NUMECA、CFD与美洲杯帆船赛

本文翻译自Cadence “Breakfast Bytes Blogs”专栏作者Paul McLellan文章"NUMECA, Computational Fluid Dynamics...and the America's Cup"。

space

什么是计算流体力学（CFD）？美洲杯帆船赛（America's Cup）与其有何关系？

今年美洲杯帆船赛的卫冕冠军是新西兰酋长队，他们制胜的秘密武器是使用了NUMECA FINE/Marine CFD软件设计的船体和水翼。但实际上，从下文的视频可以发现，“船体”一词并不正确；比起“航行”，他们秘密武器更像是在“飞行”。这艘船和以前见过的任何船都不一样，一旦达到足够快的速度，它就会骑在水翼上。

该团队的设计负责人Dan Bernasconi解释说：

“由于禁止进行水槽和水洞试验，而且两艘AC75不能同时航行，所以设计关键在于团队准确建模和预测游艇性能的能力。而模拟就是我们赢得美洲杯帆船赛最为关键的因素。”

今年年初，Cadence公司收购了总部位于比利时的NUMECA公司，详情请见《Cadence 收购计算流体动力学公司 NUMECA》一文。因此，Cadence公司可以坐享其成，四舍五入等于我们赢得了美洲杯帆船赛！

NUMECA发展历程

NUMECA由Charles Hirsch博士于1993年创立，Marc Tombroff是创立公司后的首位员工。为了深入了解NUMECA的技术与应用，我们对Marc Tombroff进行了采访交流——

Marc Tombroff目前担任NUMECA的研发副总裁兼总经理职务。他表示这项技术最初是在布鲁塞尔大学（Vrije Universiteit Brussels）的实验室开发出来的，彼时需要进一步发展。该技术解算出了纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations），并进行了网格划分和后期处理。

计算流体力学比Cadence公司的其他系统分析更具挑战性。顾名思义，流体是流动的，并且会一直不停地流动（这与集成电路封装相反，因为集成电路封装在PCB上时是静止的）。

Charles与Marc逐步建立起了公司，使这项大学技术实现了工业化。当时，业界没有GUI，没有工业标准，也没有质量管理，NUMECA是从无到有一步一步发展而来的。尽管该解算程序是多用途的，但是Charles决定不提供面向通用计算流体力学的产品，而是将NUMECA打造成专注于特定应用的产品—— FINE/Turbo是他们开发的第一个项目。FINE是流程集成环境（Flow Integrated Environment）的缩写，是首个专门用于涡轮机械流体模拟的软件环境。涡轮机械是他们基于以往的大学研究经验做出的选择。而且，他们已经与负责欧洲阿丽亚娜火箭发动机Vulcain的设计公司进行了初步接触，这家公司成为了NUMECA的主要长期客户与合作伙伴。

“我们是当时首个能够模拟液氢泵的三维湍流和空泡流的公司。Vulcain的设计公司找到我们，根据一些研究实验室的标准对我们进行了基准测试，由于我们网格质量优异、结算程序的性能可靠，我们通过了测试。这就是NUMECA的起家历程。

流体力学分析的一个关键因素是网格划分能力。我们收到涡轮泵的CAD文件之后生成了高质量的网格。一方面，物理模拟的准确度和质量是非常重要的；另一方面，放置这些网格点需要花费大量的工程时间，于是我们决定开发一款专门用于涡轮机械的自动网格生成工具——AUTOGRID。我们是第一家面向市场推出此类产品的公司，且该产品在市场上一直稳居第一。只需按下按钮，就能在两三分钟时间内为涡轮机、压缩机、泵等任意机械生成网格。AUTOGRID与我们的解算程序性能相结合，集成在专用GUI FINE/Turbo中，是市场上一款真正具有突破性的产品，获得了全球市场的强烈认可。

我们从此应用出发，探索出更多的工业应用，例如用于汽车和卡车的压缩机、涡轮机、泵和涡轮增压器。我们曾力克群雄攻下了一个大项目：为世界领先的涡轮增压器制造商进行了基准测试，并在精确度和时间方面取得了最优表现。但是由于我们当时只有大约30名员工，而竞争对手的规模则大得多，所以当时由竞争对手得标。然而，我告诉制造商的集团经理：选择一种精确度较低、速度较慢的技术，同时又希望让涡轮增压器保持市场领先地位，这是不可能的事情。经过一番商讨，我们进行了第二轮基准测试，证实了NUMECA的性能，并且最终拿下了这个项目。这是一份非常大的合同，为我们提供了许多新的机会。”

在进行了资本投资后，NUMECA扩大了销售并开设了全球办事处，同时把业务从涡轮机械扩展到海洋领域……因而有机会进入到美洲杯帆船赛中。Marc表示：

“美洲杯帆船赛决赛是新西兰队对战意大利队。新西兰队使用我们的软件FINE/Marine来建造船体和水翼，意大利队则使用的是竞争对手的软件。比赛采取的是直线竞赛，由于水翼和船体的形状，新西兰队的速度明显更快。他们的船体不再像传统帆船的形状，而是采用一种颠覆性的外形；这种形状不是工程师凭空想象出来的，而是利用软件创造出来的。因此帆船的形状有更大的自由度，且全3D打印，非常漂亮，远远超出了人类大脑的想象空间。最终，新西兰队以7:3的成绩赢得了比赛，这是我们第三次一起合作取得的胜利。”

继海洋领域之后，NUMECA又扩展到了汽车、航空和多物理应用领域。流体在世界上无处不在：水、油、空气、燃烧、通风、污染物都涉及到流体。

“我们生活在流体世界中。”

NUMECA的战略是开发覆盖所有这些产品的应用程序，同时将每个细分市场涵盖于一个特定的软件环境中。

为此，NUMECA引入了一项新技术OMNIS，这是一个全新的平台、一种全新的软件环境，可以在一个客户端-服务器平台中包含所有这些应用程序，但每个应用程序都有其定制的GUI和工作流程。OMNIS适用于多学科的物理学，是真正强大的、可涵盖声学、热学、电学以及磁学等多学科的计算机辅助工程（computer-aided engineering ，即CAE）软件。

“NUMECA的神奇之处在于优化。我们在这一方面拥有雄厚的技术实力，成功案例不胜枚举，比如更低排放和噪音的发动机、更加符合空气动力学形状的飞机或汽车、更低能耗或更佳水动力的帆船。显然，未来的技术趋势依然是优化，输入帆船、飞机或汽车的设计目标和限制条件，系统就会生成最佳的可能形状。”

美洲杯帆船赛冠军

Joris Vanherzeele是NUMECA的全球销售和市场营销总监，在NUMECA工作了6年之久。

他同样讲述了一些NUMECA的发展历程，提到NUMECA是如何凭借特定的解算程序进军涡轮机械应用领域的。在连续15年期间，公司的战略一直都是专注于解算程序，因为这能提高设置速度并得到准确结果，是提高生产率的最为简单有效的方法。

NUMECA开始与美洲杯帆船赛合作。

“我们已经参加了三四届美洲杯帆船赛，一直名列前茅。今年赛场上的争夺非常激烈，但是我们又一次夺得了冠军。曾经有一年决赛的两支队伍使用的都是我们的工具，所以我们无论如何都是赢家。”

近七八年来，NUMECA将包括预处理、解算、后处理和优化在内的所有工具都整合到了OMNIS环境中。OMNIS可以被部署得非常复杂，但能始终保持统一。

“NUMECA不仅易于使用，而且方便协作，真的非常出色。”

如欲了解更多NUMECA应用详情，欢迎点击这里。

*原创内容，转载请注明出处：https://community.cadence.com。

space

欢迎订阅“PCB、IC封装：设计与仿真分析”博客专栏，

或扫描二维码关注“Cadence楷登PCB及封装资源中心”微信服务号，更多精彩期待您的参与！

space

联系我们：spb_china@cadence.com