项目背景

Cradle CFD软件作为通用计算流体力学软件，其具有超强大的网格生成功能，友好的用户界面以及高效的求解能力，因此被广泛应用于土木工程、交通运输、车辆机械，航空航天和电子等行业。在Cradle CFD 2022版中更是推出了非常全面的非牛顿流体计算模型，其中包括幂律模型、Casson模型、Bingham模型和Herschel-Bulkley模型，这也使得利用Cradle CFD软件对非牛顿流体进行分析时更为简便，在Cradle CFD软件计算过程中，计算机的CPU、GPU和内存等配置都会影响到Cradle CFD软件在进行数值计算过程时的体验，本次仿真模拟中使用的惠普Z系列 Z8 G4台式工作站（图1）表现出了极好的计算能力。

图1 惠普Z系列 Z8 G4台式工作站

挑   战

在实际工程中水泥基灌浆材料的流变性能是决定工程质量优劣的重要参数。但是通过多年的施工经验来看，在现场用于指导施工的是其流动性指标，因为流动性指标便于测量。但是，材料的流变性也就是所谓的流变参数才能真正决定其性能，但由于便捷性不足导致无法直接通过流变参数来评估材料的性能。因此可以采用Cradle CFD建立材料流变性与流动性之间的关系，在使用Cradle CFD软件对水泥基灌浆材料在日式浆体漏斗与马氏漏斗中的流动状态进行模拟过程中，惠普Z系列 Z8 G4台式工作站配备了求解器为16核单线程并搭载了2颗英特尔至强Silver 4216 处理器，GPU型号为NVIDIA RTX A6000（图2）。NVIDIA RTX™ A6000 在 NVIDIA Ampere 架构的基础上构建而成，可为设计师、工程师、科学家及艺术家提供处理图形和计算密集型工作流程所需的一切性能。搭载的最新一代的 RT Core、Tensor Core 和 CUDA® Core，可提供远超以往的渲染、AI、图形和计算性能。

图2 NVIDIA RTX A6000

解决方案

水泥基灌注材料漏斗流动性的几何模型根据原尺寸创建，如图3所示。其中日式浆体漏斗上口直径为70mm，下口直径为10mm，总高度为450mm，主体高度为415mm，出口长度为35mm，马氏漏斗上口直径为125mm，下口直径为10mm，总高度为280mm，主体高度为220mm，出口长度为60mm。如图4所示。

图3 漏斗几何模型尺寸

图4 漏斗全尺寸几何模型

为了降低模型计算量以及增加模拟精度，除了原尺寸的模型以外，还将针对1/2尺寸模型进行数值分析，并且对1/2尺寸模型出口处做出增加高62mm，宽32mm的计算域的修改，模型详细情况如图5所示。

图5 漏斗1/2尺寸几何模型

模型采用多面体网格进行划分。为了提高模拟精度，对漏斗出口处的网格进行了细分，每种模型都采用相同的网格划分方式。最后，日式浆体漏斗出口上部网格尺寸为0.005m，出口处的网格尺寸为0.002m，单元数量为64924。马氏漏斗模型出口上部尺寸为0.003m，出口处尺寸为0.0015m，单元数量为334028。图3中漏斗几何模型的网格划分如图6和图7所示。

图6 漏斗全尺寸网格模型

图7 漏斗1/2尺寸网格模型

计算模型采用Bingham模型，以同种配比水泥基灌浆在两种相同网格划分方式的模型中进行数值计算，求解器采用Cradle CFD软件，在工作站上采用16核单线程进行求解。计算发现，模拟水泥基灌注材料过程中，对于日式漏斗，全尺寸模型求解时间约为307分钟，1/2尺寸模型的求解时间约为44分钟；对于马式漏斗，全尺寸模型求解时间约为434分钟，1/2尺寸模型的求解时间约为55分钟。此外，全尺寸模型和1/2模型的计算结果相差在3%以内。图8为1/2模型计算结果和实测结果对比，分析可知，采用1/2模型不仅可以高精度的模拟水泥基材料流动，并且相较于全尺寸模型，能够节省85%以上的计算时间，计算过程中惠普工作站的CPU利用率和GPU利用率如图9和图10所示。

图8 仿真结果与实测结果对比

图9 CPU利用率                                                            图10 GPU利用率

由图可知，在进行CFD计算过程中CPU利用率约为37%，GPU利用率仅在2%-5%之间波动，并且内存仅使用8%左右。此外，工作站现代外观设计支持免工具访问整洁的模块化内部布局。整个系统中布局合理的通风孔和通风导管有助于优化气流，实现静音效果，放置在办公室中，能够大幅提升工作效率。

图11 数值计算过程中CPU、GPU及内存使用情况

结   果

图12 日式漏斗流动状态后处理

图13 马氏漏斗流动状态

新拌水泥净浆在两种漏斗中的流动状态如图12和图13所示，1/2尺寸模型将水泥净浆在漏斗内的流动过程直观的显现出来。通过观察发现，从流动时间的角度分析，无论是日式浆体漏斗模型还是马氏漏斗模型，均将计算结果与实测结果之间的误差控制在良好的范围内。使用惠普Z8 G4台式工作站的硬件配置不仅完全满足CFD大型算例的计算需求，并且能够进行长时间的稳定计算，大大缩短计算时间，特别是在进行结果可视化时动态渲染非常流畅，未来惠普工作站将继续与Cradle CFD软件开展深度合作，为用户提供更加优质的技术服务。