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Simerics 新一代通用三維工程流體仿真軟件

Simerics介紹

Simerics是Simerics公司繼專業運動機械CFD模擬軟件PumpLinx之后,推出的一款通用三維工程流體分析軟件。Simerics秉承PumpLinx獨特的技術優勢,將CFD工具的應用范圍拓展到了更多的工程領域,特別適合分析以下方面的工程流體問題。

  • 內流/外流
  • 層流/湍流
  • 空化/VOF多相流;
  • 可壓/不可壓;
  • 亞音速/超音速;
  • 穩態/瞬態;
  • 導熱/對流傳熱/輻射;
  • 旋轉/平動等運動問題


Simerics公司是一家針對用于流體機械和系統虛擬仿真的CFD(計算流體力學)軟件進行開發,市場推廣以及技術支持的公司,專注于向各領域制造廠商提供能夠幫助減少實際物理試驗成本并增強對自身產品深度認識的軟件工具。Simerics 公司充分利用仿真技術領域的最新優勢,為廣大用戶提供兩大最先進的CFD軟件工具:Simerics-MP? 和Simerics-MP+?。Simeics公司團隊由相關領域的專家和工程師組成,人員具備計算流體力學,計算幾何學和軟件工程學等方面最先進的知識和經驗,旨在為各領域客戶提供最創新和最優質的仿真解決方案。


Simerics-MP/MP+功能介紹
(1)Simerics-MP: 全領域流體應用仿真軟件

Simerics-MP 具備核心的三維CFD計算能力和物理模型,從而能夠精確仿真各類流體應用問題,包括單相流/多相流,湍流,空化/氣化,熱傳導/質量傳遞,顆粒,流固耦合及多組分混合等。Simerics-MP 內部嵌入了最完整的物理模型,能夠實現對流體模型地快速生成和仿真以及精確預測。在基于MPI(多機分布式)并行的情況下,還可達到更高的求解速度。同時,軟件還能實現在微觀尺度建立并反映復雜模型的細節。
  

 

(2)Simerics-MP+:高級行業應用仿真軟件
Simerics-MP+ 在具備了Simerics-MP所有功能的基礎上,又增加了許多高級應用模塊,包括一體化設置流程,針對運動部件的自動網格生成和網格再劃分,以及數據自定義等功能。同時,Simerics-MP+ 的所有模塊都包含了針對各行業應用的特定仿真模板,能夠覆蓋各領域的專業問題。各個應用方向如下:
  • Simerics-MP+ for Marine:針對船舶領域應用
  • Simerics-MP+ for Vehicle:針對汽車領域應用
  • Simerics-MP+ for Turbo:針對透平機械領域應用 
  • Simerics-MP+ for PD:針對容積式機械領域應用
  • Simerics-MP+ for Valves:針對閥門領域應用
  • Simerics-MP+ for Systems:針對系統仿真領域應用 
  • PumpLinx:針對旋轉機械領域應用
(3)與CAD軟件的整合:將Simerics先進的CFD仿真分析功能嵌入到參數化CAD工具中,從而開發出了相應的軟件產品,如下:
  • Orca 3D Marine CFD:與船舶領域專業設計軟件Orca 3D進行整合
  • Cero Flow Analysis:與PTC公司設計軟件Cero進行整合
  • Simerics MP for Solidworks:與達索公司設計軟件Solidworks進行整合


Simerics的技術優勢

Simerics獨特的網格技術

Simerics包括一個自動化的網格生成工具,它可以簡潔高效地生成CFD求解器需要的高質量網格。這個網格生成器采用了獨特的幾何等角自適應二叉樹(geometry Conformal Adaptative Binary-tree)算法,既CAB算法。CAB算法在由封閉表面構成的流體域內生成笛卡爾網格。在靠近幾何邊界,CAB通過求交、切割等方法調整網格,以適應幾何特征中的曲線和曲面。為了適應關鍵性的幾何特征,CAB通過不斷的分裂網格來自動的調整網格大小,這是利用最小的網格分辨細節特征的最有效方法。對于結構復雜的幾何模型來說,這種基于CAB算法的笛卡爾網格尤其適合,即可以保證網格的精度,又極大地控制了網格的數量。

笛卡爾網格的數據結構


復雜幾何體網格劃分

Simerics的網格技術特點可總結如下:

1) 自動、快速的網格生成:用戶選擇一組封閉表面,點擊一個按鈕,網格完全自動的生成。對于大多數工程問題,可以在幾分鐘之內完成網格劃分。

2) 精確的表達原始幾何:創建與曲面形狀相匹配的網格,可以保證準確表達重要幾何特征。CAB算法也可以自動的增加網格密度來更好的分辨幾何特征,用戶可以直接設置曲面的網格密度來直接控制網格質量。

     

坦克表面網格劃分

3) 高質量/高效率的網格:CAB通常生成更適合于高精度算法的笛卡爾六面體網格。對于同樣的精度水平,與四面體網格相比數量更少。與傳統的貼體結構化網格相比,笛卡爾網格也可用較少的網格數量達到相同的精度。下圖展示了貼體結構化網格和Simerics中笛卡爾網格在對離心泵進行CFD模擬時的結果對比。其中,左側貼體網格數量約為75萬,右側笛卡爾網格約為39萬。

4) 能夠容忍“爛”幾何:許多CAD曲面并不是完全貼合,它們也許有小縫隙,或者是沒有專門縫合在一起。如果幾何包含這樣的“爛”特征,許多網格生成算法會失敗,因此在生成之前,幾何必須清理干凈。CAB算法在一定程度上可以容忍“爛”幾何。對于多數情況,CAB基于“爛”幾何可以生成合理的網格,而精度損失是可以忽略的,從而獲得有意義的模擬結果。

     貼體結構化網格與笛卡爾網格結果對比

Simerics穩健而精確的多相流模型

  • 全空化模型

PumpLinx擁有工業界領先的無二的空化(汽蝕)模型,該模型基于A shok.Singhal和Jiang Yu等人提出的全空化模型。全空化模型是基于兩相流的模型思想,用Rayleigh-plesset方程求解氣泡變化的動態過程,引入了混合密度的概念,并綜合考慮了液體的可壓縮性以及蒸汽的蒸發和凝結過程。對于非凝結氣,PumpLinx也提供了不同的子模型供用戶選擇,如固定氣體質量分數、可變氣體質量分數、平衡態氣體溶解,揮發模型、有限速率氣體溶解,揮發模型等。

 PumpLinx空化模型的特別之處在于對特別困難的問題,在其它軟件都失敗的情況下,PumpLinx依然可以收斂。除此之外,該空化模型不但能準確地預測汽蝕對效率的影響,還可以準確地預測汽蝕損害可能發生的位置,當空化效應不可忽略時,這一能力對于許多問題都是很重要的。

  •  VOF多相流模型

PumpLinx_3.5版本已推出VOF兩相流數值模型,并在許多案例中得到成功應用,其技術特點如下:嚴格遵守質量守恒及不可壓縮項的體積守恒,可考慮任意項的可壓/不可壓特性,可采用隱式或顯式時間格式,具有高分辨率的交互面捕捉方法,內置表面張力模型和壁面接觸模型。目前PumpLinx VOF模型已成功應用于齒輪箱油液潤滑,油泵自吸,溢流堰流場仿真,潰壩以及攪拌器內流場仿真等驗證等。結合PumpLinx的具體應用,PumpLinx VOF模型具有如下優勢:

  • 可處理具有復雜結構的模型
  • 可考慮微米間隙問題
  • 具備多種類型的網格技術,可針對不同模型采用不同方法劃分網格
  • 先進的移動/華東/變形網格之間的交互面技術(MGI)
  • 可應用于多種類型的運動機械和閥門
  • 可適用于大范圍的動壓改變
  • 與實驗值具有良好的吻合性
  • 合理的計算時間,對于復雜問題亦是如此
  • 具有良好的收斂性和穩定性。

Simerics先進的動/靜流體區域模擬

   CFD模擬中經常會遇到運動(旋轉或平移)部件,如:泵、風機、螺旋槳、液壓缸等流體機械。要準確的模擬該類問題,需要對流體控制方程、計算網格等進行相應的處理。而且根據需要,還要考慮采用準靜態或是瞬態模擬,難度較大。

Simerics結合先進的動網格技術,可以方便的將流體區域設置為旋轉、平移等類型(如下圖)。MGI(Mismatched Gird Interface)技術對不同流體區域(如:轉/靜區域)的邊界設置為一對交界面(interface),這種處理方式操作簡便、計算精確、速度快且具有很好的穩定性,各流體變量完全自動地、隱式地在移動表面上通過。

流體區域交界面

Simerics高效的求解器

Simerics求解器是在傳統的CFD求解器基礎上進行開發和改進,將其領先的數值技術與Simerics專有算法相結合,建立了一個比其它競爭對手更快速、更穩健的數值模擬工具。一般來說,在同等計算條件下,Simerics計算速度比同類軟件快5倍左右。

Simerics完備的后處理分析技術

   Simerics作為新一代熱流體仿真工具,其界面友好性強,易于操作,且后處理功能完備。Simerics在進行求解計算時可實時查看流場計算的各種結果,如壓力、速度、空化、溫度及等的分布,以及流線動態變化、顆粒追蹤軌跡等。同時在計算過程中,Simerics也可實時定義監測點或截面變量,預測壓力波動、空化、速度矢量、等值面、流線圖等。此外Simerics還可以在一個界面下建立多個監測窗口,實時查看各監測窗口數據。Simerics動畫制作便捷,可制作任意視角的動畫效果,觀察分析物體內部的流動狀態。


Simerics典型工程應用案例

多相流仿真應用

多相流是在流體力學、傳熱傳質學、物理化學、燃燒學等學科的基礎上發展起來的一門新興學科,它廣泛應用于能源、動力、核能、石油、化工、冶金、制冷、低溫、環境保護及航天技術等許多工業部門。多相流常見于各種形態的兩相流,如氣液、氣固和液固等,PumpLinx可建立VOF、液固和氣固等多相流模型和基本方程組,分析各相的壓力、速度、溫度、表觀密度、懸浮物分布,研究多相流動的壓力降、穩定性、臨界態以及相互作用等。

油箱晃動仿真(VOF)

混拌器內部流場仿真(VOF)

泵仿真應用

Simerics高效的網格生成方法可以快速完成模型復雜的泵及旋轉機械流場網格劃分。Simerics獨特的全空化模型可以準確預測泵及旋轉機械內部的空化現象。該模型特有的氣蝕損害模型(Cavitation Damage Model),可以對部件表面的損傷進行評估,為工程師的改進設計提供合理判據。空化區域和汽蝕損害區域并不完全一致,造成損害的區域一般在空泡潰滅的區域,并與潰滅速率、氣化潛熱和過流面硬度等有關。汽蝕損傷的指標為汽蝕損害能量(Cavitation Damage Power),單位為W,當某區域的該值超過5 × 108W時,意味著很有可能造成汽蝕損傷。

   


離心泵空化區域與潛在汽蝕損害區域對比

離心泵汽蝕余量預測

軸流泵汽蝕預測與試驗對比

風機CFD模擬

風機是一種非常常見的流體機械,風機行業面臨非常嚴酷的市場競爭,要求風機設計滿足高效率、低噪音和低成本的要求,采用工程流體分析軟件Simerics可以在設計初期評價風機的性能。Simerics不同于其它的CFD軟件,由于它網格生成簡單、計算過程穩健、結果分析形象直觀,受到設計人員的好評。Simerics可以對風機進行全面瞬態分析,而且求解速度快,可在短時間內進行多工況性能分析,滿足產品生命周期要求。

風機模擬流程及性能曲線預測

離心風機壓力云圖及速度剖面

油汀散熱器應用

油汀內的油的流動是由于溫差作用產生的自然對流,油的密度、粘度、比熱以及導熱系數都是隨溫度變化的,在計算中都需設定為溫度的函數。Simerics可以支持多類函數的應用,以考慮不同狀態下物性參數變化對流體流動和熱場產生的影響。

油汀豎直剖面溫度分布云圖

   圖所示為油汀中央豎直剖面溫度分布云圖,從圖中可以看到:油汀底部的油由于加熱裝置加熱,溫度增加,密度變小,在浮升力的作用下向油汀上方流動,溫度會逐漸降低,在豎直方向上溫度出現分層。

復雜幾何體的外流CFD模擬

外流CFD分析應用非常廣泛,如返回艙的外流、汽車和摩托車的空氣動力學特性分析都是典型的外流應用。外流應用的一個共同特點是幾何外形復雜,而處理復雜外形,并且生成高質量的網格正是Simerics的強項。

摩托車外流計算網格及湍流強度

汽車內外流壓力云圖

西雅圖太空針塔繞流模擬

風力發電機外流場模擬


高速水下航行體超空化應用

水下航行體CFD模擬,是一個非常復雜的多相流動問題。魚雷在水下高速運動時,魚雷表面附近的水因低壓而發生相變,形成覆蓋航行體大部分或全部表面的超空泡。形成超空泡之后,魚雷將在氣體中航行,由于在水中的摩擦阻力約為在空氣中摩擦阻力的850倍,因此,超空泡技術的應用可以使水下航行體的摩擦阻力大幅減小,從而使魚雷等大尺度水下航行體的速度提高到100m/s的量級,使水下射彈等小尺度水下航行體的航速提高到1000m/s的量級。

超空化魚雷的數值模擬存在許多技術難點,超空泡流動包含了非定常、可壓縮、相變、湍流等流體力學研究中比較復雜的流動現象,對空泡流的數值模擬研究帶來了很大挑戰,計算收斂性和結果精度都難以保證。PumpLinx的全空化數值模型可以較好地解決這一系列問題。

高速水下航行體壓力分布

高速水下航行體超空泡預測

國內某超空化魚雷在不同航速下的空泡預測


旋槳CFD模擬應用

在船舶推進研究領域,如何準確預報螺旋槳的水動力性能一直是引人關注的研究課題,而且螺旋槳尾流場關系到螺旋槳的水動力性能、空泡性能、激振力和噪音問題,所以長期以來受到人們的關注。Simerics可以準確的模擬螺旋槳的水動力性能以及空泡性能,從而為噪聲模擬提供精確的流場數據。

                            a) 空泡及流場分布



                           b) 空泡位置及速度分布

 c) 螺旋槳周圍流場壓力分布

d) propeller_plot-進速系數與KT螺旋槳推力系數、KQ扭矩系數關系曲線

Simerics在螺旋槳模擬中的應用

噴水推進器模擬

噴水推進技術具有推進效率高、抗空泡性強、附體阻力小、操縱性號、傳動軸系簡單、保護性能號、運行噪聲低、變工況范圍廣和利于環保等特點。噴水推進器泵級的內部流動是一種復雜的三維紊流流動,目前最有力的研究途徑是利用計算流體力學(CFD)方法去模擬泵流道中的流場的壓力、速度分布去分析噴水推進器泵設計水平,進而進行優化設計。

Simerics軟件快速的網格劃分方法、領先的空化預測模型以及高效的求解器,可以準確的模擬噴水推進器內部流場情況,如圖所示


 f) 局部細節放大

Simerics在噴水推進器中的模擬應用


Simerics-MP/MP+ 汽車行業應用:
(1)整車系統:

  • 外流場分析
  • 擋風玻璃除冰效果預測
  • 整車熱管理系統分析
  • 車輛涉水及排水分析
  • 油箱晃動及填充效果預測

(2)動力總成系統:
  • 三維發動機燃油系統及部件分析
  • 三維發動機潤滑系統及部件分析
  • 三維發動機冷卻系統及部件分析
  • 三維電池冷卻系統及部件分析
  • 三維傳動系統及部件分析



Simerics-MP/MP+ 船舶行業應用:

(1)排水式船體
(2)滑行式船體
(3)高速多體船
(4)船用螺旋槳
(5)噴水推進器
(6)與Orca 3D的整合

Simerics-MP/MP+ 壓縮機行業應用
(1)具備全套壓縮機模板,包括:
  • 離心/軸流式
  • 滾動轉子式
  • 渦旋式
  • 螺桿式
  • 往復式
  • 羅茨式
  • ……



(2)可以考慮彎曲式蝶閥的影響 

(3)真實氣體特性參數設置 

(4)能夠考慮液體密封和冷卻問題



Simerics-MP/MP+ 流體機械行業應用:
(1)離心/軸流泵,多級泵,風機,風扇,馬達……
(2)容積泵:各類齒輪泵,柱塞泵,滑片泵,擺線泵,變排量泵,真空泵……
(3)閥:包括球閥,錐閥,蝶閥,滑閥,控制閥,泄壓閥……
(4)泵閥聯合仿真


Simerics經典流體力學問題

經典流動問題是人們在對流體長期的研究中觀察到的流動現象,經過簡化在實驗中可以再現。這些流動現象多數可以獲得解析,便于研究者認識各種流動結構的本質,并完善理論流體力學中的物理模型;同時,隨著計算流體力學的發展,這些流動問題也成為檢驗物理模型,計算方法和求解精度的重要手段。

自然對流問題

自然對流是指沒有外界驅動力但流體依然存在運動的情況,引起流體這種運動的內在力量是溫度差或者(組分的)濃度差。如圖展示了實驗中觀測到的自然對流現象和Simerics模擬的自然對流現象的對比。

 

(a)實驗中觀測到的自然對流現象            (b)速度和溫度云圖

SIMERICS的計算結果和實驗對比

SIMERICS模擬結果

蛙跳式渦環模擬

流體的非定常運動常常伴隨著旋渦的生成、演化以及它們之間的相互作用。渦環是一種典型的流動結構,在如:直升機旋翼旋轉等情況下經常發生。研究渦環的形成、發展對改進流動狀態等有著重要的意義。下圖展示了實驗中觀察到的渦環發生發展的過程以及采用SIMERICS模擬相同工況下的流動情況。

  

SIMERICS的計算結果和實驗對比

卡門渦街模擬

卡門渦街是流體力學中重要的現象,在自然界中常可遇到,在一定條件下的定常來流繞過某些物體時,物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規則的雙列線渦,經過非線性作用后,形成卡門渦街。

卡門渦街

SIMERICS模擬結果


Simerics-MP/MP+ 工業領域CFD整體解決方案的優勢:
(1)最全面的物理模型:包括基本流動,湍流,熱交換,多相流,空化,多組分,顆粒等;
(2)在保證高幾何精度的基礎上,快速完成仿真模型建立和自動網格劃分并具備簡易快捷的模型設置功能:無需對CAD模型進行前處理,便能在2到3小時之內完成對從整車CAD模型到流體仿真模型的生成工作。另外,只需5到10分鐘便能完成從整船CAD模型到仿真模型的建立工作。同時還可以保證模型能夠精確表達原始幾何特征;
(3)可對復雜船體運動進行建模和分析:包括船舶靜水拖曳,自推進加速,船體與螺旋槳耦合,船舶操縱性和船舶耐波性等;
(4)可在微米級別對復雜細節進行建模:能夠對泄露間隙,葉端間隙,平衡孔等結構進行建模分析;
(5)具備各類泵、閥模板,可在30分鐘之內完成網格自動劃分和參數設置,從而生成計算模型;
(6)快速的求解速度:先進的數值算法能夠實現模型計算的快速運行,快速收斂和快速獲得結果;
(7)結果的精確預測:在各類仿真問題中都能實現計算結果與試驗數據的高度吻合;
(8)運行過程的魯棒性:不僅在有嚴重扭曲和高長寬比網格的問題中,或是在具有微米級尺度和嚴重空化等特殊流動工況下,還是在快速艇的動態不穩定性、海豚運動、限制航道的運動(淺水以及狹窄水道)等極端流動問題的模擬上,軟件都具備極強的運行穩定性和收斂性。


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