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 的前處理時間。在 Xflow 軟件的支持下，我們設(shè)計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)格的方法來求解計算流體動力學(xué)（CFD）問題 時，結(jié)果的可靠性高度依賴于網(wǎng)格質(zhì)量。這樣會導(dǎo)致工程師將大部分 時間耗費在處理網(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)變化時也會造成困難。 XFlow 的自動點陣生成和自適應(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典型 CFD 工作流程中耗費在網(wǎng)格創(chuàng)建和預(yù)處理階段的精力和時間。這樣，工程師就能將其絕大部分時間用在設(shè)計 和優(yōu)化上，而不是耗時耗力在網(wǎng)格創(chuàng)建過程上。 XFlow 提供了獨特的基于粒子法的格子波爾茲曼技術(shù)，用于高保真度 計算流體力學(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 空氣動力學(xué)、真實移動的幾何體、復(fù)雜多相流動、流固耦合（FSI）和 氣動噪聲等復(fù)雜 CFD 問題。 XFlow 的高級渲染能力提供了真實的可視化，可以更加深入的了解流 動和換熱性能，使用戶能夠更快地做出明智的設(shè)計決策。XFlow 可以 完全并行利用高性能計算（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試。 獨特的 CFD 方法 在非平衡統(tǒng)計力學(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)流體動力學(xué)極限，同時也可以模擬應(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)。 相對于標(biāo)準(zhǔn)多重弛豫時間（MRT），XFlow 中的散射算子是在中心矩空間中實現(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)建一個空間，用于氣體噴射效果的計算。噴射空間的選取需要謹(jǐn)慎，選擇太小，氣體會和流體域的表面碰撞，造成分析結(jié)果錯誤，選擇太大，會導(dǎo)致計算時間太長。

2.2. 定義求解類型

根據(jù)產(chǎn)品的使用特點進(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 的缺點在于結(jié)果后處理時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)噴嘴端部點的坐標(biāo)確定。這樣可以有效節(jié)省計算時間。

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動，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，估算仿真時間。Lattice discretization 模塊中，resolved scale 的值要滿足橫向至少分布 10 個 lattice。Refinement algorithm 模塊選擇 near staticwalls, 這樣可以對流體域局部節(jié)點細(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算，為了確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們會檢測入口的總壓。

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，完全偏離了噴嘴的正前方區(qū)域，如圖 6 所示，無法實現(xiàn)清洗。

圖 6 入口總壓

圖 7 噴射效果

通過對氣體噴射過程的動畫演示，氣體噴射方向偏離正前方的原因是噴嘴端部特征設(shè)計不合理，我們向設(shè)計部門提出具體優(yōu)化建議，對該產(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