2022 年 10 月，第五屆中國(guó)國(guó)際透平機(jī)械學(xué)術(shù)會(huì)議（CITC）在昆明古滇名城皇冠假日酒店隆重召開。

本次 CITC 會(huì)議的主題之一，是在能源轉(zhuǎn)型、各類新能源應(yīng)用崛起的新形勢(shì)下，探討透平機(jī)械產(chǎn)業(yè)所面臨的新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)。在這兩年一度的全國(guó)乃至全球透平機(jī)械產(chǎn)業(yè)界盛會(huì)上，Cadence（楷登電子）展出了其 Fidelity CFD 軟件平臺(tái)，獲得參會(huì)人士廣泛關(guān)注與好評(píng)。

透平機(jī)械（Turbomachinery）是對(duì)具有葉片的動(dòng)力式流體機(jī)械統(tǒng)稱，其共同特點(diǎn)是葉輪作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工質(zhì)（氣體或液體）與葉輪之間產(chǎn)生力的相互作用，借以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，從電腦主板散熱風(fēng)扇到風(fēng)力發(fā)電機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)，在生產(chǎn)生活中有著廣泛應(yīng)用。

從其基本原理也不難看出，透平機(jī)械的性能很大程度上取決于葉輪設(shè)計(jì)，而這樣的設(shè)計(jì)除了傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)外，正越來(lái)越多依賴于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件仿真手段。

不過(guò) CFD 軟件在實(shí)際運(yùn)用上，一直以來(lái)始終存在不少“痛點(diǎn)”，如：

流動(dòng)、傳熱、組分?jǐn)U散等多物理場(chǎng)的前處理、求解、后處理往往需要使用不同軟件廠商的工具自行整合開發(fā)流程，數(shù)據(jù)、模型與工程文件之間的轉(zhuǎn)換銜接費(fèi)時(shí)費(fèi)力；

商業(yè)軟件求解器精度不足，以至于工程師往往需要二次開發(fā)自行編寫；

軟件無(wú)法有效調(diào)度利用并行計(jì)算架構(gòu)資源，算力限制下開發(fā)人員往往不得不簡(jiǎn)化幾何、網(wǎng)格，以將求得收斂結(jié)果的周期壓縮到有意義的程度。

Cadence 此次展出的 Fidelity CFD 軟件平臺(tái)，則為上述“痛點(diǎn)”提供了一站式解決方案。

這一今年 4 月份推出的新一代高性能、高精度、多物理場(chǎng)仿真軟件平臺(tái)，是首款同時(shí)具有高階數(shù)值格式、尺度解析湍流模型和 GPU / CPU 加速功能的商用 CFD 軟件平臺(tái)。適用于多種工業(yè)領(lǐng)域，包括汽車、透平機(jī)械、船舶、航空航天等。Fidelity CFD 也標(biāo)志著一個(gè)全新架構(gòu)體系的創(chuàng)建，是 Cadence 積累的計(jì)算軟件專業(yè)知識(shí)和此前收購(gòu)的兩家專業(yè) CFD 公司技術(shù)經(jīng)驗(yàn)全面集成的結(jié)晶。

作為對(duì)前述 CFD 領(lǐng)域應(yīng)用“痛點(diǎn)”的回應(yīng)，F(xiàn)idelity CFD 將全流程先進(jìn)工具結(jié)合在一起，統(tǒng)一的工作流程免除了工具間的數(shù)據(jù)傳輸，助力工程師通過(guò)一體化的 Workflow 更好仿真多物理場(chǎng)的系統(tǒng)性能。

Fidelity CFD 引入了新一代流體求解器，包含專門用于船舶和透平機(jī)械應(yīng)用的流體求解器，以及用于多種流體類型的通用流體求解器。

該求解器可提供高階數(shù)值格式、尺度解析仿真和大規(guī)模硬件加速功能，可助力提高仿真性能，在確保準(zhǔn)確度的同時(shí)縮短研發(fā)周期，以更快的求解速度獲得更高精度的預(yù)報(bào)結(jié)果，求解器穩(wěn)健性和自動(dòng)化程度的提升還使其能夠支持多學(xué)科仿真，可對(duì)同一幾何模型同時(shí)進(jìn)行多物理場(chǎng)仿真。

資料顯示，其預(yù)測(cè)汽車空氣動(dòng)力阻力的精確度可比傳統(tǒng) CFD 求解器提高 10 倍，仿真分析周期則可以從數(shù)周縮短到一天乃至更短。

尤其值得一提的是，F(xiàn)idelity CFD 引入了獨(dú)特的網(wǎng)格生成技術(shù)。一直以來(lái)，幾何處理和網(wǎng)格劃分等前處理自動(dòng)化程度非常有限，占據(jù)了 CFD 工程師 75% 的工作時(shí)間，而 Fidelity CFD 創(chuàng)新性的網(wǎng)格生成技術(shù)可以極大提高效率，網(wǎng)格生成流程幾乎無(wú)需用戶參與，可以將這一環(huán)節(jié)耗時(shí)從數(shù)天縮短至數(shù)小時(shí)。根據(jù) Cadence 資料，其網(wǎng)格生成器可以使針對(duì)商業(yè)和軍用飛機(jī)以及太空運(yùn)載火箭周圍流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分速度加快 3 倍。

此外，F(xiàn)idelity CFD 還可以在現(xiàn)有的和新一代基于 GPU 的高性能計(jì)算（HPC）平臺(tái)上高效運(yùn)行。

利用 Fidelity CFD，開發(fā)人員可以解決道路車輛的風(fēng)噪問(wèn)題，提高新一代飛機(jī)航程，優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的氣動(dòng)性能，減少船舶的燃料消耗，能夠在保持高準(zhǔn)確度的同時(shí)顯著縮短設(shè)計(jì)周期。

在 F1 方程式賽車這一全球頂級(jí)競(jìng)速賽事中，圈速縮短幾分之一秒就意味著巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，各大車隊(duì)在賽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)上也因此毫不吝惜投入，展開了激烈的“軍備競(jìng)賽”，對(duì) CFD 軟件也有著極為“挑剔”的篩選眼光。

Fidelity CFD 甫一推出，就吸引了 F1 老牌車隊(duì)邁凱倫的關(guān)注，在今年 5 月宣布與 Cadence 結(jié)成技術(shù)合作伙伴，選用 Fidelity CFD 用于改進(jìn)其賽車空氣動(dòng)力學(xué)特性。

在另一項(xiàng)全球頂級(jí)航海賽事——美洲杯帆船賽中，日前也有包括衛(wèi)冕冠軍新西蘭酋長(zhǎng)隊(duì)在內(nèi)的三支參賽隊(duì)伍宣布選擇 Fidelity CFD 用于提升其比賽船只的航行性能，新西蘭酋長(zhǎng)隊(duì)曾在 2013 年以突破性的水翼技術(shù)一舉奪冠，船體下方的水翼由于可以抬升船體，減小浸潤(rùn)面積，大幅提高水動(dòng)力效率，業(yè)已成為各支隊(duì)伍競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)熱點(diǎn)，四冠王新西蘭酋長(zhǎng)隊(duì)與 Cadence 的攜手，足以反映出后者在 CFD 軟件領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力。

除了傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，近年來(lái)新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也為 CFD 軟件開辟出不少全新的應(yīng)用市場(chǎng)。以透平機(jī)械為例，隨著風(fēng)電光伏發(fā)電量提升，電網(wǎng)負(fù)載的動(dòng)態(tài)平衡日益成為迫切的課題，削峰填谷的電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能未來(lái)將有廣闊發(fā)展前景，在電化學(xué)技術(shù)路線之外，無(wú)論是當(dāng)前主流的抽水蓄能，還是新興的壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES），都需要高效的透平機(jī)械以減少損耗，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能效率，也為相應(yīng)場(chǎng)景下透平機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)新的約束條件，更高精度、更高效率的 CFD 軟件平臺(tái)，無(wú)疑可以幫助透平機(jī)械廠商更快更好地捕捉新興市場(chǎng)機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展。

隨著 Fidelity CFD 的推出，Cadence 已經(jīng)向外界展現(xiàn)了向流體仿真等更廣泛系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域拓展布局的意愿和能力。事實(shí)上，這樣的拓展也正符合自動(dòng)化、智能化融合發(fā)展的產(chǎn)業(yè)變革深層邏輯，并已成為越來(lái)越多系統(tǒng)廠商自覺或不自覺的實(shí)踐方向，依托數(shù)十年來(lái)持之以恒的內(nèi)部研發(fā)與外延并購(gòu)，Cadence 始終行進(jìn)在產(chǎn)業(yè)潮流的最前沿，并已成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)（ESD）向智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)（ISD）進(jìn)化的領(lǐng)導(dǎo)者。