Simerics 新一代通用三维工程流体仿真软件

Simerics介绍

Simerics是美国Simerics公司继专业运动机械CFD模拟软件PumpLinx之后,推出的一款通用三维工程流体分析软件。Simerics秉承PumpLinx独特的技术优势,将CFD工具的应用范围拓展到了更多的工程领域,特别适合分析以下方面的工程流体问题。

  • 内流/外流
  • 层流/湍流
  • 空化/VOF多相流;
  • 可压/不可压;
  • 亚音速/超音速;
  • 稳态/瞬态;
  • 导热/对流传热/辐射;
  • 旋转/平动等运动问题

Simerics是一家美国的流体动力学软件/咨询公司,总部位于美国西雅图,并在阿拉巴马州亨茨威尔市拥有技术研发中心,它的使命是为客户提供高效率、高精度的CFD模拟工具。Simerics的技术团队由科学家和工程师构成,他们中的核心成员早在1980年就开始CFD软件开发和应用方面的研究。他们将丰富的流体知识和经验与先进的计算物理学、计算几何学和软件工程相结合,为客户提供领先的工程流体分析工具。

Simerics的技术优势

Simerics独特的网格技术

Simerics包括一个自动化的网格生成工具,它可以简洁高效地生成CFD求解器需要的高质量网格。这个网格生成器采用了独特的几何等角自适应二叉树(geometry Conformal Adaptative Binary-tree)算法,既CAB算法。CAB算法在由封闭表面构成的流体域内生成笛卡尔网格。在靠近几何边界,CAB通过求交、切割等方法调整网格,以适应几何特征中的曲线和曲面。为了适应关键性的几何特征,CAB通过不断的分裂网格来自动的调整网格大小,这是利用最小的网格分辨细节特征的最有效方法。对于结构复杂的几何模型来说,这种基于CAB算法的笛卡尔网格尤其适合,即可以保证网格的精度,又极大地控制了网格的数量。

笛卡尔网格的数据结构


复杂几何体网格划分

Simerics的网格技术特点可总结如下:

1) 自动、快速的网格生成:用户选择一组封闭表面,点击一个按钮,网格完全自动的生成。对于大多数工程问题,可以在几分钟之内完成网格划分。

2) 精确的表达原始几何:创建与曲面形状相匹配的网格,可以保证准确表达重要几何特征。CAB算法也可以自动的增加网格密度来更好的分辨几何特征,用户可以直接设置曲面的网格密度来直接控制网格质量。

     

坦克表面网格划分

3) 高质量/高效率的网格:CAB通常生成更适合于高精度算法的笛卡尔六面体网格。对于同样的精度水平,与四面体网格相比数量更少。与传统的贴体结构化网格相比,笛卡尔网格也可用较少的网格数量达到相同的精度。下图展示了贴体结构化网格和Simerics中笛卡尔网格在对离心泵进行CFD模拟时的结果对比。其中,左侧贴体网格数量约为75万,右侧笛卡尔网格约为39万。

4) 能够容忍“烂”几何:许多CAD曲面并不是完全贴合,它们也许有小缝隙,或者是没有专门缝合在一起。如果几何包含这样的“烂”特征,许多网格生成算法会失败,因此在生成之前,几何必须清理干净。CAB算法在一定程度上可以容忍“烂”几何。对于多数情况,CAB基于“烂”几何可以生成合理的网格,而精度损失是可以忽略的,从而获得有意义的模拟结果。

     贴体结构化网格与笛卡尔网格结果对比

Simerics稳健而精确的多相流模型

  • 全空化模型

PumpLinx拥有工业界独一无二的空化(汽蚀)模型,该模型基于A shok.Singhal和Jiang Yu等人提出的全空化模型。全空化模型是基于两相流的模型思想,用Rayleigh-plesset方程求解气泡变化的动态过程,引入了混合密度的概念,并综合考虑了液体的可压缩性以及蒸汽的蒸发和凝结过程。对于非凝结气,PumpLinx也提供了不同的子模型供用户选择,如固定气体质量分数、可变气体质量分数、平衡态气体溶解,挥发模型、有限速率气体溶解,挥发模型等。

 PumpLinx空化模型的特别之处在于对特别困难的问题,在其它软件都失败的情况下,PumpLinx依然可以收敛。除此之外,该空化模型不但能准确地预测汽蚀对效率的影响,还可以准确地预测汽蚀损害可能发生的位置,当空化效应不可忽略时,这一能力对于许多问题都是很重要的。

  •  VOF多相流模型

PumpLinx_3.5版本已推出VOF两相流数值模型,并在许多案例中得到成功应用,其技术特点如下:严格遵守质量守恒及不可压缩项的体积守恒,可考虑任意项的可压/不可压特性,可采用隐式或显式时间格式,具有高分辨率的交互面捕捉方法,内置表面张力模型和壁面接触模型。目前PumpLinx VOF模型已成功应用于齿轮箱油液润滑,油泵自吸,溢流堰流场仿真,溃坝以及搅拌器内流场仿真等验证等。结合PumpLinx的具体应用,PumpLinx VOF模型具有如下优势:

  • 可处理具有复杂结构的模型
  • 可考虑微米间隙问题
  • 具备多种类型的网格技术,可针对不同模型采用不同方法划分网格
  • 先进的移动/华东/变形网格之间的交互面技术(MGI)
  • 可应用于多种类型的运动机械和阀门
  • 可适用于大范围的动压改变
  • 与实验值具有良好的吻合性
  • 合理的计算时间,对于复杂问题亦是如此
  • 具有良好的收敛性和稳定性。

Simerics先进的动/静流体区域模拟

   CFD模拟中经常会遇到运动(旋转或平移)部件,如:泵、风机、螺旋桨、液压缸等流体机械。要准确的模拟该类问题,需要对流体控制方程、计算网格等进行相应的处理。而且根据需要,还要考虑采用准静态或是瞬态模拟,难度较大。

Simerics结合先进的动网格技术,可以方便的将流体区域设置为旋转、平移等类型(如下图)。MGI(Mismatched Gird Interface)技术对不同流体区域(如:转/静区域)的边界设置为一对交界面(interface),这种处理方式操作简便、计算精确、速度快且具有很好的稳定性,各流体变量完全自动地、隐式地在移动表面上通过。

流体区域交界面

Simerics高效的求解器

Simerics求解器是在传统的CFD求解器基础上进行开发和改进,将其最新的数值技术与Simerics专有算法相结合,建立了一个比其它竞争对手更快速、更稳健的数值模拟工具。一般来说,在同等计算条件下,Simerics计算速度比同类软件快5倍左右。

Simerics完备的后处理分析技术

   Simerics作为新一代热流体仿真工具,其界面友好性强,易于操作,且后处理功能完备。Simerics在进行求解计算时可实时查看流场计算的各种结果,如压力、速度、空化、温度及等的分布,以及流线动态变化、颗粒追踪轨迹等。同时在计算过程中,Simerics也可实时定义监测点或截面变量,预测压力波动、空化、速度矢量、等值面、流线图等。此外Simerics还可以在一个界面下建立多个监测窗口,实时查看各监测窗口数据。Simerics动画制作便捷,可制作任意视角的动画效果,观察分析物体内部的流动状态。

Simerics典型工程应用案例

多相流仿真应用

多相流是在流体力学、传热传质学、物理化学、燃烧学等学科的基础上发展起来的一门新兴学科,它广泛应用于能源、动力、核能、石油、化工、冶金、制冷、低温、环境保护及航天技术等许多工业部门。多相流常见于各种形态的两相流,如气液、气固和液固等,PumpLinx可建立VOF、液固和气固等多相流模型和基本方程组,分析各相的压力、速度、温度、表观密度、悬浮物分布,研究多相流动的压力降、稳定性、临界态以及相互作用等。

油箱晃动仿真(VOF)

混拌器内部流场仿真(VOF)

泵仿真应用

Simerics高效的网格生成方法可以快速完成模型复杂的泵及旋转机械流场网格划分。Simerics独特的全空化模型可以准确预测泵及旋转机械内部的空化现象。该模型特有的气蚀损害模型(Cavitation Damage Model),可以对部件表面的损伤进行评估,为工程师的改进设计提供合理判据。空化区域和汽蚀损害区域并不完全一致,造成损害的区域一般在空泡溃灭的区域,并与溃灭速率、气化潜热和过流面硬度等有关。汽蚀损伤的指标为汽蚀损害能量(Cavitation Damage Power),单位为W,当某区域的该值超过5 × 108W时,意味着很有可能造成汽蚀损伤。

   


离心泵空化区域与潜在汽蚀损害区域对比

离心泵汽蚀余量预测

轴流泵汽蚀预测与试验对比

风机CFD模拟

风机是一种非常常见的流体机械,风机行业面临非常严酷的市场竞争,要求风机设计满足高效率、低噪音和低成本的要求,采用工程流体分析软件Simerics可以在设计初期评价风机的性能。Simerics不同于其它的CFD软件,由于它网格生成简单、计算过程稳健、结果分析形象直观,受到设计人员的好评。Simerics可以对风机进行全面瞬态分析,而且求解速度快,可在短时间内进行多工况性能分析,满足产品生命周期要求。

风机模拟流程及性能曲线预测

离心风机压力云图及速度剖面

油汀散热器应用

油汀内的油的流动是由于温差作用产生的自然对流,油的密度、粘度、比热以及导热系数都是随温度变化的,在计算中都需设定为温度的函数。Simerics可以支持多类函数的应用,以考虑不同状态下物性参数变化对流体流动和热场产生的影响。

油汀竖直剖面温度分布云图

   图所示为油汀中央竖直剖面温度分布云图,从图中可以看到:油汀底部的油由于加热装置加热,温度增加,密度变小,在浮升力的作用下向油汀上方流动,温度会逐渐降低,在竖直方向上温度出现分层。

复杂几何体的外流CFD模拟

外流CFD分析应用非常广泛,如返回舱的外流、汽车和摩托车的空气动力学特性分析都是典型的外流应用。外流应用的一个共同特点是几何外形复杂,而处理复杂外形,并且生成高质量的网格正是Simerics的强项。

摩托车外流计算网格及湍流强度

汽车内外流压力云图

西雅图太空针塔绕流模拟

风力发电机外流场模拟


高速水下航行体超空化应用

水下航行体CFD模拟,是一个非常复杂的多相流动问题。鱼雷在水下高速运动时,鱼雷表面附近的水因低压而发生相变,形成覆盖航行体大部分或全部表面的超空泡。形成超空泡之后,鱼雷将在气体中航行,由于在水中的摩擦阻力约为在空气中摩擦阻力的850倍,因此,超空泡技术的应用可以使水下航行体的摩擦阻力大幅减小,从而使鱼雷等大尺度水下航行体的速度提高到100m/s的量级,使水下射弹等小尺度水下航行体的航速提高到1000m/s的量级。

超空化鱼雷的数值模拟存在许多技术难点,超空泡流动包含了非定常、可压缩、相变、湍流等流体力学研究中比较复杂的流动现象,对空泡流的数值模拟研究带来了很大挑战,计算收敛性和结果精度都难以保证。PumpLinx的全空化数值模型可以较好地解决这一系列问题。

高速水下航行体压力分布

高速水下航行体超空泡预测

国内某超空化鱼雷在不同航速下的空泡预测


旋桨CFD模拟应用

在船舶推进研究领域,如何准确预报螺旋桨的水动力性能一直是引人关注的研究课题,而且螺旋桨尾流场关系到螺旋桨的水动力性能、空泡性能、激振力和噪音问题,所以长期以来受到人们的关注。Simerics可以准确的模拟螺旋桨的水动力性能以及空泡性能,从而为噪声模拟提供精确的流场数据。

                            a) 空泡及流场分布



                           b) 空泡位置及速度分布

 c) 螺旋桨周围流场压力分布

d) propeller_plot-进速系数与KT螺旋桨推力系数、KQ扭矩系数关系曲线

Simerics在螺旋桨模拟中的应用

喷水推进器模拟

喷水推进技术具有推进效率高、抗空泡性强、附体阻力小、操纵性号、传动轴系简单、保护性能号、运行噪声低、变工况范围广和利于环保等特点。喷水推进器泵级的内部流动是一种复杂的三维紊流流动,目前最有力的研究途径是利用计算流体力学(CFD)方法去模拟泵流道中的流场的压力、速度分布去分析喷水推进器泵设计水平,进而进行优化设计。

Simerics软件快速的网格划分方法、最先进的空化预测模型以及高效的求解器,可以准确的模拟喷水推进器内部流场情况,如图所示


 f) 局部细节放大

Simerics在喷水推进器中的模拟应用

Simerics经典流体力学问题

经典流动问题是人们在对流体长期的研究中观察到的流动现象,经过简化在实验中可以再现。这些流动现象多数可以获得解析,便于研究者认识各种流动结构的本质,并完善理论流体力学中的物理模型;同时,随着计算流体力学的发展,这些流动问题也成为检验物理模型,计算方法和求解精度的重要手段。

自然对流问题

自然对流是指没有外界驱动力但流体依然存在运动的情况,引起流体这种运动的内在力量是温度差或者(组分的)浓度差。如图展示了实验中观测到的自然对流现象和Simerics模拟的自然对流现象的对比。

 

(a)实验中观测到的自然对流现象            (b)速度和温度云图

SIMERICS的计算结果和实验对比

SIMERICS模拟结果

蛙跳式涡环模拟

流体的非定常运动常常伴随着旋涡的生成、演化以及它们之间的相互作用。涡环是一种典型的流动结构,在如:直升机旋翼旋转等情况下经常发生。研究涡环的形成、发展对改进流动状态等有着重要的意义。下图展示了实验中观察到的涡环发生发展的过程以及采用SIMERICS模拟相同工况下的流动情况。

  

SIMERICS的计算结果和实验对比

卡门涡街模拟

卡门涡街是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇到,在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡,经过非线性作用后,形成卡门涡街。

卡门涡街

SIMERICS模拟结果