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Simerics MP/MP+: 行业 CFD 整体解决方案

发表时间:2022-02-09 16:51

Simerics介绍

Simerics是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公司是一家针对用于流体机械和系统虚拟仿真的CFD(计算流体力学)软件进行开发,市场推广以及技术支持的公司,专注于向各领域制造厂商提供能够帮助减少实际物理试验成本并增强对自身产品深度认识的软件工具。Simerics 公司充分利用仿真技术领域的最新优势,为广大用户提供两大最先进的CFD软件工具:Simerics-MP® 和Simerics-MP+®。Simeics公司团队由相关领域的专家和工程师组成,人员具备计算流体力学,计算几何学和软件工程学等方面最先进的知识和经验,旨在为各领域客户提供最创新和最优质的仿真解决方案。


Simerics-MP/MP+功能介绍


(1)Simerics-MP: 全领域流体应用仿真软件

Simerics-MP 具备核心的三维CFD计算能力和物理模型,从而能够精确仿真各类流体应用问题,包括单相流/多相流,湍流,空化/气化,热传导/质量传递,颗粒,流固耦合及多组分混合等。Simerics-MP 内部嵌入了最完整的物理模型,能够实现对流体模型地快速生成和仿真以及精确预测。在基于MPI(多机分布式)并行的情况下,还可达到更高的求解速度。同时,软件还能实现在微观尺度建立并反映复杂模型的细节。
 


(2)Simerics-MP+:高级行业应用仿真软件

Simerics-MP+ 在具备了Simerics-MP所有功能的基础上,又增加了许多高级应用模块,包括一体化设置流程,针对运动部件的自动网格生成和网格再划分,以及数据自定义等功能。同时,Simerics-MP+ 的所有模块都包含了针对各行业应用的特定仿真模板,能够覆盖各领域的专业问题。各个应用方向如下:

  • Simerics-MP+ for Marine:针对船舶领域应用

  • Simerics-MP+ for Vehicle:针对汽车领域应用

  • Simerics-MP+ for Turbo:针对透平机械领域应用

  • Simerics-MP+ for PD:针对容积式机械领域应用

  • Simerics-MP+ for Valves:针对阀门领域应用

  • Simerics-MP+ for Systems:针对系统仿真领域应用

  • PumpLinx:针对旋转机械领域应用


(3)与CAD软件的整合:将Simerics先进的CFD仿真分析功能嵌入到参数化CAD工具中,从而开发出了相应的软件产品,如下:

  • Orca 3D Marine CFD:与船舶领域专业设计软件Orca 3D进行整合

  • Cero Flow Analysis:与PTC公司设计软件Cero进行整合

  • Simerics MP for Solidworks:与达索公司设计软件Solidworks进行整合

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拥有工业界领先的无二的空化(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,将其领先的数值技术与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。



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