作者： 王溪  

來源shonDy粒子法流體仿真

由德國shonDynamics GmbH開發的shonDy軟件是一款基于運動粒子法的三維高性能數值計算軟件。該軟件采用C++語言開發，支持分布式并行計算。使用該軟件，用戶只需要將指定格式的CAD幾何模型導入該軟件便可輕松啟動計算。無需復雜的網格劃分，為工程師的仿真建模節約了大量的時間。在該軟件中，需要模擬的流體域或者固體會被離散為可以運動的粒子，包括壓力，速度和溫度等物理量存儲在運動的粒子上，因此這些關鍵的物理量是隨流體或固體單元一起運動的。由于固體粒子和流體粒子的壓力是在一個線性代數方程組里求解的，shonDy軟件最大的特點是流體和固體的運動從本質上內在“耦合”，這一點是傳統有限體積法無法實現的。另外，粒子法可以模擬復雜運動條件下的流體自由界面，包括濺射現象。該軟件在工程與工業領域有很廣闊的應用前景。

主要功能

1. 粘性與無粘性流體的流動；

2. 自由界面與濺射；

3. 流體與固體相互作用；

4. 自由運動體，旋轉體和定義路徑剛體的運動；

5. 傳熱，熔化與凝固；

6. 多相流；

7. 表面張力；

8. 混合并行計算等。

應用領域

shonDy的主要應用領域包括能源，旋轉機械，海洋工程，制造業，以及醫用設備研發等。以下列舉一些典型的應用案例：

1. 汽車工程領域：分析高速轉動的變速箱內潤滑油的空間分布；計算不同潤滑油裝量對齒輪箱功率損失的影響；分析汽車涉水產生的濺射現象等。

2. 熱能與核能工程領域：核電廠安全殼蓄水箱晃動模擬；液態金屬反應堆海洋條件下的搖擺；熔融材料的流動與凝固等。

3. 海洋與船舶工程領域：海洋條件下船體的運動；LNG船運輸液體的晃動；Hydro foil的設計優化等。

4. 機械與制造領域：旋轉葉片幾何形狀優化；汽車與列車的自動清洗模擬；玻璃成型過程分析等。

5. 化工與醫療科技：多種流體的混合；液體電池內氣泡的清除；血管內血液的流動等。

6. 學術與研究領域：卡門渦街；上升氣泡的變形；多相流等。

作為一個創新的前沿仿真技術，我們希望能夠與您合作應用該技術推動您的產品創新。

齒輪箱飛濺潤滑仿真

無網格技術的優勢

作為一個無網格流體仿真軟件shonDy，復雜幾何形狀CAD文件可以直接導入該軟件，然后定義邊界條件和給定材料物性后即可啟動計算。在傳統的CFD技術中，網格的劃分大概占用了整個模擬分析過程70%的勞動時間。采用無網格技術，可以加速您的產品研發。

shonDy桌面版圖形界面介紹

類似于傳統軟件，我們同時也提供桌面版的圖形用戶界面。該界面應用同時集成了前處理與后處理的功能，操作簡便，容易上手。用戶可以將不同流體或固體的區域導入該軟件，然后輸入流體物性參數，并配置控制參數后，便可以生成求解器所需的輸入文件。該用戶界面針對特定的行業應用添加了一些特殊功能，例如在對齒輪箱進行前處理建模的過程中，可以設置潤滑油液位等。在使用求解器完成仿真計算后，可以使用該界面軟件加載計算結果，完成云圖和曲線圖等后處理操作。

圖形用戶界面

云計算平臺shonCloud介紹

shonCloud是計算軟件shonDy的一款基于網頁技術的用戶界面。該平臺方便用戶隨時隨地管理自己的計算項目，并且界面友好，操作簡單。該系統無需安裝和license，打開網頁即可使用。您可以使用任何設備和操作系統登錄該平臺，然后打開或新建計算項目，只需要點擊“運行”按鈕，計算立即在遠端服務器啟動，不占用本地CPU資源。該平臺將刷新您使用大規模計算資源的體驗。

什么是運動粒子法？

運動粒子法（Moving particle simulation method）是計算流體力學（Computational Fluid Dynamics）的發展方向之一，其最大的特點是不需要網格，能夠更自然地模擬復雜的自由界面運動和多相流。計算流體力學分為歐拉和拉格朗日兩大體系。在歐拉體系下，流體經過的空間被離散為若干單元，所有物理量存儲在不會移動的空間位置上。在拉格朗日體系下，流體物質本身會被離散為若干運動的單元，速度，溫度和壓力等物理量存儲在運動的流體物質點上。在歐拉體系中，最經典的算法是有限體積法（Finite volume method），該方法是將流體域離散為網格控制體，該方法已被廣泛應用于工程問題，該算法已經被CFX，FLUENT等大量商業軟件采用。在液態金屬冷卻反應堆研究領域，經常會遇到自由界面問題，傳統的有限體積法采用了VOF(Volume of fluid)模型跟蹤流體的自由界面，這種方法需要基于網格的界面重構技術。運動粒子法是基于拉格朗日體系的最有代表性的流體計算方法，目前最經典的方法包括光滑粒子法（Smoothed particle method）[Monaghan 1992]和半隱式運動粒子法（Moving Partiicle Semi-implicite method）[Koshizuka 1996]。其中光滑粒子法采用了顯式的代數方法計算流體壓力場，優點是計算量小，但是缺點是需要輸入很多經驗參數，計算結果對于人工修正參數過于敏感。半隱式運動粒子法需要通過求解泊松方程獲得流體的壓力場，雖然計算量大，但是不依賴于人工參數。半隱式運動粒子法在剛剛提出的時候，由于存在數值穩定性和精度的問題，一直沒有被廣泛應用于工程問題，但是近年來該算法發展迅速，得到了大幅的改進。這些改進中包括Khayyer(2009)和Gotoh(2016)提出的高階源項模型和改進的壓力梯度模型等。基于學術界的大量算法改進的提出，運動粒子法的成熟度逐漸滿足工程計算需求。對于核能領域流體自由界面問題，粒子法可以天然地獲得流體的自由表面，無需VOF等模型。

shonDy軟件主要的技術優勢

（1）無需網格劃分，導入CAD文件即可啟動計算

傳統的CFD方法依賴于網格劃分技術，甚至將畫網格這種機械的工作職業化，這種網格劃分占據了CAE工程師70%的勞動時間。shonDy軟件只需要將工程設計或產品的CAD模型和流體域幾何導入軟件，即可輕松啟動計算。shonDy軟件具備下一代CFD技術的理念，將很多傳統工程問題的模擬從不可能變為了可能。

（2）不需要借助VOF等模型，就可以本質地模擬流體的自由表面

傳統的網格方法需要計算流體不同組分的體積份額輸運方程，并使用Volume Of Fluid模型以獲得流體界面的法向方向，并通過流體的單相速度和界面法向方向計算流體在網格控制體前進的距離，并判斷流體的界面是否超過當前網格的控制體，最后還需要進行界面重構以獲得自由界面。這種數值方法不僅繁瑣，而且依賴于網格的劃分，對界面的法向方向計算也只是近似，不適合于復雜的自由表面流動。基于無網格方法shonDy軟件是將每一相的流體物質進行離散，將流體抽象為運動的物質點的集合，因此流體的自由表面是自然存在的。shonDy軟件采用了Virtual particle模型，用于模擬壓力邊界條件，虛擬粒子的壓力是環境壓力，該模型優化了粒子法近自由界面的壓力場和粒子分布。另外，shonDy的流體張力模型可以很好地計算流體表面張力的作用。

（3）可以模擬激烈晃蕩條件下，流體撞擊壁面產生的碎化和噴濺

傳統的有限體積法可以使用VOF模型跟蹤流體自由界面，但是自由界面的捕捉是需要相鄰的網格控制體的物理量進行計算得到，這一點限制了傳統方法對于濺射問題的模擬。因此傳統的網格方法無法計算得到流體的噴濺液滴分布。shonDy軟件基于拉格朗日體系，離散的流體物質點單元隨著流體運動，在流體撞擊壁面的情況下，流體會出現碎化和濺射的效果。齒輪箱的飛濺潤滑模擬，以及高速艦艇船首海浪噴濺的模擬都會涉及到這種現象。使用shonDy可以輕松模擬齒輪箱潤滑油分布，以及船首海浪噴濺等現象。

高速艦艇船首海浪噴濺仿真

（4）流體和固體的壓力場在一個線性方程組內求解，從本質上實現了流固耦合

傳統CFD軟件的流固耦合計算多采用單向耦合方法，流場和結構力學的計算是兩個求解器完成，中間通過壓力和位移進行而邊界條件的傳遞。由于網格的存在，固體的一位或變形必須是在有限的范圍內，否則會造成網格變形過大計算發散。另外，傳統的CFD耦合計算中流體與固體之間的作用力與反作用力并不相等。shonDy軟件是將流體域和固體統一離散為粒子，由于采用了拉格朗日體系，剛體和流體的運動沒有任何自由度和幅度限制，打破了傳統方法的網格束縛。

（5）更加自然地模擬多相混合流動

采用傳統的CFD方法，對于不相混合的多相流計算非常困難，尤其是流體多余3中的情況下，需要對每一種流體建立控制方程，計算該流體的體積份額，并保證每個網格控制體內的流體體積份額總和為1。因此傳統的CFD方法很少應用于3種以上的不相容流體的混合計算。嚴重事故下，輕金屬層，氧化層和重金屬層會在重力的作用下分離，這一現象很難用傳統CFD方法模擬，但是粒子法的出現使這一工程問題的仿真變得簡單。shonDy軟件理論上可以定義無限多種流體在一個流場內進行計算，適合于多種不相容材料熔化后的行為模擬。

（6）流體物理量隨流體質點運動

在核能領域的嚴重事故研究中，經常會碰到熔融物遷移的問題，例如燃料棒的熔化，熔融物落入下封頭，甚至熔融物進入安全殼內。這種熔融物的運動必然會伴隨著核素的遷移，以及衰變熱隨熔融物的運動。這種衰變熱可以作為一種體積內熱源。在傳統的CFD方法中，內熱源的定義只能定義在空間位置上，不能定于在預先未知的熔融物遷移軌跡上。采用傳統的方法難以模擬帶內熱源的熔融物在空間上的遷移運動。shonDy的計算中，所有的物理量是存儲在流體或固體的質點上的，內熱源Q也是存儲在每個質點上，那么流體的遷移的過程中，無論運動多么復雜，或者產生了混合，內熱源都是緊緊跟隨物質運動的，非常接近真實的物理現象。

（7）支持分布式大規模并行計算

shonDy軟件基于C++/OpenMPI開發完成，在大規模計算中，將大量的流體粒子分散到不同計算機節點進行存儲，這是一種技術上非常具有挑戰性的分布式并行方法。傳統的CFD的計算是將物理量存儲于網格上，因此非常容易對網格進行分解，并實現分布式存儲。然而在粒子法中，所有的流體或固體的離散單元會在空間上產生復雜的運動和交混，為了保證不同計算機節點的數據交換量最小化，shonDy采用了數據遷移技術，也就是在空間上對流體域進行分解，然后不同計算機存儲的粒子可以發生遷移，從一個節點遷移到另外一個節點上。shonDy的并行計算結果與串行計算結果完全一致。