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。

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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。

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 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。

  • 分享于 2019-10-28 06:12
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