带您深入了解XFlow及其在多相流计算中的应用-软服之家

带您深入了解XFlow及其在多相流计算中的应用

许多朋友对加持雷神山医院，帮助进行污染物扩散分析的XFLOW软件产生了强烈的好奇心，对于其所能提供的价值和更多应用的领域，也希望一探究竟。鉴于此，为了能让大家更全面地了解XFLOW，便拟本文做出其更详细的介绍。

2016年12月27日，达索系统宣布正式收购Next Limit Dynamics公司，三年的实践证明此次收购强化了达索系统3DEXPERIENCE平台行业解决方案中的多物理场仿真能力，并在计算流体动力学 (CFD) 市场中占据战略性地位。

达索系统CEO兼副总裁Bernard Charlès指出：“仿真有助于创新企业推行工程材料、增材制造、体验互联网与其他领域的革新，从而促进产品、自然和生活的和谐关系。”

Next Limit Dynamics总经理David Holman指出：“在将近十年时间里，我们研发出了自己的格子玻尔兹曼仿真技术-XFlow，并将CFD的应用范围扩展至多个行业的高难度应用中。当今的产品日益精密，使得工程问题更加复杂。我们颠覆性的方法避免了传统CFD方法高度耗时的准备工作，好让工程师解放出来，重点关注设计评估与优化工作。作为达索系统的一部分，我们的技术能够更好地解决这一复杂问题，并支持使用3DEXPERIENCE平台的工程师高效地开展工作。”

XFLOW关键功能

· 单相流动模型

· 多相流及自由表面流动模型

· 声学分析

· 热分析

· 标量传输

· 离散相位模型（DPM）

· 非牛顿流动

· 共轭热传导

· 热辐射

· 复杂边界条件，包括多孔介质和风扇模型

· 真实移动部件

XFLOW简介

在应用传统的基于网格的方法来求解计算流体动力学（CFD）问题时，结果的可靠性高度依赖于网格质量。这样会导致工程师将大部分时间耗费在处理网格离散化上，而不是解决工程问题。此外，如果问题涉及到存在移动零件或流体结构相互作用，则此类问题的域拓扑出现变化时也会造成困难。

XFlow 的自动点阵生成和自适应优化功能可以将用户输入降至最低，更大程度的减少在一个典型 CFD 工作流程中耗费在网格创建和预处理阶段的精力和时间。这样，工程师就能将其绝大部分时间用在设计和优化上，而不是耗时耗力在网格创建过程上。

XFlow 提供了独特的基于粒子法的格子波尔兹曼技术，用于高保真度计算流体力学 (CFD) 应用。格子玻尔兹曼方法是介于流体的微观分子动力学模型与宏观连续模型之间的介观模型，兼具二者的一些优点，见下图1。XFlow软件可以在单相流动模拟、自由表面流动模拟、多相流模拟、声学分析、热分析、非牛顿流动、共轭热传导、热辐射、流固耦合（FSI）等领域发挥重要的作用。

图1 XFlow采用LBM方法

相比于传统计算方法的前处理生成网格过程，XFlow可以自动完成节省大量时间，同时还兼具手动优化网格的设置，有效的加快了建模过程。另外，当针对外流场的计算时，XFlow面对复杂的几何外形可以快速进行参数的设置与求解，并达到精度与速度的更优解。此外，对于物理运动过程和自由液面的流动，三维流场的瞬态过程计算，多孔介质计算，流动噪声的计算等都有自身优势。另外，与达索的其余领域软件，例如Abaqus, dymola等软件都有很好的集成能力，对于后期进行复杂的联合仿真有重要作用。

图2 涡扇与直升机桨叶的流场

图3 NACA翼型外流场绕流

图4 汽车外流场绕流

除了在传统的CFD计算领域内XFlow软件可以发挥重要的作用，例如图2、图3和图4包括在航空、汽车等重要领域的应用。在最近的疫情期间，XFlow软件在雷神山病房的的污染物迁移扩散分析上同样发挥了重要的作用，见图5。XFlow软件可以通过耦合流动方程与输运方程可以通过计算快速得到污染物颗粒的运移过程，从而对病房的一些设计布局提供辅助参考作用，充分体现了计算软件在精确性与高效上的强大实力，在后续的智能城市等相关设计领域也能发挥重要作用。

图5 雷神山病房污染物迁移

XFLOW在多相流数值模拟中的特点

在XFlow软件中主要提供三种不同方法来进行多相流的模拟计算，见下图6。

图6 XFlow多相流处理的三种方法

这三种方法分别为基于粒子的追踪法，相场法与VOF方法。其中，第一种方法在软件中属于专家模式（Expert mode），而后两种方法在软件中属于实验室模式（Lab mode）。

基于粒子的追踪

主要适用于大尺度的问题，两相流中惯性作用相比表面张力占主导的情况。

相场法

主要适用于小尺度的问题，两相流中表面张力相比惯性作用占主导的情况。

VOF法

VOF方法介于相场法和基于粒子的追踪方法之间，更侧重于大尺度的多相流过程。它主要通过求解体积分数的守恒方程来确定界面的位置。具体为在流场中定义相函数f（也称体积分数）。相比于基于粒子的追踪方法，其在压力场计算结果的平滑程度上要好于前者。

XFLOW经典算例-液体中的气泡上升过程

由于在气泡上升过程中的表面张力的主导地位，这里采用相场法来进行表述。见下图7。

图7 XFlow设置

图7（C）中的(x^2+y^2>0.0625)(1)定义，这里的（）（）主要体现布尔运算的AND ，用来定义初始的流体区域。所包含的半径为0.25，等价于if（x^2+y^2>0.0625）流体1的体积分数为1，其余区域为0，即代表初始半径为0.25的圆之外都为流体1。之后对材料与求解参数进行相关设置，得到图8.

图8 材料与求解设置

通过求解得到的结果见图9，分别为不同时间间隔下的气泡运动位置及相界面展示。

图9 不同时间间隔下的气泡运移及相界面

总结

上述内容说明了达索XFlow软件在流动及多相流问题上的强大的计算仿真能力，计算流体动力学（CFD）数值模拟在今后的航空、工业、汽车等领域会发挥越来越重要的作用，而XFlow软件也将凭借其独有的优势可以发挥更大的作用。

典型行业应用场景

01汽车

• 整车空气动力学

• 气动声学

• 动力总成润滑

• 制冷及乘员舒适度

• 旋转车轮，悬挂系统和车辆超车

• 加油过程及水中行驶

02航空

• 升力及阻力预测

• 压力和表面摩擦载荷分布

• 起落架部署，襟翼移动配置和旋转翼

• 气动声学

• 通风和气候控制系统

• 跨音速和超音速流动

03船舶海洋

• 船体周围的流动和阻力分析

• 尾流，螺旋桨，水波和机动性能分析

• 晃动现象

• 波浪传播

04土木建筑

• 建筑物，桥梁和其他建筑风荷载

• 海洋结构，大坝溢洪道和洪水的自由表面分析

• 室内空间的供热，空调和通风

• 污染物的扩散

05能源

• 石油和天然气流动分析

• 风力发电机的空气动力学

• 水轮分析

• 太阳能电池板上的风荷载

06制造业

• 数据中心散热分析

• 阀门和泵的动态过程分析

• 模拟混合过程

• 高保真非牛顿粘度模型