《Journal of Manufacturing Processes》：A multiscale transient compressible approach for accelerated simulation and optimization of airflow in high-pressure die casting venting elements
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研究人员提出了一种用于高压压铸（High-Pressure Die Casting，HPDC）排气元件中瞬态可压缩气流的多尺度0D–1D–3D框架。实验验证确认了该方法对多种排气设计具有准确的压力预测能力。自适应时间步进（Adaptive Time-Stepp
研究人员提出了一种用于高压压铸（High-Pressure Die Casting，HPDC）排气元件中瞬态可压缩气流的多尺度0D–1D–3D框架。实验验证确认了该方法对多种排气设计具有准确的压力预测能力。自适应时间步进（Adaptive Time-Stepping，ATS）相比全三维（3D）模拟实现了155×加速。模拟时间从数周缩短至在标准个人电脑上的数小时。该方法可实现快速的仿真驱动设计与优化，用于HPDC排气系统。
高压压铸（High-Pressure Die Casting，HPDC）是一种广泛用于汽车、航空航天和电子行业的高精度复杂金属零部件制造工艺。该工艺以30–60 m/s的注射速度和数十兆帕的高压将铝合金、镁合金或锌合金熔体注入模具，可获得薄壁、高表面质量和近净成形能力。然而，高速注射过程会产生湍流，导致空气卷吸和气孔缺陷，进而降低铸件的力学性能，行业平均废品率达5%–10%，其中充型不完整缺陷占比可高达47%。排气系统的主要功能是在充型过程中高效排出型腔内的空气，其设计需同时满足对空气流动的低阻力与对熔体推进的高阻力。传统的排气元件设计依赖昂贵的经验试错方法，每次原型迭代成本可达数千欧元，且高保真三维（3D）计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟虽然能捕捉排气元件内湍流、非定常及可压缩流动，但单次模拟往往需要数周时间，难以用于快速迭代和优化。因此，开发一种能显著降低计算成本同时保持预测精度的多尺度模拟框架，是推动排气系统仿真驱动设计的关键需求。
研究人员在本研究中开发并验证了一种集成0D–1D–3D的瞬态可压缩多尺度模拟框架，并引入自适应时间步进（ATS）策略，用于高效模拟高压压铸排气元件中的空气排出过程。该框架中，0D模型以解析形式描述压罐和真空罐内的整体压力动态，1D模型求解排气管道内的气体输运，3D模型则精细化解析复杂排气几何内的可压缩湍流流动。通过与多种排气几何和罐体尺寸下的实验压力测量数据进行系统对比，该框架在保持预测精度的前提下，将计算时间从数周缩短至数小时，相对全3D模拟实现了约155×加速。这一成果使得大规模的设计优化和参数研究在实际工业环境中成为可能，显著降低了开发成本和对物理原型的依赖，为高压压铸排气系统的仿真驱动优化提供了实用工具。
在关键技术方法方面，研究人员采用商业CFD软件Simcenter STAR-CCM+，使用隐式非定常耦合求解器求解连续性、动量和能量方程，并采用可实现k–ε（Realizable k–ε）湍流模型模拟湍流。高保真基线模拟使用约120万单元的全多面体网格，随后逐步进行网格定制：管道区域改为结构化六面体网格，继而使用一维（1D）单元表示管道，形成1D–3D多尺度模拟；最终将压罐和真空罐以解析0D模型替代，仅保留排气元件附近的3D网格，单元数降至约33万。0D压力罐模型基于理想气体可逆绝热膨胀和壅塞流假设从第一性原理推导，引入放电系数和修正系数；真空罐压力采用经验关联式。实验数据来自InterGuss Gie?ereiprodukte GmbH的工业试验台，包含G1（120 mm宽）和G2（100 mm宽）两种排气几何，压罐体积为3.5 L、7 L、10 L和14 L，真空罐体积为0.587 m3，初始压力为0.03 bar。
研究结果部分，首先在6.1节“高保真模拟与实验结果对比”中，研究人员通过全3D多面体网格模拟复现实验压力曲线，在高压和低压监测点的相对均方根误差（RMSE）分别为12.6%和15.6%，验证了高保真模拟的可靠性。6.2节“网格定制与1D–3D多尺度模拟”中，通过逐步将管道替换为六面体网格和1D单元，并最小化排气区域3D单元数，得到优化后的1D–3D模拟，其RMSE分别降至2.9%和9.7%，表明该简化策略在不牺牲精度的前提下有效降低计算成本。6.3节“推导解析函数替代罐（0D建模）”中，研究人员基于壅塞流理论推导了压力罐的0D模型，并利用单个参考案例（G1+7 L）回归得到修正系数；真空罐则通过经验关联式描述。该模型在后续盲测中展现了良好的可迁移性。6.4节“0D–1D–3D多尺度模拟结果”中，0D边界条件准确复现了全模拟的压力分布，RMSE为4.5%和10.3%；进一步引入ATS后，RMSE为3.5%和8.8%，且模拟速度大幅提升。6.5节“所有建模策略的计算性能比较”表明，网格定制、0D模型和ATS逐步累积，最终实现约155×加速，使模拟从数周缩短至数小时。6.6节“不同罐尺寸和排气几何的测试”中，对G2几何的RMSE为1.5%（高压）和24%（低压），后者源于低压监测点接近真空初始压力，微小绝对偏差被放大；不同罐体积下高压监测点RMSE在3.5 L时为6.7%，10 L和14 L时升至8.5%和12.6%，表明修正系数对参考工况外推存在局限。6.7节“排气几何优化示例”中，研究人员将验证后的0D–1D–3D–ATS模型用于多目标优化，评估了数千种候选几何，获得了在压降和熔体温度差两方面均优于原设计的Pareto前沿，证明了该框架在实际设计优化中的价值。
讨论部分指出，简化模型RMSE低于高保真基线的原因主要有两方面：一是结构化六面体网格数值扩散低于多面体网格，纯粹是数值效应；二是0D模型嵌入的实验校准系数使其与校准数据集的吻合度提高，并不代表降阶物理模型本身比全3D更精确。对于大罐体情况，高压监测点误差增大，因为放电时间常数随罐体积线性增大，罐内热力学状态更长时间处于外推区域，且恒定修正系数无法捕捉体积相关的损失机制。未来工作可考虑引入与体积相关的修正系数，并拓展关联式的适用范围。研究结论可翻译为：本研究开发了一种新颖的多尺度框架，可高效且准确地模拟高压压铸排气系统中的空气排出。高保真3D模拟首先经实验验证，为后续简化提供了可靠基准。网格定制和1D–3D耦合使计算成本降低，实现了超过5×的加速。基于实验数据拟合的半解析0D模型替代压罐和真空罐，进一步加速并保持压力预测几乎不变。自适应时间步进带来额外性能提升，最终相对原始高保真模型加速约155×，使模拟时间从数周缩短至标准个人电脑上的数小时。跨排气几何和罐体尺寸的验证确认了该框架的鲁棒性和预测能力，所有情况下高压监测点的相对均方根误差均未超过13%。最终，该0D–1D–3D–ATS模拟框架提供了一种计算上可负担且准确的方法，用于研究和优化HPDC排气元件，支持快速设计迭代，减少昂贵的物理原型测试，并推动压铸行业的仿真驱动优化发展。
