随着计算机性能的提高，分析人员希望能够模拟更复杂的现象，移动物体就是其中的一种。通常，移动物体分析使用非结构化网格软件，Cradle的scFLOW&SC/Tetra是CFD非结构化网格软件，就能够模拟移动物体。不仅如此，Cradle还在其scSTREAM结构化网格软件中增强了移动物体功能。我们采访了scSTREAM移动物体功能的开发人员金山由纪先生，从而了解这项开发工作背后的故事。

展示scSTREAM前所未有的便利性和速度

scSTREAM中的移动物体功能已经存在一段时间了。然而，我们总是在形状处理、内存使用和计算时间方面存在问题。在分析运动物体时，大多数人选择使用非结构化网格软件。事实上，我们经常建议我们的客户使用scFLOW非结构化网格CFD软件，以解决他们的移动物体问题，因为使用非结构化网格软件对运动物体进行分析时，存在计算量大以及计算时间长等问题。

分析移动物体是一项具有挑战性的工作。即使您只是想转换一个物体，通常也需要进行重大调整才能成功地执行计算。因此，许多缺乏经验的工程师认为模拟移动物体是高级分析，并认为这对他们来说太难了。当我们为scSTREAM开发移动物体功能时，我们希望消除这种现象。我们使它能便于使用，只需要一些简单的设置。

在当今的计算流体动力学(CFD)行业，许多产品都可以分析移动的物体。然而，它们大多是非结构化网格软件，而像scSTREAM这样的结构化网格软件具有这样的能力是非常罕见的。scSTREAM中增强移动物体分析能力是显著的，计算速度快，网格生成简单，大大扩展了它的应用范围。

scSTREAM中原有的移动物体功能有一定的局限性。例如，scSTREAM到Version 8(2009年发布)的版本不能用于并行计算。并行计算仍处于相对初级阶段，从而难以适应与移动物体相关的复杂计算。然而，随着硬件性能的提高，以及模型大小和复杂性的相应增加，利用并行计算的能力来解决移动物体应用工程变得更加迫切。

另一个提高移动物体功能的改进是在运动物体之间的接触面加入热导率。这也必须用于多块网格。

图1. 搅拌器

实现运动物体的并行计算需要两个步骤。第一个是改进功能，使其能够求解流场。二是增强功能，使运动物体内部的热量能够被跟踪。第一步实现起来相对容易。然而，事实证明，提高热性能具有挑战性。scSTREAM是一个结构化网格软件。但是，移动物体内部的网格是非结构化的。此外，采用有限元法对物体内部进行热分析，采用有限体积法对物体周围的结构化流体单元进行分析。技术上的挑战是开发一种新的方法，从而同时考虑平行区域内流体元素和相邻运动物体之间的相互热干扰。对于这两个进程，我们使用真实的用户数据评估并行计算性能。来自用户的好评证实了他们的并行计算性能达到了预期效果。

图2. 扩散物的产生

移动物体并行计算的成功实现表明，我们可以利用并行计算在更短的时间内执行大型分析。接下来，我们将注意力集中在开发一个功能，来同时考虑运动物体之间相互热干扰的复杂问题。我们再次依赖于强大的用户合作，随着这项工作的推进，我们意识到移动物体和接触面的数量比我们预期的要多得多。起初我们认为我们可能需要开发一个全新的功能，幸运的是，我们能够确定一个满足用户期望的解决方案。来自用户的反馈再次让我们意识到，在开发和推出新功能时，用户反馈是多么重要，与我们的用户群体携手合作是Cradle在未来将做的更多的事情。

结果的影响

感谢用户的参与、反馈和评估，我们相信，当这个功能发布时，它将会成功，并为我们的客户提供显著增强的功能。此外，并行计算性能非常成功，因为它使scSTREAM用户减少了一些最复杂问题的计算时间。在某些情况下，使用scSTREAM进行计算比使用非结构化网格软件进行类似计算要快好几倍。例如，使用非结构化网格需要一周时间才能得到收敛解决方案的问题，scSTREAM可以在一天内解决。

图3. 地铁站楼梯周围风速分布

移动物体功能的通用性

移动物体功能可以用于分析围绕运动物体流动的流体。此外，scSTREAM中的移动物体功能可以分析物体的平移和旋转，这还包括平移和旋转的结合，以及速度变化的计算。该功能可作为温度、扩散种类和多相流分析的一部分。它可以用作热环境分析的一部分，或计算移动物体周围扩散物的浓度。此外，移动物体功能一个强大的功能是分析移动物体内部传热问题，这可以计算运动物体本身的温度随时间变化。

如何在scSTREAM中使用移动物体功能

1）指定移动物体

物体的属性必须是一个有限元模型。该物体可以由scSTREAM中的六面体或圆锥基体创建。如果该物体从外部文件导入为NASTRAN网格数据，则导入的数据不需要任何更改。

2）生成网格

为了解决移动物体内部的传热问题，必须将材料属性设置为“移动物体”。生成网格时，必须使每个移动物体网格包含一个或多个流体网格点。

3）设置边界条件

使用“条件向导”设置速度和热量边界条件。如果扩散物种是计算的一部分，它们的浓度也必须指定。

4）继续常规的设置过程

除了解决普通热流体问题的常规步骤外，还必须执行步骤1-3。这些条件可以使用条件向导来设置，这使得设置移动物体条件变得简单和容易。

其他注意事项

在scSTREAM中使用移动物体功能可以以低成本和简单的方式提高仿真的真实感和复杂性。此外，它不仅可以模拟物体的运动，还可以模拟运动物体接触面之间的传热或物种扩散。

在某些情况下，很难为移动物体应用项目生成强大的非结构化网格。通常采用网格拉伸/覆盖的方法模拟运动物体的网格划分方法。当物体移动较大时，变形的网格会导致计算不稳定和收敛困难。相比之下，scSTREAM移动物体功能不涉及网格变形，因此可以更自由地模拟运动。此外，结构化网格的生成速度非常快。

虽然scSTREAM结构化网格移动物体功能具有许多好的特性，但仍然存在一些限制。例如，计算步骤之间的时间间隔必须是合理的，所以物体不会在一个时间步骤中移动太远。如果时间间隔太大，会导致计算不稳定。Cradle还建议设置一个基础压力点，以提高计算的稳定性。

当scSTREAM版本11发布时，它将能够在移动物体功能中分析辐射，例如分析受热辐射影响的移动物体，如回流焊等。

结束语

scSTREAM中的移动物体功能特意设计得便于用户实现，这样即使是经验不足的工程师也会觉得它操作直观，便于使用。友好的设置条件向导帮助用户收集必要的输入数据。只要指定合理的时间间隔，计算就可以快速稳定。Cradle不断改进和增强scSTREAM移动物体功能，有了这些进展，更困难的问题都可以模拟，并能提高真实感和准确性。

图4. 一辆叉车进入冷藏库