基于 Xflow 軟件建立了噴嘴產(chǎn)品噴射速度、噴射角度、噴射區(qū)域和氣體流量的分析模型。Xflow 采用基于粒子的玻爾茲曼法，與傳統(tǒng)的基于網(wǎng)格的流體分析方法相比，Xflow 有效的縮短了 CFD 的前處理時(shí)間。在 Xflow 軟件的支持下，我們?cè)O(shè)計(jì)出符合各戶需求的噴嘴產(chǎn)品，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期

1. 前言：

在應(yīng)用傳統(tǒng)的基于網(wǎng)格的方法來求解計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）問題 時(shí)，結(jié)果的可靠性高度依賴于網(wǎng)格質(zhì)量。這樣會(huì)導(dǎo)致工程師將大部分 時(shí)間耗費(fèi)在處理網(wǎng)格離散化上，而不是解決工程問題。此外，如果問 題涉及到存在移動(dòng)零件或流體結(jié)構(gòu)相互作用，則此類問題的域拓?fù)涑霈F(xiàn)變化時(shí)也會(huì)造成困難。 XFlow 的自動(dòng)點(diǎn)陣生成和自適應(yīng)優(yōu)化功能可以將用戶輸入降至最低， 最大程度的減少在一個(gè)典型 CFD 工作流程中耗費(fèi)在網(wǎng)格創(chuàng)建和預(yù)處理階段的精力和時(shí)間。這樣，工程師就能將其絕大部分時(shí)間用在設(shè)計(jì) 和優(yōu)化上，而不是耗時(shí)耗力在網(wǎng)格創(chuàng)建過程上。 XFlow 提供了獨(dú)特的基于粒子法的格子波爾茲曼技術(shù)，用于高保真度 計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 應(yīng)用。這一先進(jìn)技術(shù)允許用戶解決涉及高頻率瞬 空氣動(dòng)力學(xué)、真實(shí)移動(dòng)的幾何體、復(fù)雜多相流動(dòng)、流固耦合（FSI）和 氣動(dòng)噪聲等復(fù)雜 CFD 問題。 XFlow 的高級(jí)渲染能力提供了真實(shí)的可視化，可以更加深入的了解流 動(dòng)和換熱性能，使用戶能夠更快地做出明智的設(shè)計(jì)決策。XFlow 可以 完全并行利用高性能計(jì)算（HPC）的功率，接近于線性加速的進(jìn)行逼 真的 CFD 模擬以減少或替換物理測(cè)試。 獨(dú)特的 CFD 方法 在非平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)中，玻耳茲曼方程描述了介觀尺度下的氣體行為。玻耳茲曼方程能夠再現(xiàn)流體動(dòng)力學(xué)極限，同時(shí)也可以模擬應(yīng)用于航空航天、微流體 或甚至接近真空條件的稀薄介質(zhì)。 相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)多重弛豫時(shí)間（MRT），XFlow 中的散射算子是在中心矩空間中實(shí)現(xiàn)，自然地證明了伽利略不變性，代碼的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2. 正文

本文將結(jié)合噴嘴產(chǎn)品，具體介紹如何通過使用 Xflow 快速完成 CFD 模型前處理并且通過 Xflow 后處理模塊得到想要的結(jié)果信息。

2.1. 流體域建立

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 abaqus 軟件中，檢查數(shù)據(jù)是否完整。根據(jù)產(chǎn)品的功能特點(diǎn)創(chuàng)建流體域。本文選擇的噴嘴用于表面清洗，需要在噴嘴出口位置創(chuàng)建一個(gè)空間，用于氣體噴射效果的計(jì)算。噴射空間的選取需要謹(jǐn)慎，選擇太小，氣體會(huì)和流體域的表面碰撞，造成分析結(jié)果錯(cuò)誤，選擇太大，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)。

2.2. 定義求解類型

根據(jù)產(chǎn)品的使用特點(diǎn)進(jìn)行 engine 模塊的設(shè)置。本文分析的噴嘴產(chǎn)品，流體是從產(chǎn)品內(nèi)部噴出，因此 Kernel 設(shè)置為 3D，analysis type 設(shè)置為 internal。Flow model 的設(shè)置中，single phase和 multiphase 都可以滿足我們的分析需求。選擇 single phase 的缺點(diǎn)在于結(jié)果后處理時(shí)不可以直觀的輸出氣體的噴射效果。因此 flow model 設(shè)置為 multiphase，multiphase model 設(shè)置為particle-based tracking。Thermal model 設(shè)置為 isothermal。

圖 1

2.3. 定義初始條件和材料屬性

初始條件包括加速度、初始速度和定義流體區(qū)域。根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境，加速度設(shè)置為 Y 向9.8m/s2 。初始速度為 0m/s。初始流體的區(qū)域定義根據(jù)噴嘴端部點(diǎn)的坐標(biāo)確定。這樣可以有效節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

噴嘴產(chǎn)品中噴射的只有空氣，因此材料 1 和材料 2 都選擇的 gas。具體的參數(shù)信息如下圖所示。

圖 2 初始條件

圖 3 材料參數(shù)

2.4. 定義邊界條件與仿真參數(shù)

噴射仿真過程中不需要考慮噴嘴的運(yùn)動(dòng)，因此 behaviour 設(shè)置為 fixed。入口設(shè)置為總壓

5Bar，出口設(shè)置為總壓 0Bar。根據(jù)氣體大概的速度和流體域的縱向尺寸，估算仿真時(shí)間。Lattice discretization 模塊中，resolved scale 的值要滿足橫向至少分布 10 個(gè) lattice。Refinement algorithm 模塊選擇 near staticwalls, 這樣可以對(duì)流體域局部節(jié)點(diǎn)細(xì)化。在 store data 模塊一定要選擇 compute markers。 這樣后處理才可以用 marker 直觀的顯示流體噴射效果。

圖 4

圖 5

2.5. 結(jié)果后處理和數(shù)據(jù)優(yōu)化

完成模型搭建之后就可以開始計(jì)算，為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們會(huì)檢測(cè)入口的總壓。

確?？倝簲?shù)值為 5Bar。在入口準(zhǔn)確的情況下我們可以用 marker 顯示氣體的噴射情況。由圖可知，氣體離開噴嘴之后，朝著噴嘴上方流動(dòng)，完全偏離了噴嘴的正前方區(qū)域，如圖 6 所示，無法實(shí)現(xiàn)清洗。

圖 6 入口總壓

圖 7 噴射效果

通過對(duì)氣體噴射過程的動(dòng)畫演示，氣體噴射方向偏離正前方的原因是噴嘴端部特征設(shè)計(jì)不合理，我們向設(shè)計(jì)部門提出具體優(yōu)化建議，對(duì)該產(chǎn)品繼續(xù)優(yōu)化。由圖 7 可知，優(yōu)化后的噴嘴能夠?qū)崿F(xiàn)正前方區(qū)域的氣體噴射。

圖 8

資料來源：達(dá)索官方