流体多物理场数值计算软件 ShonDy 介绍

ShonDy 软件是一款基于运动粒子法的三维高性能数值计算软件，由德国 shonDynamics GmbH 开发的，该软件采用 C ++ 语言开发，支持分布式并行计算。使用该软件，用户只需要将指定格式的 CAD 几何模型导入该软件便可轻松启动计算。无需复杂的网格划分，为工程师的仿真建模节约了大量的时间。

1. ShonDy 简介

在 ShonDy 软件中，需要模拟的流体域或者固体会被离散为可以运动的粒子，包括压力，速度和温度等物理量存储在运动的粒子上，因此这些关键的物理量是随流体或固体单元一起运动的。由于固体粒子和流体粒子的压力是在一个线性代数方程组里求解的，ShonDy 软件最大的特点是流体和固体的运动从本质上内在“耦合”，这一点是传统有限体积法无法实现的。另外，粒子法可以模拟复杂运动条件下的流体自由界面，包括溅射现象。该软件在工程与工业领域有很广阔的应用前景。

1.1 主要功能

1. 粘性与无粘性流体的流动；
2. 自由界面与溅射；
3. 流体与固体相互作用；
4. 自由运动体，旋转体和定义路径刚体的运动；
5. 传热，熔化与凝固；
6. 多相流；
7. 表面张力；
8. 混合并行计算等。

1.2 应用领域

ShonDy 的主要应用领域包括能源，旋转机械，海洋工程，制造业，以及医用设备研发等。以下列举一些典型的应用案例：

1. 汽车工程领域：分析高速转动的变速箱内润滑油的空间分布；计算不同润滑油装量对齿轮箱功率损失的影响；分析汽车涉水产生的溅射现象等。
2. 热能与核能工程领域：核电厂安全壳蓄水箱晃动模拟；液态金属反应堆海洋条件下的摇摆；熔融材料的流动与凝固等。
3. 海洋与船舶工程领域：海洋条件下船体的运动；LNG 船运输液体的晃动；Hydro foil 的设计优化等。
4. 机械与制造领域：旋转叶片几何形状优化；汽车与列车的自动清洗模拟；玻璃成型过程分析等。
5. 化工与医疗科技：多种流体的混合；液体电池内气泡的清除；血管内血液的流动等。
6. 学术与研究领域：卡门涡街；上升气泡的变形；多相流等。

油箱飞溅润滑仿真

2. ShonDy 桌面版图形界面介绍

类似于传统软件，我们同时也提供桌面版的图形用户界面。该界面应用同时集成了前处理与后处理的功能，操作简便，容易上手。用户可以将不同流体或固体的区域导入该软件，然后输入流体物性参数，并配置控制参数后，便可以生成求解器所需的输入文件。该用户界面针对特定的行业应用添加了一些特殊功能，例如在对齿轮箱进行前处理建模的过程中，可以设置润滑油液位等。在使用求解器完成仿真计算后，可以使用该界面软件加载计算结果，完成云图和曲线图等后处理操作。

 图形用户界面

此外 ShonDy 可以基于云计算平台构建，shonCloud 是计算软件 ShonDy 的一款基于网页技术的用户界面。该平台方便用户随时随地管理自己的计算项目，并且界面友好，操作简单。该系统无需安装和 license，打开网页即可使用。您可以使用任何设备和操作系统登录该平台，然后打开或新建计算项目，只需要点击“运行”按钮，计算立即在远端服务器启动，不占用本地 CPU 资源。该平台将刷新您使用大规模计算资源的体验。

3. 关于求解器

ShonDy 求解器采用运动粒子法（Moving particle simulation method），运动粒子法是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）的发展方向之一，其最大的特点是不需要网格，能够更自然地模拟复杂的自由界面运动和多相流。计算流体力学分为欧拉和拉格朗日两大体系。在欧拉体系下，流体经过的空间被离散为若干单元，所有物理量存储在不会移动的空间位置上。在拉格朗日体系下，流体物质本身会被离散为若干运动的单元，速度，温度和压力等物理量存储在运动的流体物质点上。在欧拉体系中，最经典的算法是有限体积法（Finite volume method），该方法是将流体域离散为网格控制体，该方法已被广泛应用于工程问题，该算法已经被 CFX，Fluent 等大量商业软件采用。在液态金属冷却反应堆研究领域，经常会遇到自由界面问题，传统的有限体积法采用了 VOF(Volume of fluid) 模型跟踪流体的自由界面，这种方法需要基于网格的界面重构技术。运动粒子法是基于拉格朗日体系的最有代表性的流体计算方法，目前最经典的方法包括光滑粒子法（Smoothed particle method）[Monaghan 1992] 和半隐式运动粒子法（Moving Partiicle Semi-implicite method）[Koshizuka 1996]。其中光滑粒子法采用了显式的代数方法计算流体压力场，优点是计算量小，但是缺点是需要输入很多经验参数，计算结果对于人工修正参数过于敏感。半隐式运动粒子法需要通过求解泊松方程获得流体的压力场，虽然计算量大，但是不依赖于人工参数。半隐式运动粒子法在刚刚提出的时候，由于存在数值稳定性和精度的问题，一直没有被广泛应用于工程问题，但是近年来该算法发展迅速，得到了大幅的改进。这些改进中包括 Khayyer(2009) 和 Gotoh(2016) 提出的高阶源项模型和改进的压力梯度模型等。基于学术界的大量算法改进的提出，运动粒子法的成熟度逐渐满足工程计算需求。对于核能领域流体自由界面问题，粒子法可以天然地获得流体的自由表面，无需 VOF 等模型。