流體化學的案例
化學/石化工業(yè)中的流體仿真
2017ANSYS用戶大會能源與化工行業(yè)分會場，安世亞太高級工程師李紅梅做的《化學/石化工業(yè)中的流體仿真》主題報告的PPT。
微流體技術(shù):精細化學品合成與納米和多孔材料的制備
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用長纖維制造的微流體設備可用于化學或生物醫(yī)學測試和研究
麻省理工團隊開發(fā)了含有混合、分離和測試流體的系統(tǒng)的纖維。這些基于纖維的微流體系統(tǒng)可以為醫(yī)學篩查開辟新的可能性。
研究人員通過將導線與微流體通道集成在長纖維中，使其具有細胞分類的能力——在這微流體裝置中，利用細胞對電場的反應不同將活細胞與死細胞分離。圖中活細胞（綠色）被拉向通道的外邊緣，而死細胞（紅色）被拉向中心，允許它們被送入單獨的通道。
微流體裝置是一種具有微觀通道的微小系統(tǒng)，可用于化學或生物醫(yī)學測試和研究。麻省理工學院的研究人員已經(jīng)將微流體系統(tǒng)引入到單個纖維中，從而以更復雜的方式處理更大體積的流體。從某種意義上說，推進開辟了微流體的一個新的“宏觀”時代。環(huán)氧樹脂
過去幾十年中在制造在微芯片樣結(jié)構(gòu)上廣泛開發(fā)和使用的傳統(tǒng)微流體裝置，并規(guī)定在微觀體積中混合、分離和測試流體的方法。例如，在少量血液的醫(yī)學測試通常依賴微流體。但是這些裝置的小體積也帶來了限制；例如，它們不能用在更大體積的液體來檢測微量存在的物質(zhì)的程序。
麻省理工學院的一個研究小組找到了一種在纖維內(nèi)部制造微流體通道的方法。這些纖維可以適應更大的生產(chǎn)量，并且它們在通道的形狀和尺寸上提供了極大的控制和靈活性。本周，麻省理工學院的研究生Rodger、Yuan Joel Voldma和Yoel Fin以及其他四位學者在《美國國家科學院院刊》“Proceedings of the National Academy of Sciences,”上發(fā)表了一篇論文，論文中詳細描述了這一新概念。
多學科方法
這個項目是Fink在擔任麻省理工學院電子研究實驗室主任時發(fā)起的“快速風暴”活動（頭腦風暴與速配的融合——Jeffrey Grossman教授的一個想法）的結(jié)果。
展開 光纖折射率在油水混合物濃度檢測的設備中的應用
FRI是一種光纖折射率傳感器，為業(yè)內(nèi)現(xiàn)有應用提供了更好更可靠的折射率測量，同時，該傳感器也具備惡劣條件下持續(xù)在線監(jiān)控流體折射率的新擴展能力。此類傳感器是測量工業(yè)、化學和食品加工過程中流體折射率的理想產(chǎn)品。它們也常被用來測量油濃度比例。對于儀器行業(yè)的工程師而言，這種經(jīng)現(xiàn)場驗證的解決方案無疑是一種寶貴的資產(chǎn)。
工采網(wǎng)的一款加拿大FISO光纖折射率傳感器- FRI基于沖液Fabry-Perot光學腔體的長度變化，以精確測定流體的折射率。沖液Fabry-Perot光學腔體的長度與流體樣品的折射率呈正比。因此，采用白光干涉技術(shù)測量Fabry-Perot腔體長度，即可測定折射率。我們能夠提供兩種FRI光纖折射率傳感器型號: FRI-BA 和FRI-NP。前者為小型迷你封裝，后者為堅固的不銹鋼封裝，適合工業(yè)領域的應用。
此外，F(xiàn)RI傳感器還可在不同的溫度、EMI和其他條件變化的環(huán)境下正常工作。在任何涉及流體化學和流體質(zhì)量控制的應用中，包括冷卻系統(tǒng)，上述研發(fā)部門的工程師們可能需要通過在一段時間內(nèi)，監(jiān)控具體特性的性能來改善過程和產(chǎn)品技術(shù)。而在運行過程、制造過程或產(chǎn)品的整個生命周期，特定的產(chǎn)品性能變化將在折射率上表現(xiàn)出來。使用FRI折射率傳感器，可在挑戰(zhàn)惡劣環(huán)境中對目標展開全面的折射率分析。即使在惡劣的溫度、EMI、濕度環(huán)境和多變的簡易標定情況下，光纖信號調(diào)理器依然具備測量折射率的能力。
展開 
測量食用油品質(zhì)的折射率可以用什么儀器？
FRI是一種光纖折射率傳感器，作為一種小型傳感器，F(xiàn)RI可以提供在線折射率測量，同時使用它可以持續(xù)對任何過程進行監(jiān)控，不管這種過程是工業(yè)過程還是食品工程的化學過程，這樣就排除了人工采樣和測量一致性的問題。此外，F(xiàn)RI傳感器還可在不同的溫度、EMI和其他條件變化的環(huán)境下正常工作。在任何涉及流體化學和流體質(zhì)量控制的應用中，包括冷卻系統(tǒng)，上述研發(fā)部門的工程師們可能需要通過在一段時間內(nèi)，監(jiān)控具體特性的性能來改善過程和產(chǎn)品技術(shù)。而在運行、過程、制造過程或產(chǎn)品的整個生命周期，特定的產(chǎn)品性能變化將在折射率上表現(xiàn)出來。
FRI光纖折射率傳感器是測量工業(yè)、化學和食品加工過程中流體折射率的理想產(chǎn)品。它們也常被用來測量油濃度比例。對于儀器行業(yè)的工程師而言，這種經(jīng)現(xiàn)場驗證的解決方案無疑是一種寶貴的資產(chǎn)。FRI光纖折射率傳感器為業(yè)內(nèi)現(xiàn)有應用提供了更好更可靠的折射率測量，同時，該傳感器也具備惡劣條件下持續(xù)在線監(jiān)控流體折射率的新擴展能力。我們能夠提供兩種FRI光纖折射率傳感器型號：FRI-BA 和 FRI-NP。前者為小型迷你封裝，后者為堅固的不銹鋼封裝 ，適合工業(yè)領域的應用。
展開 PFEPG 在地震構(gòu)造動力學中的應用
北京大學和美國加州大學的地質(zhì)學家們用“并行有限元程序自動生成系統(tǒng)”計算了地質(zhì) 構(gòu)造動力學，地殼中地幔對流等大型非線性問題，模擬了造山、盆地演化等地質(zhì)過程，考慮 了斷層影響的熱、流體及化學耦合作用。研究成果發(fā)表在 Nature 等學術(shù)刊物上。在第 30屆世界地質(zhì)大會上關于盆地演化的報告受到廣泛的關注和好評。這些問題的有限元程序是如 此復雜，它們的編寫是人力難以勝任的，可是加州大學伯克利分校的 C.Y.Wang 教授用該系統(tǒng)一年就完成了十個問題的計算。他在正式評價信中寫到：“地質(zhì)構(gòu)造動力學是復雜的動態(tài) 過程，很少有有限元程序可以計算，我很高興能找到梁國平教授的自動生成系統(tǒng)，很成功地 模擬了造山過程和盆地生成過程的溫度變化、流體流動和化學變化，并把結(jié)果寫成論文在各 種雜志發(fā)表。我們將繼續(xù)用這個系統(tǒng)研究其它的地質(zhì)問題。梁教授的自動生成系統(tǒng)是一個有 用的發(fā)明創(chuàng)造，我估計它會被廣泛地應用于其它很多領域。”
展開 掌握 COMSOL MULTIPHYSICS 軟件（在線教程）
COMSOL 為電氣、機械、流體、聲學和化學應用提供了 IDE 和統(tǒng)一的工作流程。
COMSOL 提供了幾個模塊，根據(jù)
應用領域分為電氣、機械、流體、聲學、化學、多用途和接口。
流固耦合 （FSI） 是描述流體動力學和結(jié)構(gòu)力學的定律之間的多物理場耦合。這種現(xiàn)象的特點是可變形或移動的結(jié)構(gòu)與周圍或內(nèi)部流體流動之間的相互作用（可以是穩(wěn)定的或振蕩的）。
當流體流動遇到結(jié)構(gòu)時，應力和應變會施加在固體物體上，這些力會導致變形。這些變形可能非常大或非常小，具體取決于流動的壓力和速度以及實際結(jié)構(gòu)的材料屬性。
如果結(jié)構(gòu)的變形非常小，并且時間變化也相對較慢，則流體的行為不會受到變形的很大影響，我們可以只關注固體部件中的合成應力。然而，如果時間變化很快，大于每秒幾個周期，那么即使是很小的結(jié)構(gòu)變形也會導致流體中產(chǎn)生壓力波。這些壓力波導致振動結(jié)構(gòu)發(fā)出的聲音輻射。這些問題可以被視為聲-結(jié)構(gòu)相互作用，而不是流-固耦合。
此課程面向哪些人：
仿真初學者、博士生、研究人員
展開 Carbon 展示第一批為福特汽車生產(chǎn)的塑料3D打印零件
EPX（環(huán)氧樹脂）82已通過了福特嚴格的性能標準測試，包括：室內(nèi)風化，短期和長期熱暴露，紫外線穩(wěn)定性，流體和化學耐受性，易燃和霧測試等。
3D科學谷Review
Carbon 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO Joseph DeSimone 博士在談及與福特的合作時曾表示，與福特的合作使他們獲得更多的機會去推動數(shù)字化技術(shù)（3D打印）制造與注塑性能相當甚至是超越注塑性能的汽車零部件。
那么，3D打印與注塑競爭的可能性有多大呢？無疑，注塑工藝的優(yōu)勢在于大批量，而3D打印的優(yōu)勢在于小批量或者是用于非常復雜的設計。目前，要替代掉注塑工藝，3D打印的發(fā)展空間要么是小批量簡單設計，要么是大批量非常復雜的設計。3D打印技術(shù)要想在小批量簡單產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝上取得一席之地，就需要在打印價格方面更便宜。3D打印技術(shù)要想在大批量復雜產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝上獲得比注塑工藝更大的優(yōu)勢就需要打印速度更快。
根據(jù)3D科學谷的市場觀察，除了Carbon 的DLS技術(shù)，旨在與中小批量注塑技術(shù)展開競爭的3D打印技術(shù)還包括惠普的多射流熔融3D打印技術(shù)，voxeljet-維捷的高速燒結(jié)技術(shù), EOS 即將投入市場的LaserProFusion技術(shù)，以及Evolve 的STEP技術(shù)。
不過，推動塑料3D打印技術(shù)進入生產(chǎn)領域的將不僅僅是設備廠商，材料方面像陶氏化學公司，巴斯夫，帝斯曼和沙特基礎工業(yè)這些大企業(yè)一直在幕后研發(fā)他們用于3D打印領域的新材料技術(shù)。與福特建立塑料零件生產(chǎn)合作的Carbon 也擁有針對應用開發(fā)新材料的技術(shù)實力。
展開 計算流體力學（CFD）理論基礎（一）
01 和流體力學相關的學科
水動力學，空氣動力學，氣體動力學，滲流力學，物理化學流體動力學，爆炸力學，多相流體力學，等離子體動力學，電磁流體力學，環(huán)境流體力學，生物流變學，等等。
02 典型流體力學實驗
風洞試驗，水洞試驗，水池試驗。
03 常用數(shù)值計算方法
有限差分法，有限單元法，有限體積法，邊界元法。
04 絕對壓強，相對壓強（表壓強），真空度
05 靜壓，動壓，總壓
06 流線，跡線
07 馬赫數(shù)
小于1為亞音速，大于1為超音速，大于3為高超音速
08 正激波，斜激波
09 理想流體（無粘流體），粘性流體
10 牛頓流體，非牛頓流體
11 可壓縮流體，不可壓縮流體
12 定常流動，非定常流動
13 層流，湍流
雷諾數(shù)2000
14 拉格朗日隨體描述，歐拉空間描述
15 流體力學基本方程
質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）；動量守恒方程（運動方程）；能量守恒方程
16 CFD常用算法
SIMPLE；SIMPLEC；SIMPLER；PISO
17 CFD常用軟件
Phoenics（英國）；STAR-CD(英國)；CFX(ANSYS，美國)；Fluent（ANSYS，美國）
展開 CFD-ACE+介紹_技術(shù)資料
它能夠模擬流體、熱、化學、生物學、電學、力學現(xiàn)象
CFD-ACE+介紹_技術(shù)資料.pdf
CFD商業(yè)軟件綜合介紹
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CFX
CFX是由英國AEA公司開發(fā)，是一種實用流體工程分析工具，用于模擬流體流動、傳熱、多相流、化學反應、燃燒問題。其優(yōu)勢在于處理流動物理現(xiàn)象簡單而幾何形狀復雜的問題。適用于直角/柱面/旋轉(zhuǎn)坐標系，穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)流動，瞬態(tài)/滑移網(wǎng)格，不可壓縮/弱可壓縮/可壓縮流體，浮力流，多相流，非牛頓流體，化學反應，燃燒，NOx生成，輻射，多孔介質(zhì)及混合傳熱過程。CFX采用有限元法，自動時間步長控制，SIMPLE算法，代數(shù)多網(wǎng)格、ICCG、Line、Stone和Block
Stone解法。能有效、精確地表達復雜幾何形狀，任意連接模塊即可構(gòu)造所需的幾何圖形。在每一個模塊內(nèi)，網(wǎng)格的生成可以確保迅速、可*地進行，這種多塊式網(wǎng)格允許擴展和變形，例如計算氣缸中活塞的運動和自由表面的運動。滑動網(wǎng)格功能允許網(wǎng)格的各部分可以相對滑動或旋轉(zhuǎn)，這種功能可以用于計算牙輪鉆頭與井壁間流體的相互作用。CFX引進了各種公認的湍流模型。例如：k-e模型，低雷諾數(shù)k-e模型，RNG
k-e模型，代數(shù)雷諾應力模型，微分雷諾應力模型，微分雷諾通量模型等。CFX的多相流模型可用于分析工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種流動。包括單體顆粒運動模型，連續(xù)相及分散相的多相流模型和自由表面的流動模型。
CFX-TASCflow在旋轉(zhuǎn)機械CFD計算方面具有很強的功能。
展開 
CFD商業(yè)軟件綜合介紹
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CFX
CFX是由英國AEA公司開發(fā)，是一種實用流體工程分析工具，用于模擬流體流動、傳熱、多相流、化學反應、燃燒問題。其優(yōu)勢在于處理流動物理現(xiàn)象簡單而幾何形狀復雜的問題。適用于直角/柱面/旋轉(zhuǎn)坐標系，穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)流動，瞬態(tài)/滑移網(wǎng)格，不可壓縮/弱可壓縮/可壓縮流體，浮力流，多相流，非牛頓流體，化學反應，燃燒，NOx生成，輻射，多孔介質(zhì)及混合傳熱過程。CFX采用有限元法，自動時間步長控制，SIMPLE算法，代數(shù)多網(wǎng)格、ICCG、Line、Stone和Block
Stone解法。能有效、精確地表達復雜幾何形狀，任意連接模塊即可構(gòu)造所需的幾何圖形。在每一個模塊內(nèi)，網(wǎng)格的生成可以確保迅速、可*地進行，這種多塊式網(wǎng)格允許擴展和變形，例如計算氣缸中活塞的運動和自由表面的運動。滑動網(wǎng)格功能允許網(wǎng)格的各部分可以相對滑動或旋轉(zhuǎn)，這種功能可以用于計算牙輪鉆頭與井壁間流體的相互作用。CFX引進了各種公認的湍流模型。例如：k-e模型，低雷諾數(shù)k-e模型，RNG
k-e模型，代數(shù)雷諾應力模型，微分雷諾應力模型，微分雷諾通量模型等。CFX的多相流模型可用于分析工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種流動。包括單體顆粒運動模型，連續(xù)相及分散相的多相流模型和自由表面的流動模型。
CFX-TASCflow在旋轉(zhuǎn)機械CFD計算方面具有很強的功能。
展開 仿真應用 | Rocky DEM與ANSYS Fluent聯(lián)合仿真
圖1-Rocky DEM可以集成在ANSYSWorkbench平臺下
DEM-CFD耦合方法對模擬顆粒-流體系統(tǒng)的作用非常巨大，能以數(shù)值仿真來擴大顆粒-流體耦合的模擬處理范圍。復雜的物理現(xiàn)象，如氣力輸送、顆粒干燥、研磨機內(nèi)漿液流動、甚至是顆粒與流體之間的化學反應，都可以借助這種方法來實現(xiàn)仿真和分析。
圖2-Rocky與ANSYS集成后，F(xiàn)LUENT的計算結(jié)果可通過接口傳遞給Rocky
Rocky DEM作為ANSYS Workbench的組件，能夠與ANSYS Fluent進行耦合計算，無需借助第三方工具。其耦合方式有兩種：單向和雙向耦合。
圖3-Rocky DEM與FLUENT耦合方式
圖4-Rocky DEM與FLUENT雙向流固耦合設定界面
在進行耦合計算時，流體-顆粒相互作用的納維斯托克斯方程中的耦合項，考慮了阻力、升力浮力、虛擬質(zhì)量、角動量和其他力。流體對顆粒的作用通過相間作用力（曳力）來實現(xiàn)的，而顆粒對流體的影響，則通過體積分數(shù)和動量交換力完成。
圖5-Rocky DEM與FLUENT耦合計算內(nèi)核
圖6-耦合計算中流體對顆粒的作用
圖7-耦合計算中顆粒對流體的影響
RockyDEM和Fluent單向耦合計算
風移器在工業(yè)中通常用于分離不同質(zhì)量的顆粒。采用Rocky DEM和Fluent單向耦合的方式可以模擬出流體中輕顆粒上浮、重顆粒下沉的現(xiàn)象。在計算過程中，可以使用不同的阻力模型進行計算。
展開 “神工坊”高性能工業(yè)仿真平臺｜Fluent軟件并行效率測試
Fluent軟件并行效率測試
一、導言
Fluent軟件是ANSYS旗下一款通用CFD仿真軟件，市場占有率比較高，能夠進行流體、傳熱、化學反應等多種工程場景和模型的仿真分析。
二、 Fluent并行效率測試
1、模型介紹
本次測試共有兩個模型，一個是一個離心泵的空化仿真，是一個Mixture多相流問題，另一個是一個發(fā)動機內(nèi)流仿真模型，兩個模型都來自于胡坤老師的公眾號，在原網(wǎng)格基礎上進行了加密。
表1 模型描述
2、并行測試方案介紹
本次并行測試基于國家超算無錫中心高性能仿真計算集群進行，計算隊列每個節(jié)點包含2路12核E5-2680V3處理器，主頻2.5GHz，每個節(jié)點128GB DDR4內(nèi)存。
測試時分別使用了單核，24核（一個節(jié)點），48核，72核，96核及120核進行計算。
3、測試結(jié)果
并行測試結(jié)果如下所示：
4、測試結(jié)果對比
將case2的測試結(jié)果與Fluent官方及第三方超算測試情況進行對比，結(jié)果如下圖所示：
其中，F(xiàn)luent官方測試案例是飛機機翼上方的外部氣流穩(wěn)態(tài)流場仿真，網(wǎng)格規(guī)模1400萬；第三方超算測試案例是卡車車身外部穩(wěn)態(tài)流場仿真，網(wǎng)格規(guī)模1400萬。
備注：因無法找到相同的仿真算例，故選擇了網(wǎng)格規(guī)模接近的算例進行對比，且各方測試并行規(guī)模也不完全一致，為方便對比，均轉(zhuǎn)換成按節(jié)點數(shù)進行對比（作者：周捍瓏）。
十四五期間，工業(yè)數(shù)字化將是工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主路線。“神工坊”秉持“算力賦能、協(xié)同創(chuàng)新”的理念，爭做“先進算力到仿真算能的轉(zhuǎn)換器”、“離散機理和垂直仿真場景的連接器”，助力我國工程仿真技術(shù)實現(xiàn)跨越發(fā)展，支撐重大裝備研制創(chuàng)新和工業(yè)設計研發(fā)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
展開 10個目前流行的CFD仿真軟件，你了解幾個？
說到仿真計算流體力學軟件（CFD軟件），大家都耳熟的有ANSYS Fluent、cfx、STAR-CCM、comsol、OpenFOAM、Phoenics等等。它們都有各自的仿真優(yōu)勢和市場。
但是，CFD仿真軟件多了，容易讓我們迷茫。一方面，我們不可能全部軟件都學會；另一方面，我們很少人明白它們各自的優(yōu)缺點，這點對于仿真一些特殊問題時候選對軟件會很關鍵。下面為您介紹10個目前流行的CFD 軟件。
1. ANSYS Fluent
使用領域：流體流動、多相流、流固耦合、動網(wǎng)格、傳熱與輻射、燃燒和化學反應、聲學和噪聲。
特點：提供豐富的湍流模型和多相流模型，模型都有精確驗證過。方便與ANSYS平臺其他仿真模塊進行多物理場仿真。介紹的資料和書本最多，方便上手。市場占有率高。
2. Phoenics
使用領域：流體流動、多相流、傳熱傳質(zhì)、燃燒和化學反應、暖通建筑。
特點：提供豐富的湍流模型和多相流模型。軟件自帶1000多個例題，方便學習。最大限度的向用戶開放了程序，用戶可以任意修改和添加各種程序和模型。
3. cfx
使用領域：流體流動、傳熱、輻射、多相流、化學反應、燃燒。可滿足泵、風扇、壓縮機、燃氣渦輪和水力渦輪等旋轉(zhuǎn)機械應用的需求。
特點：是全球第一個發(fā)展和使用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)的商業(yè)化軟件。一直占據(jù)著80%以上的旋轉(zhuǎn)機械CFD市場份額。2003年被ANSYS收購，方便與ANSYS平臺其他仿真模塊進行多物理場仿真。
4. STAR-CCM
使用領域：流動、傳熱、應力、噪聲、多相流、燃燒。
特點：搭載了CD-adapco獨創(chuàng)的最新網(wǎng)格生成技術(shù)，使用CD-adapco倡導的多面體網(wǎng)格，相比于原來的四面體網(wǎng)格，在保持相同計算精度的情況下，可以實現(xiàn)計算性能約3～10倍的提高。
展開 