阻力分析的案例
自升式海洋平臺拖航阻力計算分析
表1 不同規范拖航阻力計算環境條件
1.1 國內規范算法
目前國內關于拖航阻力的計算模型主要是CCS《海上拖航指南(2011)》算法，該指南的相關公式是目前國內拖航阻力的主要依據，也是海上平臺拖航前獲得海事部門許可的計算依據.摩擦阻力、剩余阻力和風阻力的計算公式[2]如下：
Rf=1.67A1V1.83×10-3
Rb=0.147δA2V1.74+0.15V
R2=0.5ρV2ΣCsAi10-3
其中：Rf為摩擦阻力，Rb為剩余阻力，R2為風阻力，A1為水下濕表面積，A2為迎流面積，V為拖速，δ為方形系數，Ai為受風面積，Cs為受風面積Ai的形狀系數；各個阻力的單位為kN.
中國船級社《海上設施拖航檢驗須知》在《海上拖航指南(2011)》算法的基礎上，規定了波浪阻力的計算公式：
Rw=12VSw2B(δ/L)1.5 kN
其中：Rw為波浪阻力，Sw為波高，B為船寬，L為船長.
1.2 各主流船級社拖航阻力公式
DNV船級社沒有直接針對拖航過程的阻力公式，但規范中有關于拖航中平臺受到的風阻力公式和波流力計算的簡單公式以及水動力學推薦算法，水動力學計算需要用專門的水動力學軟件進行計算.
相比風阻力公式，波浪阻力更難求解.在不規則海洋中，波浪引起的載荷可以通過規則波分量的荷載線性疊加得到，在規則入射波中分析大體積結構稱為頻域分析.假設處于穩定狀態，忽略所有瞬態效應，結構的載荷和動力響應與入射波的頻率相同，或在前進速度下與遭遇波的頻率相同，呈諧波振動.
在線性分析中，流體力學問題通常分為兩個子問題.
展開 案例解析|滑雪運動員空氣阻力分析
在大多數情況下，分離會增加阻力。
另外可以觀測流線聚合和擴散 (流線的疏密程度)。由于小于0.3馬赫的空氣被認為是不可壓縮的，所以當流域截面變窄時，空氣速度增大。由于幾何形狀/橫截面的變化，空氣的加速和減速可能再次產生阻力。通過平滑這些幾何/截面的變化，可以減緩速度的變化，從而減少阻力。
橫向和縱向流線如下圖所示：
縱向流線（a）
縱向流線（b）
縱向流線（c）
縱向流線（d）
橫向流線（a）
橫向流線（b）
噪聲分析
噪聲仿真分析是一門先進的工程技術，且分析過程較為復雜及分析費用昂貴。因此，通過引入了更簡單的模型(“聲學類比”)來獲得局部噪聲產生的粗略估計，已達到判斷噪音源及優化設計，顯得更經濟實用。
為了減少設計中的噪聲產生，可通過下圖查找“噪聲云”的來源。一般情況下，噪音是在氣流受到干擾的位置下游產生的。平滑表面、避免空腔和外延部件可以有效減少噪音的產生。
展開 【AICFD案例操作】潛艇阻力AI預測分析
圖5-2 結果預測
2）求解結果更新及導入
雙擊樹節點 報告> 力，設置方向參數，選取區域面列表中hull，單擊應用，讀取升阻力數據。
圖5-3 數據讀取
圖5-4 數據查看
3）結果對比
① 在進行預測計算之前， 可以先進行原始工況的計算，然后和預測后的結果進行比對；
② 升阻力，壁面壓力和中心截面速度對比。
表1 升阻力數據對比
表2 壁面壓力對比
表3 中心截面速度對比
① 單擊菜單欄 后處理>云圖，選取位置和變量參數，設置等級參數，點擊應用，讀取潛艇表面壓力云圖；
② 壁面壓力云圖對比。
圖5-5 原始工況
圖5-6 預測結果
① 單擊菜單欄 后處理> 面，創建中心截面, 然后單擊菜單欄 后處理> 云圖，查看流場中心截面速度分布云圖，點擊應用，讀取中心截面速度分布圖；
② 中心截面速度云圖對比。
圖5-7 原始工況
圖5-8 預測結果
展開 船舶阻力CFD模擬分析 ?
船舶阻力預報CFD研究現狀
在船舶行業，CFD能準確捕捉復雜流動形態及結構；流動區域平均物理量（速度及壓力）的預報已達到較高精度；固壁邊界的水動力系數（摩擦阻力和粘壓阻力系數）的預報已達到一定精度，可用于初步設計、優化設計等工程應用問題；自由表面流動的計算進步較快，波形的預報已經達到相當的精度。
通過CFD計算分析，可以對多個不同的設計方案給出正確的排序。比之單由水池試驗，CFD分析的長處是它允許對更寬范圍的備選船型方案進行測試。比較理想的做法是，它適合用來選擇有希望的備選設計方案作進一步的水池試驗。CFD也指明對設計方案進行改進的部位和方法，比如，顯示出船身上的壓力分布的細節。
船舶阻力計算CFD的解決方案
船舶阻力計算CFD應用需求
船舶的水動力性能（快速性、適航性、操縱性）是由繞船的流場特性而決定，從理論上講通過求解描述流場特性的流體動力學方程就能對相應的水動力性能做出預報。然而，由于自由面的存在、船體幾何形狀復雜（特別是船尾）、附體較多，導致自由面水波、流體分離、旋渦等現象的出現，使得流場中的流動結構很復雜，即使有了描述流動過程的微分方程式也不可能得到解析解，因此，長期以來船模試驗便成了研究船舶周圍流場特性的一個必不可少的手段。然而，船模試驗不僅周期長、費用高、很難得到詳細的局部流場信息，同時因為尺度效應，船模實際上并不能真實地再現實船的流動情況，存在很大的局限性。新的水動力性能預報手段的引入已十分必要。
船舶阻力的CFD計算盡管存在自由表面、高雷諾數等多種難題，但近30年來通過人們不懈的努力，從勢流理論線性計算到非線性計算，從理想流體到粘性流體，從薄邊界層到全NS方程的求解，直至考慮自由面的NS方程的求解，CFD方法在計算能力和實用方面都發生了深刻的變化。過去只是在大學和研究機構才有的計算方法，如今已有很多商業化的CFD軟件可以應用。
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某廠脫硫塔整體系統阻力分析 ￥15
項目簡介
某廠脫硫系統采用石灰石-石膏濕法，采用出口直排鋼煙囪，系統不設增壓風機，脫硫系統阻力由窯尾風機克服，風機位于系統前端，脫硫系統正壓運行。運行一段時間后，系統在滿負荷運行中出現阻力大的情況，現場分析可能為二級除霧器結垢，即除霧器葉片表面被漿液或顆粒物覆蓋，造成氣流通道變窄，但在停機后檢查，二級除霧器并無結垢現象，也無堵塞。因此分析為工況滿負荷后，煙氣量超過設計煙氣量，造成二級除霧器流速過大，阻力上升，這僅為推測，為驗證這一推測。對脫硫系統建立三維模型做CFD流場分析，判斷運行阻力異常的原因。
建立模型
根據圖紙建立三維模型如下：
三維模型
注：模型中托盤、噴淋層、超凈除霧器層均做簡化處理。
計算參數及邊界設置
塔入口煙氣壓力1500Pa；塔入口煙氣溫度155℃；塔入口煙氣量716840℃
根據上述表格數據設置邊界參數如下：
入口：速度入口（velocity-inlet），20.13m/s
出口：壓力出口（pressure-outlet），0Pa
壁面：無滑移邊界條件，標準壁面函數，對流散熱系數5W/m2·K。
流體屬性：飽和濕空氣，其物性（密度、粘度和比熱等）由UDF定義，隨煙氣溫度變化，忽略液滴/液膜對氣相流場的反作用。
傳熱設置：以塔體內噴淋域的吸熱反應來模擬漿液與煙氣的傳熱。
考慮到煙囪內產生旋流，湍流模型采用realizable k-e模型，湍流流場的計算采用有限體積法離散控制方程，算法采用Simple算法，對流項采用一階迎風格式。
結果及分析
脫硫塔的模擬運行結果如下：
展開 關于某除塵項目進口阻力超大的模擬分析及結果方案 ￥15
對比如下：
主管道測點（i1）
進氣口測點（i2）
阻力
實測數據
-1650
-2850
1200
模擬數據
777
34
743
磨停狀態阻力差別較大，考慮氣體走磨停路徑有管道漏風現象，經現場檢查確實在磨停管道兩個測量點間找到漏風點，現場修補了漏風處。
通過對比分析，我們找到了阻力過大的位置，在該處增加分流、導流措施，分析降阻效果，結果如下：
脫硝塔氣流均布及阻力CFD模擬分析
監測面打點圖
3、 計算結果及分析
3.1 原始結構
原脫硝塔模擬運行狀態如下：
監測面的速度云圖
整體速度流線圖
監測面的速度相對標準偏差Sr
監測面的速度入射角度
分析：監測面的速度相對標準偏差Sr=65.82%，不滿足判定標準要求，且速度入射角嚴重偏大，速度角度偏大會造成局部催化劑磨損，應該對該處的速度入射角進行調整，從而滿足判定標準要求。
3.2 添加導流板
調整導流板后脫硝塔模擬運行結果如下：
監測面的速度云圖
速度流線圖
監測面的速度相對標準偏差Sr
監測面的速度入射角度值
分析：通過導流板的均流及對高速氣流的擴散作用，計算結果速度相對標準偏差Sr及速度入射角度都滿足判定標準要求。
3.3阻力控制
脫硝塔進出口煙道，其阻力模擬如下：
進口管道：160Pa（包含進口煙道與原煙道對接處局部阻力）
出口管道：248Pa（包含出口煙道與原煙道對接處局部阻力）
4、 結論
綜上所述，在管道及進氣口處添加導流板后，監測面位置的氣流均布效果已達到要求，速度相對標準偏差Sr=6.63%<15%，最大速度入射角小于10°，可以有效的避免催化劑積灰及氣流對催化劑的磨損。
展開 除塵器改造氣流均布性及阻力分析案例介紹 ￥50
針對袋除塵器運行阻力過高的流場分析 ￥20
目前中控顯示運行阻力較高，經分析除塵器結構，問題可能出現在以下幾點：
1.來自磨機和增濕塔的煙氣匯合流入匯風箱，導致除塵器進口煙氣分布不均。
2.且來自磨機的煙氣管道與主管道成直角相貫，導致進口段阻力較高。
3.灰斗進口管道最小斷面處風速過高，導致設備阻力升高。
現通過模擬磨開和磨停兩種情況，并就以上問題通過添加導流及改造灰斗進氣管道的方式對設備內流場進行優化，降低設備阻力。
二、計算模型及邊界條件
2.1 計算模型建立
四川峨邊窯尾袋改袋除塵器三維模型如下：
原始方案三維模型
改造方案三維模型
袋室流量監測面位置示意
2.2 邊界條件
計算參數如下，原始方案總煙氣量為510000m3/h，改造方案下煙氣量為530000m3/h，煙氣溫度150℃，分別計算磨開（假設磨機與增濕塔煙氣流量比為1:1）以及磨停兩種情況。進口邊界條件為速度進口，進口速度為見下表。出口邊界條件為壓力出口，壓力值為0Pa。湍流模型采用標準k-ε模型，壁面函數為標準壁面函數，固壁面設置為無滑移壁面。濾袋表面設定為多孔跳躍邊界。
計算結果及分析
3.1 原始方案
3.1.1 磨停
磨停狀態下，氣流從增濕塔流入，設備模擬運行狀態如下：
速度流線圖
除塵器進口截面(int2)速度云圖
灰斗進氣口截面速度云圖
濾袋表面風速
從流線圖中能夠看出，在原始方案下，由于缺少導流措施，氣流在從增濕塔進入匯風箱后主要集中在匯風箱底部，致使除塵器進口氣流分布極其不均勻，int2截面最大風速達到了26.3m/s。同時由于灰斗進氣煙道存在收縮斷面，會使局部氣流速度增大，導致壓力損失增大，仿真結果表明，灰斗進氣煙道內的最大風速達到了23.1m/s。
展開 自主仿真|基于PERA SIM Fluid的高速列車氣動阻力分析
圖7 邊界條件設置界面
1.4 物理模型及求解器設置
湍流模型使用SST k-ω模型；壓力速度耦合算法選擇SIMPLE，對流項空間離散格式選擇MUSCLPLUS格式；收斂的殘差標準默認10e-3；采用標準初始化方法，初始速度和壓力均為0；創建阻力和阻力系數監測。
圖8 湍流模型設置界面
圖9 求解器設置界面
2.計算結果分析
計算迭代500步之后趨于穩定。
圖10 收斂曲線
將PERA SIM Fluid計算結果與成熟商用CFD軟件計算結果對比，兩款軟件計算的流場分布趨勢基本一致，總阻力偏差約為2.78%。
表1 計算結果對比
PERA SIM Fluid提供了豐富的后處理工具，可以創建切面/切片、等值面、云圖、矢量圖、流線圖、曲線、圖表、動畫等圖形對象，還具有場變量積分運算功能。
流線：
截面速度場對比：
表面壓力場對比：
3.結論
本文基于PERA SIM Fluid通用流體分析軟件，分析了高速列車的氣動特性，實現了幾何模型處理、網格劃分、材料參數設置、模型和邊界條件設置、求解設置、計算以及結果后處理的完整分析流程，驗證了PERA SIM Fluid強大的前后處理功能以及求解器穩健快速的收斂特性，并與成熟的商用CFD軟件計算結果對比，流場結果分布基本一致，氣動阻力的相對偏差小于3%，計算精度高。
作者：沈陽安世亞太科技有限公司 王鑫鑫
展開 某鋼廠雙列式金屬濾袋除塵器系統工藝管路阻力及流場模擬分析 ￥20
<p class="ql-align-center"><br></p><p class="ql-align-justify"><strong>一、項目簡介</strong></p><p>某鋼廠雙列式金屬濾袋除塵器，除塵器前端管道布置路線復雜且彎頭較多，可能造成運行阻力較大；進氣方式為灰斗進氣，且進口管道處有彎頭，可能會對袋室內煙氣流場均勻性產生不利影響；為保證設備的穩定運行，需通過CFD對袋除塵器運行狀態進行模擬，并添加合適的導流板，以確保濾袋底部間隙風速、濾袋表面風速、灰斗壁面溫度以及阻力均能滿足運行要求。
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Moldex3D模流分析之快速設定不同成型階段的接口熱傳阻力
為了簡化冷卻分析，我們往往會假設完美接觸，也就是假設相鄰的物體之間沒有熱傳阻力。然而從微觀角度來看，實際的物體之間必然存在間隙而形成熱傳阻力。此外，高分子材料與模具單元接觸的情況可能隨著成型過程不斷改變且十分復雜。
有鑒于此，Moldex3D Studio提供熱傳系數(HTC)邊界條件(BC)設定工具，協助用戶考慮接口的熱傳阻力。Moldex3D熱傳系數精靈提供友善且方便的流程，幫助用戶輕松設定各種材料、接觸壓力、粗糙度或是間隙大小的接口熱傳系數。同時使用者也可以根據分析需求，獨立設定不同成型階段的熱傳系數。
步驟 1：開始
準備一個分析模型，生成實體網格后執行最終檢察，或是匯入一個實體網格文件(MFE)。點擊邊界條件頁簽中的熱傳系數圖標，喚起設定精靈，并指定邊界條件數據名稱。
備注：eDesign網格模型不支持熱傳系數邊界條件。
步驟 2：指定熱傳系數邊界條件位置
選取網格模型的表面元素，指定熱傳系數邊界條件作用的位置。使用復數選取功能(按住Shift鍵)和擴散選取功能，可更有效率的指定邊界條件作用的表面元素。選取模式在建立新的邊界條件時預設為啟用，使用者可以點擊選取圖標關閉或再次啟用選取模式。
備注：點擊選取旁邊的設定(齒輪圖標)，可以控制擴散選取的參數。
備注：建立快速冷卻網格時，熱傳系數邊界條件只會作用在產品和嵌件之間的表面。
步驟 3：設定熱傳系數量值
在熱傳系數設定中，模內、脫模、退火三個成型階段的設定分別支持不同類型的分析程序。勾選需要的階段啟用并設定合適的熱傳系數，以調整選取表面網格的熱傳阻力。取消勾選的階段，根據接口的種類和對應的分析程序，會使用原本的默認值。
備注：熱傳系數邊界條件不支持標準版翹曲分析。
展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——船舶阻力預測模擬
1、問題描述本案例演示船舶阻力預測模擬的工作流程。船體置于虛擬拖曳試驗池中，模型如下：
2、軟件設置
（1）選擇物理模型；使用 K-Epsilon 湍流模型和分離流求解器來求解瞬態雷諾平均納維－斯托克斯方程。在激活流體域體積(VOF) 模型后，選擇VOF波，來設置水面初始波的數據。物理模型的選擇如下：
（2）定義歐拉相；在連續體continuum中，右鍵單擊Models > EulerianMultiphase > Eulerian Phases 節點，創建新相，把新相命名為H2O，在H2O節點選擇液體和恒密度模型。同樣的方式設置空氣相，選擇氣體和恒密度模型，定義完的歐拉相如下：
（3）設置VOF波；在模擬期間，自由表面水位隨時間的變化而變化。 STAR-CCM+ 提供可讓您指定波初始條件和邊界條件的 VOF波模型。此處，在靜水中拖曳船。右鍵單擊Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves> Waves，選擇New > Flat，在出現的Flat Vof Wave 1節點設置流和風的速度；設置完Flat Vof Wave 1的屬性如下：
（4）設置初始條件；設置壓力、速度和體積分數的初始條件。
（5）阻尼波反射；在流動阻力模擬時發生波反射。波反射有兩個來源：一是來自邊界的波反射，二是由于突兀的網格過渡造成的波反射，為了避免這些波反射與真正的波場相互作用，從而導致結果無效。STAR-CCM+提供了 VOF 波阻尼功能。
展開 關于黃土中灌注樁承載力與負摩阻力的試驗分析
( 4)負摩阻力沿樁身的發展是隨浸水時間的延續自上而下發生和發展的，在這一過程中，在樁的中性點以上，也是正摩阻力減小和消失的過程。樁身各截面的軸力也經歷了先急劇增長，后緩慢增長，最后趨于穩定的過程。( 5) 樁基的實測負摩阻力遠高于黃土規范建議的負摩阻力值。( 6) 中性點的位置和黃土的自然滲透深度之間具有相關性。
FlowVison應用領域
汽車工業
汽車空氣動力學
熱管理，通風，空氣調節（HVAC）
發動機冷卻
燃燒室設計
氣體在汽缸和排氣系統中流動分析
航空
飛機，機翼，航空發動機的空氣動力學分析
噴氣推進器模擬
飛機起飛降落模擬
水上飛機
水上機身附近空氣和水流動模擬
飛機起飛降落在水上模擬
核能反應
核反應堆中熱和質量轉移模擬
熱和導電介質的計算
超音速應用
巡航導彈空氣動力學分析
火箭空氣動力學分析
火箭發動機空氣動力學分析
噴氣推進器對發射臺的影響模擬分析
船艦
船在水中的阻力分析
船的航行分析
螺旋槳的特性分析
渦輪機械
渦輪和泵的壓縮特性分析
渦輪機內部的聲壓和振動分析
發電機
爐膛內燃料的燃燒計算
燃料和空氣內混合模擬
進氣歧管內壓降計算
金屬鑄造
液態金屬填充分析
液態金屬凝固分析
醫學
心臟瓣膜模擬
洗眼過程模擬
鼻腔內氣流模擬
微電子
清潔室通風模擬
卡盤抓取芯片模擬
FlowVison特點：
1、支持所有的CAD格式(parsolid,UG,PRO/E,CATIA,STEP,IGES等)和CAE格式（ANSYS，NASTRAN,ABAQUS，VRML，STL等）的導入。
2、自動生成網格不需要手動劃分；
3、采用自適應網格技術和自適應求解技術
4、以VOF的方法處理二相流，Free Surface問題；
5、擅長處理流固耦合問題（Fluid-Structure-Interaction）；
6、 擅長處理流體上的移動物Moving Body問題
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