CFD仿真模擬的案例
設計仿真 | 直播預告-借助CFD仿真技術高效模擬城市熱島效應
熱島效應的數值模擬具有現實意義，但其模擬尺度較大，影響因素復雜，涉及到對流，換熱，植被蒸騰，太陽輻射等因素，無法輕易實現。Cradle CFD 軟件因其獨特的高魯棒性像素網格和基于結構化網格的高速求解技術，能對城市熱島效應進行快速、高保真模擬仿真，并能借助CFD仿真技術高效設計建筑環境、暖通空調與潔凈系統來指導改善熱島效應。
本期海克斯康直播講堂請到了CFD仿真工程師吳昌講師，他將為大家帶來“借助CFD仿真技術高效模擬城市熱島效應”為主題的專題直播，通過對行業痛點、技術難點及具體案例的深入解析，全面闡述城市熱島效應的模擬仿真解決方案。
展開 專業團隊承接CFD模擬仿真優化和設計項目
我們是一只來自北京的CFD仿真咨詢團隊，團隊成員均來自重點大學，碩士以上學歷，團隊成員具有5年以上CFD模擬仿真實際工作經歷，經驗豐富，涉及航天、機械、汽車、能源、電子和醫學等行業，可以承接傳熱、流體、燃燒、多孔介質和多相流等模擬仿真項目。我們提供咨詢、培訓、項目仿真與分析等服務，提交技術分析報告和ppt宣貫，一切以用戶需求為導向，提供個性化細分服務。現向有意向的企業或個人發出邀請函，希望能建立長期合作關系，我們會提供優質咨詢服務，成為貴企業CFD業務咨詢合作方。有意者請聯系：
手機：18500525895(微信同號) QQ：914579406 請注明CFD
我們的口號：模擬也是生產力。
本團隊主要從事CFD數值模擬工作，時間已有8
年之久，團隊成員均為重點高校研究生學歷，熟練使用FLUENT，CFX，ICEMCFD,GAMBIT等軟件，擅長ICEMCFD劃分結構化網格。
已承接并完成的項目涉及電廠、能源動力、航空、船舶、建筑、暖通、電力等諸多領域；
本團隊完成的項目：
l 換熱器流固熱耦合三維流場仿真；
鍋爐燃燒優化仿真模擬，脫硫脫硝流場模擬；
l 多種翅片管換熱及流動特性模擬；
l 多孔介質區域流動模擬；
l 地埋式電纜空間自然對流模擬；
l 室內置換通風流場模擬；
l 建筑風場模擬；
l 濕式冷卻塔換熱模擬；
l 空冷換熱器、空冷島三維換熱流動模擬；
l 風力機等葉輪旋轉機械氣動力模擬；
l 復雜幾何結構氣動外流場模擬；
l 三維動網格模擬；
l 結合結構動力學Newmark-B法采用動網格模擬剛體渦振（二次開發）；
l 船體興波阻力模擬；
l 飛行器亞音速、跨音速、超音速、高超音速模擬；
l 旋轉電機流動與換熱模擬；
l 室內濕空氣換熱流動非穩態模擬（二次開發）；
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展開 【CFD數值仿真算例】海上火箭發射數值仿真
CFD（計算流體動力學）數值仿真是一種通過計算機模擬流體流動和相互作用的技術，它可以用于預測和分析各種復雜流動現象，包括海上火箭發射過程中的流體動力學問題。
CFD可以用于研究海上火箭發射平臺的運動規律。在海上火箭發射過程中，火箭發射平臺會受到海浪、海流、風等多種環境因素的影響，這些因素會對平臺的穩定性和運動特性產生重要影響。通過CFD數值仿真，可以對這些因素進行建模和分析，進而得到海上火箭發射平臺的運動規律。
具體而言，CFD數值仿真可以模擬海浪對發射平臺的沖擊和振動，分析平臺在不同海況下的穩定性和動態響應。同時，還可以考慮海流和風的影響，研究它們對平臺運動的影響程度和規律。通過這些仿真分析，可以優化發射平臺的設計和操作策略，提高海上火箭發射的成功率和安全性。
運用CFD數值仿真來研究海上火箭發射平臺運動規律的步驟大致如下：
建立幾何模型：首先，需要收集實際問題的相關數據，并據此創建一個三維幾何模型。可以通過計算機輔助設計（CAD）軟件或其他三維建模軟件完成。建立幾何模型時需要考慮問題的尺寸、形狀和邊界條件等因素。
離散網格生成：離散化是CFD仿真的關鍵步驟之一。在此步驟中，需要將連續流體域分割成離散網格。這些網格通常是由簡單的幾何形狀（如立方體或其他形狀）構成。
設置物理模型和邊界條件：根據問題特性，選擇合適的物理模型（如流體動力學模型、結構動力學模型等）和邊界條件（如海浪、海流、風等）。
求解計算：利用CFD軟件進行數值求解，計算出各網格點的流場變量（如速度、壓力、溫度等）以及發射平臺的運動規律。
后處理和結果分析：對計算結果進行后處理，提取關鍵數據，如發射平臺的運動軌跡、速度、加速度等，并進行詳細的分析和評估。
展開 KFX/EXSIM火災爆炸CFD模擬仿真軟件
KFX
Kameleon FireEx KFX? 是目前在氣體擴散、火炬和火災模擬方面處于國際領導地位的CFD軟件，并逐漸成為燃燒和火災領域的工業標準。其最早是由ComputIT公司聯合NTNU（挪威科技大學）和SINTEF（挪威科技工業研究院）共同研發，軟件融合了工業流體和燃燒問題領域先進的技術以及廣泛的國際經驗。
軟件的主持開發者Bj?rn F. Magnussen教授，是渦耗散概念（EDC）的提出者和發展者。EDC是對燃燒數值計算領域的一項重要貢獻，在工業領域具有廣泛的應用。EDC目前已經集成在世界上絕大多數商業CFD軟件中，解決湍流燃燒問題。
展開 
ANSA在CFD仿真模擬中前處理的特點和優勢
7.Batch mesh
?應用預先定義好的參數，可以完全自動分步驟生成CFD網格，包括面網格、wrapping、邊界層和體網格。
?反復此過程可以應用于新的幾何圖形，可以根據PART或PID名稱過濾約定，確保網格的一致性，并節省時間。
8.Morphing和optimization
?靈活的參數化模型
?通過Morphing Box技術，對大規模復雜模型進行快速、可控的表面和體網格變形。
?Direct Fit Morphing (DFM)工具在不需要Morphing Box的情況下快速修改網格和幾何形狀。
?在同一環境下雨ANSA其它的前處理功能集成在一起。
?全自動過程結合各種優化軟件和CFD求解器。
重大福利：關注本人公眾號：新能源汽車熱管理仿真技術，回復1，免費提供starccm+基礎教程和意外驚喜資料。回復“熱管理”領取大額優惠券。
ansa課程：有限元分析ANSA19.0視頻教程零基礎入門到精通50講
同時本人也在技術鄰平臺更新新能源動力電池熱管理仿真和設計課程如下
1、 基于starccm+在動力電池熱管理仿真技術應用、
2、新能源汽車PACK熱流體仿真進階20講
3、新能源動力電池熱管理設計入門到進階23講
4、 Hypermesh網格劃分-精講進階視頻教程
5、Hypermesh軟件CAE流體網格劃分CFD前處理
展開 CFD仿真模擬為工業安全護航
采用CFDPro模擬兩相冷凝相變水錘，這里選用Marin（2007）開展的實驗研究，管道示意及壓力傳感器布置如圖9。
(a) 管道簡圖
(b) 壓力傳感器布置位置
圖9 模擬的管道簡圖及壓力傳感器布置位置
實驗中包含不同過冷度、蒸汽入射速度、管徑等多種工況：
算例模型包含三種冷凝模型，分別為壁面冷凝、界面冷凝和離散相冷凝。采用CFDPro進行計算，仿真結果如圖10：
圖10 兩相冷凝相變水錘CFDPro模擬結果
由圖10可以看到，蒸汽以一定速度從左側豎直管經過彎管流入充滿一定液體的水平管中，液面在剪力與表面張力作用下慢慢從波浪狀成長為充滿整個管徑的段塞狀。在段塞流不斷接近管道盡頭的過程中，冷凝現象也在時刻發生著，最終在盡頭全部冷凝結束，段塞流在管道盡頭驟停，產生壓力沖擊波，也就是水錘現象。
下圖為High3和Low4兩種工況下管道底蓋處的壓力探測點PCB4的實驗結果和仿真結果，可以看出模擬結果與仿真結果基本吻合。
圖11 壓力探點歷時曲線對比（上：實驗結果，下：仿真結果）
（左：High3工況，右：Low4工況）
圖12為冷凝引起的壓力波形成、傳播和衰減的過程對比，可以看出CFDPro仿真結果如實的還原了實驗中觀測到的壓力波形式，峰值對應的時間節點也基本一致。
圖12 Low4工況下壓力沖擊和衰減曲線對比
（左: 實驗結果，右: CFDPro模擬結果）
CFDPro為上海積鼎信息科技有限公司自主開發的行業專用流體仿真軟件，具有獨特的Level Set界面追蹤方法、領先的湍流模型、豐富的相變模型，配置燃燒模型和反應機理接口，更加適用于工程計算模擬，提供了面向國防軍工的流體仿真解決方案，可用于航空航天、海洋船舶、兵器等領域流體仿真分析。
展開 案例 | 基于CFD仿真的潛航器不同航行狀態下阻力特性模擬與評估
Moon等人[37]指出，對于潛體的CFD建模，流動場的寬度和高度可以設置為其直徑的七倍（7D）。換句話說，如果計算域的高度和寬度都設置為模型直徑的19倍（19D），數值流動場的模擬結果將進一步確保不受計算域邊界的影響。同時圖3顯示了速度入口與壓力出口（B.C.1和B.C.4）作為流體域兩端的進/出口邊界條件。同時，在外部流體區域的外邊界上確定了自由滑移壁（B.C.2）。為了考慮粘性流動對剛體的影響，無滑移壁邊界條件（B.C.3）應用于內部流體區域中的潛體表面。
圖 2 計算域的側視圖（左）和前視圖（右）
對于CFD仿真過程中的網格收斂性問題，分別采用了五套不同的網格參數進行計算驗證，表 1給出了五套不同網格的計算結果，可以發現給定的五套網格計算結果的最大偏差在0.6%，最終選用的網格為網格3，圖 3給出了艇體壁面網格、艇體附近對稱面以及圍殼前緣的壁面網格示意簡圖。
表 1 網格收斂性驗證
圖 3 網格示意簡圖
圖 4給出了各不同航速下，計算值與實驗值的對比圖，具體數據可見表 2，可以發現各航速下計算值均比實驗值偏小，最大偏差在5%以內。
圖 4 計算值與實驗值對比曲線
表 2 計算值與實驗值數據對比
圖 5給出了不同航速下，艇體上的壓力分布以及中心對稱面上的速度分布，從圖中不難發現，航行速度的變化對淹沒艇體周圍的壓力分布影響不大。壓力最高的區域是艇體頭部、圍殼的前緣和尾舵的前緣。此外，在流速加快的地方，如艇體頭部、圍殼和尾舵附近，觀察到了低壓區，而在中部區域沒有明顯的壓力變化。
展開 高爾夫球中的CFD仿真模擬——球手和制造商的雙贏秘訣
球桿仿真設計的過程
工程師們通過仿真軟件來研發和優化桿頭上的空氣流動。
人在揮桿靠近球桿表面的地方時，會激起氣流，促成湍流邊界層的轉換，從而延長了桿頭后方分離區的形成時間。這樣就能縮小湍流尾跡的大小，從而增大桿頭后方的壓力，并減小阻力。
他們首先將現有桿頭設計模型導入仿真軟件，然后自動生成由四面體單元和六面體單元組成的混合網格。為實現桿頭和空氣流之間的較高精度的邊界層，首選六面體單元。工程師研發出一系列不同的模型，來分別定義向下揮桿過程中球桿的每一段距離。
仿真可以解釋揮桿之前的球桿模型時所發生的物理現象。揮桿時產生的氣流在桿頭的前緣分離，導致桿頭后方形成較大的尾跡。這一洞察力信息讓工程師有了新的思路。為桿頭頂面添加脊狀物是否會產生湍流，以延遲桿頭后方的氣流分離，從而減小尾跡區以及阻力的大小呢？
工程師對CFD模型進行了修改，他們添加了擾流器，隨后利用不同數量以及不同長度、寬度和相對于桿頭不同角度的擾流器開展了一系列仿真。每個桿頭設計均在CAD程序中創建，然后導出。在不同的速度干預下，以評估每種設計如何影響不同水平的高爾夫球手的表現。他們最后收斂得到一種擾流器配置，該配置既能最大限度延遲氣流的分離，又能提供最小的阻力。
驗證仿真結果
工程師利用風洞設置，在與仿真時相同的角度和速度下對有擾流器和無擾流器的桿頭進行測試。
展開 CFD熱仿真在數據中心設計階段的應用探討
四、維諦技術CFD熱仿真在數據中心設計評估上的應用總結
1、 在機房設計階段就采用CFD仿真技術對設計方案進行驗證評估，可以最大限度地避免由于設計原因帶來的機房運行問題，減少由于運行問題造成的機房整改投入，保護業主的投資；
2、 采用CFD仿真技術，可以模擬各種設計方案，對機房設計提供直觀的參考依據，起到優化設計、減少甚至避免設計錯誤的作用；
3、 采用CFD仿真技術，可以模擬機房的各種使用情況，對業主分階段負載投入、節能運行、安全運行起到指導作用。
作者簡介：
許泉明：維諦技術（Vertiv，原艾默生網絡能源有限公司）熱管理技術支持部專家，主要負責機房空調產品片區技術支持、機房空調系統測試評估等工作。多年機房空調技術工作經驗和機房CFD熱仿真經驗。
源自CAE集中營
展開 公共交通環境中CFD仿真應用
室內空氣中的細菌因咳嗽而擴散,顏色對應于以m / s為單位的氣流速度
計算流體動力學（CFD）是一種計算描述/與流體流動相關的非線性微分方程的數值方法，幫助工程師可視化流動發生的任何區域的流速，密度，熱影響和化學濃度。有助于工程師分析問題區域并提出最佳解決方案。
CFD仿真常見的應用領域為：
v 教室、醫院、機場等公共場所
v 一般辦公室/房間模擬
v 通風櫥設計
v 污染物模擬
v 工業通風設計
v 吸煙休息室
v 外部建筑流場
v 火災和煙霧管理
v 倉庫火災模擬
v 游泳池通風
v 潔凈室模擬
v 動植物環境
v 封閉的車輛設施
v 計算機集群室等等
顯然，采用CFD仿真能夠有效模擬分析公共場所空氣消毒機的工作狀況，以下元王為某機場航站樓做的空氣消毒CFD分析案例。
CFD仿真分析背景
1. 地面與天花板之間的距離為4.1m；
2. 每臺設備之間的距離、安裝位置如上圖；
3. 空氣凈化器的進出口如下圖所示；
4.
展開 船舶與浮冰的碰撞仿真模擬
目前，此類實驗對實驗材料的要求較高（如建造船模，拖曳水池，造冰器等），現實中不易實現，CFD仿真模擬則成為很好的研究方式。
本文針對船舶與浮冰的碰撞，提供一種簡要的CFD仿真技術路線并進行實驗結果對比，用以說明使用CFD工具實現船舶與浮冰仿真模擬的可行性。
CFD玻璃熔爐仿真：CelSian 點狀網格上的玻璃熔爐模擬慶祝 2022 年國際玻璃年
作者Cadence CFD 解決方案
摘要： 計算流體動力學 (CFD) 不斷擴展其在不同領域的影響力，借助 CelSian 的仿真軟件 GTMX，可以對玻璃熔爐內的物理現象進行仿真和分析。GTMX 擁有專用模型，允許熔爐設計人員預測影響生產時間和質量的因素。CelSian 使用 Cadence? Fidelity? Pointwise? 作為網格生成軟件，在物理對玻璃生產過程至關重要的位置進行細化。使用計算機仿真技術，其中在 Fidelity Pointwise 中執行 CAD 導入和網格劃分，并在 GTMX 上求解仿真，可以在時間限制內測試具有多個設計標準的不同模型。
介紹
聯合國 (UN) 選擇 2022 年為國際玻璃年 (IYOG2022)，以慶祝玻璃為我們的生活帶來的變革，從用于高速互聯網連接的玻璃光纖到用于增強結構的新型創新玻璃設計建筑物和家用電器。聯合國已經解決了他們計劃到 2030 年實現的幾個目標點，其中包括：
組織突出玻璃、藝術和文化之間聯系的活動
為年輕人建立專注于科學和工程的全球聯盟
促進學術界、工業界和公共領域的玻璃研究
展示玻璃在推動文明發展中不斷變化的作用
在當今的技術時代，更快的周轉時間對于滿足客戶不斷增長的需求至關重要，無論是在通信還是醫療保健領域。為了實現可持續或可再生的目標，在最佳解決方案可用于商業化之前，有必要測試大量的玻璃模型。這就需要一種計算機模擬技術，可以預測玻璃窯爐的壽命、可再生能源對窯爐壽命的影響、對燃燒器的影響以及產品質量，而不是依賴既費時又費力的實驗又貴。
流體和熱的計算機模擬
計算機模擬的發展始于上個世紀。
展開 國產CFD軟件VirtualFlow：超臨界流動傳熱模擬仿真，精準把握熱物性變化
然而，超臨界流體的流動傳熱問題復雜，需要借助先進的模擬仿真工具來實現對其流動傳熱特性的精準分析。本文將介紹VirtualFlow軟件在超臨界流動傳熱模擬中的應用，并通過具體算例展示其強大的功能。
圖 1 超臨界流體PT圖
1.VirtualFlow中的變物性表達方法
在超臨界流動傳熱模擬中，準確處理流體的變物性是關鍵。VirtualFlow軟件提供了多種方法來實現對超臨界流體熱物性參數的準確表達，以下是幾種主要方法：
1.1 直接插值方法
在狀態點足夠密集的情況下，直接插值方法可以實現高精度的物性參數計算。VirtualFlow支持從美國國家標準與技術研究院（NIST）數據庫中直接查找數據，并通過單線性插值或雙線性插值方法獲取所需的物性參數。此外，用戶還可以通過curve_fit方法，采用dat文件讀入方式實現單線性插值。
圖 2 dat文件格式
1.2 狀態方程
對于超臨界物性參數，VirtualFlow還內置了多種狀態方程。通過對狀態方程的求解，可以直接得到該狀態下的物性參數，滿足對一般超臨界物性的設置需求。
圖 3 VirtualFlow中設置狀態方程
1.3 多項式擬合方法
VirtualFlow還支持通過自定義函數（UDF）實現多項式擬合方法，用于計算超臨界流體的熱物性參數。采用UDF實現物性參數的多項式擬合可采用如下UDF。
多項式擬合的難點在于對擬臨界區域的準確表述，可采用分區擬合的方法，實現對擬臨界區域的準確表述。
圖 4 VirtualFlow中UDF模版選擇
2.VirtualFlow的NIST數據庫測試
2.1 測試說明
為了驗證VirtualFlow中NIST物性功能模塊的準確性和穩定性，我們在ubuntu環境下進行了測試。
展開 脫硝煙囪噪聲CFD仿真分析
為探究低頻噪音的產生機理以及提出降噪方案，對出口風機到煙囪處進行CFD仿真，模擬其氣流脈動，以期對噪音的改善起到幫助性作用。
1.模型建立
根據圖紙對系統進行三維建模，模型包括三部分：進口靜止部分、風機葉輪區域旋轉部分、以及喇叭口擴散段和煙囪處的靜止部分。
圖1 計算模型
2.邊界條件
進口邊界條件按照風量換算成速度進口（22.92m/s）,出口為壓力出口，出口壓力設置為0Pa，固壁面設置為無滑移。風機葉輪區域設置為旋轉域，轉速為990rpm，旋轉域模型采用MRF，旋轉域與靜止域之間以Domain Interface連接，以保證數據的傳遞。
由于該區域內的氣流為帶旋轉域的非定常復雜流動，同時為了檢測流域內部各個部位的壓力脈動，需進行瞬態計算，時間步長給定為0.0006s，每一個時間步內迭代10次。
壓力監測點分別布置在下圖的P1~P9處，其中P1、P2和P3點處在煙囪進口孔板后側；P4、P5和P6三點在風機出口到煙囪進口之間的擴散段；P7、P8和P9在煙囪中心線上。
圖2 瞬態計算監測點布置
3.計算結果及分析
3.1 原始方案
3.1.1計算域整體流場分布
圖3為瞬態計算條件下某一時刻煙道內氣流的流線分布，從中可以看到氣流從進口進入計算域后，經過葉輪的旋轉作用，在喇叭口內形成了十分紊亂的湍流運動，后經由煙囪排出。
圖3 煙道內氣流流線分布
一般而言，管路中的噪音來源主要包括三方面：壓力脈動、氣流噪音和管路振動。因此我們根據瞬態仿真結果，從壓力脈動和氣流兩方面進行分析。
展開 使用 CFD 仿真優化建筑設計 附精通CFD工程仿真與案例實戰下載
建筑取證
我們已經討論了如何使用仿真來預防 建筑圍護結構的問題，但有既存 問題時會發生什么呢？針對這種情況，Built Environments 團隊利用仿真來執行建筑取證。這個過程包括評估和調查有缺陷的建筑設計，以確定損壞的原因和持續時間以及未來損壞的可能性。
Doggett 舉了一個建筑取證的例子，一個項目涉及修復雨幕系統，該系統在建筑包層后面創造空間來幫助防潮。這對于建筑整體性能非常重要，正如 Doggett 所指出的，“大約 90% 的建筑問題是由潮濕引起的”。
在這個特定的例子中，雨幕系統的包層由半透明的聚碳酸酯制成，部分光和熱可以通過此包層傳遞。雖然很美觀，但太陽輻射得熱量會導致外部泡沫隔熱層熔化。
聚碳酸酯雨幕系統的 CFD 仿真，其中竣工條件導致意想不到的太陽輻射得熱量。產生的問題包括面板變形和 XPS 隔熱層的表面熔化。對雨幕改造的 CFD 分析成功地確定了允許的最大太陽輻射得熱量和最低的通風要求。圖片由 Steven Doggett 提供。
通過 CFD 分析，Built Environments 團隊能夠確定重新設計所需的最低通風要求和允許的最大太陽輻射得熱量。現場的數據驗證了仿真結果的正確性。最后，Doggett 指出，團隊成員發現他們“準確計算了他們在現場看到的情況”。
應對建筑仿真挑戰
建筑是一個非常實用且“腳踏實地”的行業。因此，Doggett 強調了在建筑物理和整個建筑行業中使用仿真時，對實際物理測試進行基準測試的重要性。我們需要進行基準測試來增加對仿真結果的信心。
Built Environments 團隊成員在 CFD 仿真中使用現場收集的真實數據。這樣，他們可以立即驗證條件，并確認不同的條件如何影響建筑設計。
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