云，灾难随时可能
发生。瓦斯气体浓度介于 5% 到 15% 之间可能着火并
燃烧；在 9% 的浓度下，只要存在明显的热源，氧气
和瓦斯的混合物就会呈现最佳着火状态。
近期地下煤矿频发的瓦斯气体着火事故引发了广泛的
担忧和疑问 ——“为什么事故突然急剧增加？”，因
此 Coaltech 联系 ESTEQ，寻求一种计算流体动力学
(CFD) 解决方案来对可能引发瓦斯着火或爆炸的典型
场景进行仿真。ESTEQ 为 Coaltech 提供了 NX CAD
工具和 FloEFD for NX CFD 工具来调查这类瓦斯着火
事故的再现。采用 FloEFD 技术的 CFD 仿真是支持
Coaltech 开展研究以及研究人员快速分析复杂模型的
关键所在。
典型的仿真需要在平巷的发展过程中对其内部的通风
状况进行建模，并补充连续采煤机和洗涤器布局、梭
图 2. 非均衡系统（顶部）与均衡系统（底部）的速
度流线
非均衡系统
均衡系统
图 1. 连续采煤机位于右侧的平巷俯视图
上一个槽路
煤
煤
平巷
CM
式矿车以及从新切削的煤层释放出来的瓦斯气体。尽
管调查工作近期才刚刚开始，但通过快速、轻松地更
改洗涤器、上下移动连续采煤机的切削头以及执行
“假设分析”场景，FloEFD 已经为 Coaltech 提供了
关于各种通风系统效果的宝贵见解。
图 2 显示了将射流风机的空气鼓入平巷并穿过洗涤器
的过程中的典型速度流线。
图 3 显示了连续采煤机和梭式矿车周围的瓦斯浓度等值
面，并高亮显示了高危区域。
瓦斯着火事故突然增加的原因一方面可归因于生产需
求的增加，另一方面则可归因于由于缺乏如何实现整
个系统的交互方面的见解而造成的通风设计不佳。煤
炭需求量的增加促使煤矿使用能以更高的速度采掘更
多煤炭的大型机械，这样一来就会产生更多煤尘，因
而必须使用更大规模的通风、粉尘抑制和洗涤器系统
来去除这些煤尘。
图 3. 非均衡系统（顶部）与均衡系统（底部）的瓦
斯浓度等值面
非均衡系统
均衡系统
通风要求的提高正是引发问题的所在。单靠提高各种
系统的流量可能产生无法预知的特性，而且由于系统
可能变为非均衡状态，这会对切削面的瓦斯稀释产生
不利影响。此外，还必须慎重考虑不同辅助性通风系
统的搭配问题，也就是说，为合适的洗涤器布局搭配
射流风机、斗式风墙或通风管道布局，以供应新鲜空
气。图 1 和图 2 显示了非均衡系统与更好的均衡系统
的效果。
工艺
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图 4. 非均衡系统（顶部）与均衡系统（底部）的等
值面和速度矢量 —— 考虑切削转鼓的旋转
非均衡系统
均衡系统
在使用非均衡系统的情况下，洗涤器流量切断了风道
的新鲜空气供应，致使大量污染空气回流和瓦斯积
聚。这在图 2 中非常明显，其中显示了瓦斯浓度的等
值面。一般而言，均衡系统的瓦斯浓度相对较低，因
为代表不同浓度水平的表面的封装固化量较小。在这
类特定仿真中，没有考虑切削转鼓的旋转；因此瓦斯
被滞留在转鼓与切削面之间。
转鼓的旋转有利于冲洗出切削面与转鼓之间的瓦斯，
前提条件是保证充足和有效的通风条件。也可以在
FloEFD 中通过滑移网格旋转功能对此进行仿真。
图 4 显示了相似的情形（采用不同的平巷和连续采煤
机配置），其中对切削转鼓的旋转进行了仿真。这些
图片是从所进行的瞬态分析动画中截取的静态屏幕截
图，但从中可以立即辨识出非均衡系统中的瓦斯积
聚。不论切削转鼓旋转与否，新鲜空气供应的渗透不
足都会导致洗涤器的污染空气大量回流，从而在切削
面形成瓦斯积聚。底部图片显示的瓦斯稀释效果则要
好得多。另外澄清一下，底部图片中局部稍高的瓦斯
浓度是由于停止仿真的物理时间所致。到这一点为
止，尽管非均衡情形显示瓦斯浓度仍在继续增加，但
与此同时，均衡情形已达到稳态条件。现在，完全可
以对这类复杂情形进行仿真，但这样做是否有任何好
处？这类仿真是否真的可用来可靠地预测特定环境下
将要发生的情况呢？本着这些问题，我们继续下一
点，即验证结果。
矿井通风的突破性发现
我们需要建立一个可量化和可度量的参数来验证 CFD
结果。考虑以上流量轨迹图像，取速度测量值来确定
气流分布可能看起来很难，甚至进行某种形式的烟气
示踪也很难，因为它会很快消失，仅留下一片烟尘
云。在这方面，我们可以依靠 CFD 来研究各种通风
系统配置的交互。
FloEFD 非常简单易用，它使得进行大量仿真分析成为
可能，据此我们得出了一种新颖的方法来确定实际回
流量。这听起来很轻松，实则不然，因为它并不能明
确揭示实际渗透到切削区域的新鲜空气量。通过执行
CFD 仿真并运用所提供的全面后处理功能，可以计算
回流量，进而估算瓦斯积聚情况。
图 5 显示了回流方程所预测的瓦斯积聚与直接从 CFD
结果提取的实际瓦斯浓度的比较结果。
图 5. 不同回流比下的瓦斯积聚
验证结果
为验证仿真结果，研究人员进行了一次物理地下试
验，控制释放的瓦斯水平并上下移动切削头，来仿真
典型作业。与获取点速度测量值来推导气流分布相
比，将预测的瓦斯水平与实际地下测量值进行比较，
提供了一种更可靠而且可量化的方法来验证 CFD 结
果。考虑的情形与图 1 到图 3 相似，连续采煤机位于
右侧的集水坑位置。
工艺
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图 6 显示了在地下试验期间从连续采煤机遥测提取
的时程图。黑线表示切削头位置从顶部移到底部的过
程。蓝线和红线分别是通过位于切削头左侧和右侧的
传感器检测到的瓦斯水平。我们观察到两项结果：其
一是左侧传感器（蓝色）的测量水平一直高于右侧传
感器（红色），这表示辅助性通风系统引发的自右向
左的运动；其二是每当切削头处于底部位置（圆圈位
置）时，左侧传感器就会达到峰值水平，这表示瓦斯
在切削头下移的过程中滞留在切削头下面。根据该图
表，很显然，该过程本身是瞬态的，并且进行此类仿
真会带来一系列挑战。但是，在合理的精度下，通过
将切削头固定在顶部或底部切削位置并仿真切削转鼓
的旋转，可以对在传感器位置测量的瓦斯浓度进行准
瞬态仿真。
图 7 是通过 CFD 仿真获得的瓦斯积聚随时间的变化
图表。该图表显示了连续采煤机周边所有传感器的平
均瓦斯水平。此外还显示了根据产品说明计算的瓦斯
水平（同样对所有传感器取均值）。CFD 预测结果与
实际情况相比相当吻合，只不过当切削头处于底部位
置时预测结果稍稍偏高，相反，当切削头处于顶部位
置时预测结果稍稍偏低。这可以归因于准瞬态建模方
法与切削序列的物理瞬态性质之间的差异所致。
图 7. 验证传感器上的平均瓦斯水平比较结果
在这些仿真中，切削头长时间保持在固定位置，这
样，当切削头位置较低时会增加瓦斯积聚，而当切削
头位置较高时，则有利于瓦斯稀释。当切削头位置较
低时，由于进气口被遮挡，洗涤器无法有效地吸入污
染空气，因此瓦斯会发生滞留，从而导致瓦斯积聚在
切削头的下面，造成平均瓦斯水平较高。当切削头位
置较高时，洗涤器进气口不再被遮挡，可以更有效地
吸入污染空气，因而有利于瓦斯的稀释。因此，在比
较切削头处于高、低位置的组合效应时，仿真结果与
测量结果之间的确存在很高的相关性。
图 6. 地下试验连续采煤机遥测。右侧集水坑情形
这些结果证明，即使对于地下采矿通风这样的复杂
系统，FloEFD 也能够生成准确、可靠的结果。借助
FloEFD 内置的各种创新和先进的技术，Coaltech 可以
通盘考虑整个主通风和辅助通风系统，同时保持高复
杂水平的连续采煤机、洗涤器、梭式矿车和射流风机
等几何形状。
能够胸有成竹地提供可靠的结果是地下采矿通风实现
范式转变的基础，它能带来集成度和相关度更高的设
计，在这些设计中，连续采煤机和通风系统将被彻底
设计为一个完整的集成系统。现在，通过使用 CFD 来
确定放置瓦斯传感器的最佳位置，可以实现更智能化
的设计，对瓦斯进行早期检测，而不对整个系统建模
是无法做到这一点的。
毫不夸张地说，这些发现都是以成百上千的仿真情形
为基础，而这要归功于简单易用的 FloEFD 技术。在
验证流程中包含与实际测量值的比较，这让 Coaltech
能够胸有成竹地使用 FloEFD 作为首选的 CFD 工具，
协助其在未来开发更加智能化的通风系统设计。
作者：Karl de Plessis，ESTEQ 技术专家
“这些结果证明，即使对于地下采矿通风这样的复杂系统，FloEFD
也能够生成准确、可靠的结果。借助 FloEFD 内置的各种创新和先进
的技术，Coaltech 可以通盘考虑整个主通风和辅助通风系统，同时
保持高复杂水平的连续采煤机、洗涤器、梭式矿车和射流风机等几
何形状。”
Karl de Plessis，ESTEQ
工艺
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运输
我们能否停下这列移动的列车？南非 Transnet Freight Rail 公司的工程师使用 FloEFD 来
研究列车车轮的热机械响应。新型列车车轮设计需要
遵从 UIC 510-5 和 EN 13979-1 等设计准则。其中一项
具体要求是关于制动过程的。在应用制动时会产生热
量，而这就会提高车轮温度，进而导致热膨胀。热膨
胀产生的横向偏转要求在规定的限制范围内。此外，
冷却期后测试结束时，残余环向应力不得超过材料的
屈服应力。
在 ESTEQ，我们建议了一种方法，以最少的工作量
在很短的周转时间内解决此问题，详情请参阅博客文
章。发表上述文章后，Transnet Freight Rail 的工程师
采用了这种方法，最近还将其有效地用于一项真实应
用。在此应用中，工程师必须研究特定的车轮，使其
符合 UIC 510-5 准则规范。下面讨论并展示这种建模
方法和结果。
阻力制动台架试验
UIC 510-5, 2007 准则中的阻力制动台架试验描述如下：
此试验必须仿真以 80 km/h 的速度行驶并且持续应用
制动的列车，时间为 45 分钟。之后是 45 分钟的冷却
期，期间列车仍以 80 km/h 的速度行驶。外部气流产
生的对流通过强制台架通风进行仿真，并依据准则规
定为 Vventilation = Vtrain/2。在此特定情形下，将车轮考虑在
内，制动器产生的热量计算为 15.7 kW（图 1）。
图 1. UIC 510-5, 2007 准则中规定的阻力制动测试条件
制动表面（15.7 kW 热源）
通风（行驶速度/2）
“FloEFD 在支持 Transnet Freight Rail 进行此类热机械响应研究
方面起到了重要作用，让我们能够以最少的工作量，在尽可能
短的时间内完成项目，最大限度降低了对物理测试的依赖，从
而节省了大量的时间和成本。”
Hendrik Esterhuyse，Transnet Freight Rail
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第 22 页
图 2. 外部流量分析 —— 速度流线
图 3. 外部流量分析 —— 热传递系数
图 4. 列车车轮组件的瞬态热响应
建模方法
要获得上述条件下的热膨胀所导致的精确偏转，需要掌
握整个车轮和轮轴组件上的精确温度分布。考虑到列车
正以 80 km/h 的速度行驶，因此同时发生强制对流，
而且由于车轮正在转动，车轮周围的气流会被瓦解，
因此不是以车轮为中心对称分布的。基于这些条件，
理想情况下应执行详细的 CFD 仿真来求解耦合热传递
问题，即，实体内的传导和车轮外表面的强制对流形
成的双向效应，以获得精确的温度分布。
尽管 FloEFD 可以求解耦合热传递问题，但根据阻力制
动测试说明，需要进行 90 分钟的瞬态仿真，而且执行
完整的外部流量和实体热传导需要大量计算时间。在
针对不同车轮磨损度完成各种制动台架试验时，需要
缩短计算时间。
因此，分析过程被分解为两个单独的步骤，以加快计
算速度。首先，对外部流量进行稳态分析（不含车轮
组件中的热传导），从中获得车轮和轮轴组件表面的
热传递系数 (HTC)（图 2 和图 3）。
然后在周向上求取 HTC 均值，并应用为瞬态分析的
边界条件。在本案例中，参数的周向均值被视为可以
接受，因为车轮正在以约 700 rpm 的速度旋转，这种
情况下旋转一圈的时间不到 0.1 秒，不足以发生任何
可度量的温度变化。
其次，执行内部热传导瞬态分析，最终产生有限元分
析所需的温度分布。在此步骤期间，外部流量将被忽
略，但第一步中的外壁面 HTC 边界条件会考虑外部流
量。制动产生的 15.7 kW 热量通过表面热源的方式应
用于制动表面。图 4 显示了在阻力制动试验的加热和
冷却阶段，车轮和轮轴温度相对时间的热响应情况。
运输
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第 23 页
然后将根据热状态（45 分钟）和冷状态（90 分钟）
得出的温度分布无缝地映射到车轮组件现有的一个
Nastran 有限元网格。图 5 展示了车轮组件的有限元
网格。
图 6 和图 7 展示了通过 FloEFD 得出的温度分布，以及
后续导出到 Nastran 网格的热状态和冷状态温度。很
显然，映射非常成功。
最后，按照 UIC 510-5 准则的规定，通过应用实体温
度分布以及车轮与轮轴之间的过盈配合，进行热结构
分析。图 8 和图 9 分别显示了热状态变形和冷状态残
余环向应力。正方向和负方向上的横向位移必须在车
轮准则规定的限制范围内，才能符合规范要求并被接
受。不过，由于专属权的原因，我们不能透露此特定
车轮是否通过了试验，图 9 表明，残余环向应力远低
于材料的屈服应力。
作者：Karl de Plessis，ESTEQ 技术专家
图 5. 在 MSC.Patran 中创建的 MSC.Nastran 有限元
网格
图 6. FloEFD 到 Nastran 导出 —— 热状态温度分布 图 7. FloEFD 到 Nastran 导出 —— 冷状态温度分布
图 8. 热状态 —— 变形 图 9. 冷状态 —— 残余环向应力
运输
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协作：设计冠军赛车的制胜法宝
美国国家赛车联合会 (NASCAR) 在大多数美国人的心目中占有特殊的地
位。而且，它的热度还在不断升温。NASCAR Whelen Euro 系列赛事如今
已成为一项非常成功并且深得人心的特许赛事。最近，2014 年度 NASCAR
Whelen Euro 赛季总冠军 Anthony Kumpen 向 Mentor Graphics 介绍了他与
比利时工程咨询团队 Voxdale 的协作情况。Voxdale CEO Koen Beyers 领
导的 Voxdale 团队使用 FloEFD 热仿真和气流仿真软件为其赛车在赛道上
的性能进行建模。由于 NASCAR 是一个封闭式的赛事系列，具有严格的
规章和规定，因此团队便利用仿真来获取关于赛车特性的见解。工程团队
与车手的协作让 NASCAR 团队能够主动改善赛车性能。请观看 Anthony
与 Koen 的这段采访短视频 http://go.mentor.com/4OU9m 。
“这远远超出了在驾驶舱内高速行驶的
概念，它让赛车跑得更快。全方位的提
升，才是赛车运动的精髓。”
Anthony Kumpen，2014 年度 NASCAR Whelen
Euro 系列赛事总冠军
运输
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航空航天
自 1985 年成立以来，设在威奇塔州立大学的美国航空研究学会
(NIAR) 就一直以美国实力最强的大学航空研究中心享誉全球。
传统上，开发任何类型的飞机通常都需要经过一个漫长的设计
过程，直至建造出第一个全尺寸样机来测试飞行特性。NIAR 的
Olivares 博士和他的团队一开始建立了一种方法，使用实时飞行仿
真器 MIURA 来提高飞行特性的预测精度。该仿真器所用的传统空
气动力学计算精度不够，包括预测失速以及螺旋桨性能或翼身干扰
等其他效应。
为了获得更精确的数据以馈入到仿真器并更好地预测飞行特征，
NIAR 团队在其测试模型，一个推挽式螺旋桨 UAV 上使用 FloEFD
for CATIA V5 进行了多次仿真。研究团队的目标是在虚拟工程环境
中更好地预测空气动力学以及研究更多模型（例如控制系统和电气
系统），同时收集整个飞行包线内的数据，以反馈到飞机结构的应
力仿真中。
Olivares 博士和他的团队在 FloEFD 的帮助下大幅改善了仿真器的
飞行特征。失速预测、螺旋桨性能和干扰效应有了更高的精度后，
团队得以开展建立虚拟工程方法的前期步骤，该方法在产品开发时
间和成本方面优于传统设计方法。
有关 NIAR 和比较数据的更多详细信息，请阅读
http://go.mentor.com/4Phz3 。
图 1. FloEFD 具有与风洞数据相同的升力曲线斜率和失速型态。另一方面，MIURA 捕获了
初始斜率，但过高地预测了失速 (17° AOA)。
美国航空研究学会 (NIAR)： 使用 CFD 工具开发实时飞行模型
“FloEFD 的四项特色功能令其成为此类应用的最佳候选
工具：CAD 嵌入式方法、浸入体网格划分技术、参数研
究和求解器精度。”
Gerardo Olivares 博士，美国航空研究学会
升力曲线与攻击角度
0 3 6 9 12 15 18 21
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
CL
攻击角度（度）
实验
FloEFDMiura 无校正
