三維數值仿真的案例
【CFD數值仿真算例】三維魚類游動數值仿真
仿真設計：
【仿真平臺】自建高性能計算集群
【算例說明】通過CFD數值仿真，可得到三維魚類游動規律及其流場分布
【工程應用】群體運動減阻、柔性體流固耦合數值仿真等
【創新貢獻】浸沒邊界法+FSI+自主代碼研發
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干貨分享 | 基于ABAQUS的前十字韌帶（ACL）重建三維數值分析 ￥1
我們可以利用ABAQUS三維數值仿真技術結合醫學影像和實驗數據幫助醫生加深對ACL重建機制的認識，從而制定最佳的治療和恢復方案。
幾何重構與建立有限元模型：在生物醫學領域，可以通過切片磨片法、CT掃描法、3D激光掃描法等獲得人體組織結構的幾何信息。需要注意的是，對于ACL這樣具有復雜幾何特征的結構，通過掃描獲取的往往僅是研究對象的表面信息，而有限元分析需要提供3D實體模型，這就需要我們引進RE（Reverse Engineering逆向工程）技術（如CATIA中逆向建模模塊）或醫學影像軟件（如Mimisc）與ABAQUS一起來完成有限元模型的創建。
分析參數獲取：醫學實驗可以幫助我們獲取有效的仿真分析輸入參數，如圖：
▲ 骨質壓縮實驗
▲ 肌腱拉伸實驗曲線
ACL重建應用實例：界面螺釘植入仿真及固定強度評估
建模要點：
· 建立脛骨模型；
· 孔：直徑9毫米，深30毫米；螺釘：直徑10毫米，長度30毫米；
· 采用C3D4單元，由Abaqus創建接觸屬性和接觸對；
· 載荷：螺釘作用力為200 N；
· 推進：1.5 mm/s，旋轉1.0圈/s；
仿真結果：
Abaqus模擬了在植入過程中孔的擴張及孔內材料失效過程，同時，通過后處理，得到了韌帶、骨骼的應力和變形，輸出了組織結構的響應曲線，較好的反映了真實情況。
此外，我們還可以進行固定強度的評估， 將仿真計算結果與單周期拉出測試實驗結果進行對比，實驗和仿真也有著較高的一致性。
關于上海江達
上海江達是達索系統全球知名的合作伙伴，專注于PLM領域的信息化咨詢和實施服務，具有百余人的專家顧問實施團隊和二十余年的項目經驗。具備汽車與軌道交通、建筑與能源（BIM）、工業裝備、航空航天、船舶、高科技電子等多個行業的應用案例和最佳實踐。
展開 CAE干貨丨航空發動機三維數值仿真技術
部件／ 整機級／ 飛機發動機一體化全三維高保真仿真
隨著計算機技術的飛速發展，E級（Exascale）計算機于近年投入使用，其超大規模的計算資源和對復雜模型的分析能力將給航空發動機仿真帶來前所未有的發展機遇，目前航空發動機仿真中存在的因計算能力不足無法開展的問題將可能得到完美解決。
對于全發動機湍流燃燒及整機進排氣耦合模擬，當前普遍采用RANS方法降低部分網格量進行典型狀態的差量計算，但對于渦扇發動機非設計狀態的非定常仿真，包含全環旋轉部件、二次流、燃燒化學和耦合熱傳導等復雜幾何和復雜流動現象，必須保證網格數量，其計算量無疑是巨大的。例如渦輪葉片的壽命預測是一個典型的多學科問題，要求模擬外部空氣動力學問題、冷卻通道流動、熱傳導、結構動力學和壽命預測，葉片故障通常由局部現象主導，因而高保真度仿真將會是提高壽命分析可靠性的基本因素，實際的分析只能采用高低保真度模型混合的方法，結果偏差較大。Burdet和Abhari估計準確模擬膜冷卻渦輪葉片所需要的網格點數在5000萬到1億個。由此可知，隨著發動機正向研制的深入，航空發動機仿真對象復雜度和網格規模快速提高，其龐大的計算量亟須E級計算技術的支持。
面向物理信息融合的數字孿生應用
隨著計算技術（特別是嵌入式計算技術）、通信技術（特別是5G通信技術）、新型傳感器技術（特別是無線傳感器網絡技術）和自動控制技術的飛速發展與日益成熟，信息物理融合系統（cyber physical systems，CPS）使航空發動機數值仿真實現了系統的實時感知、動態控制和信息服務。
展開 航空發動機整機三維氣動仿真研究進展
在整機全三維仿真工具研發過程中，同時開展整機仿真軟件的工程適用性研究，其中壓氣機和渦輪采用RANS，燃燒室采用LES，通過與試驗數據（性能、曲線、流場等）進行對比，對數值仿真模型開展校核、驗證與修正，旨在提高各部件與整機的仿真精度，形成高置信度的全三維整機數值仿真軟件，推動實現發動機整機全三維高精度數值仿真。
圖8 基于自研軟件的核心機（壓氣機、燃燒室、渦輪）三維仿真
結束語
在基于總體程序的整機仿真、基于部件融合的整機仿真和基于單一程序的整機仿真中，研究最為廣泛的是基于交界面處理的整機仿真技術，其特點是可支持不同部件使用不同的仿真軟件，通過交界面程序將相鄰部件對應的仿真軟件耦合，實現部件間的相互作用。因此，在充分利用現有的、成熟的仿真資源基礎上，獲得較為精確的仿真結果，是目前比較理想的整機仿真技術。當然，基于交界面處理的整機仿真目前仍須解決部分關鍵技術，如不同部件間的接口面上數據的模型處理，部件間物性管理問題，支持并行計算等問題，另外為適應總體仿真計算還需要考慮旋轉部件功率平衡等。
展開 
兩機仿真丨航空發動機零部件、整機級三維數值仿真技術詳解
部件／ 整機級／ 飛機發動機一體化全三維高保真仿真
隨著計算機技術的飛速發展，E級（Exascale）計算機于近年投入使用，其超大
規模的計算資源和對復雜模型的分析能力將給航空發動機仿真帶來前所未有的發展機遇，目前航空發動機仿真中存在的因計算能力不足無法開展的問題將可能得到完美解決。
對于全發動機湍流燃燒及整機進排氣耦合模擬，當前普遍采用RANS方法降低部分網格量進行典型狀態的差量計算，但對于渦扇發動機非設計狀態的非定常仿真，包含全環旋轉部件、二次流、燃燒化學和耦合熱傳導等復雜幾何和復雜流動現象，必須保證網格數量，其計算量無疑是巨大的。例如渦輪葉片的壽命預測是一個典型的多學科問題，要求模擬外部空氣動力學問題、冷卻通道流動、熱傳導、結構動力學和壽命預測，葉片故障通常由局部現象主導，因而高保真度仿真將會是提高壽命分析可靠性的基本因素，實際的分析只能采用高低保真度模型混合的方法，結果偏差較大。Burdet和Abhari估計準確模擬膜冷卻渦輪葉片所需要的網格點數在5000萬到1億個。由此可知，隨著發動機正向研制的深入，航空發動機仿真對象復雜度和網格規模快速提高，其龐大的計算量亟須E級計算技術的支持。
面向物理信息融合的數字孿生應用
隨著計算技術（特別是嵌入式計算技術）、通信技術（特別是5G通信技術）、新型傳感器技術（特別是無線傳感器網絡技術）和自動控制技術的飛速發展與日益成熟，信息物理融合系統（cyber physical systems，CPS）使航空發動機數值仿真實現了系統的實時感知、動態控制和信息服務。
展開 整機全三維仿真技術加速航空發動機研發
結束語
航空發動機整機全三維仿真技術實現了整機性能參數的快速高精度預測，借助整機仿真，加速了發動機的研制步伐，縮短了研制周期，降低試驗風險，確保了“設計一次到位，試驗一次成功”。目前，該方法已通過多個型號發動機項目的成功實踐，指導了發動機設計、試驗及排故工作，充分驗證了創新項目對加快航空發動研制的重要意義。同時，創新團隊還總結了項目成果，全方位梳理了整機仿真流程，搭建了一套完善的數字化仿真平臺，總結出了一系列設計標準、指南和規范，為豐富與完善研發體系建設提供了有力支撐。
圖5 小涵道比發動機整機仿真結果與試驗測量結果對比
圖6 壓氣機出口總壓徑向分布
圖7 低壓渦輪出口總溫徑向分布
參考文獻
[1] 曹建國.航空發動機仿真技術研究現狀、挑戰和展望[J].推進技術,2018,39(5):961-970.
[2] 曹建國.數字化轉型下航空發動機仿真技術發展機遇及應用展望[J].系統仿真學報,2023,35(01):1-10.
[3] 張劍,衛剛,黃維娜.航空發動機核心機全三維數值仿真方法研究[J].燃氣渦輪試驗與研究,2020,33(1):1-5.
[4] WANG F.Whole aero-engine meshing and CFD simulation[D].London:Imperial College,2013.
[5] 張劍,曾軍.渦扇發動機整機全三維CFD仿真[C].中國航空學會動力分會第十七屆推進系統氣動熱力學專業學術交流會,2019.
文章來源：航空動力
展開 數值仿真技術在航空動力研制中的地位和作用
2017 年9 月，中國航發研究院與北航能源與動力工程學院簽署協議，以“共建共管”的模式，以仿真中心為基礎共同組建了“航空發動機仿真聯合研究中心”，探索產學研用緊密結合的新模式，共同開展仿真技術的研究和應用工作。
仿真中心于2005 年引進了當時全行業第一套高性能集群計算機系統和虛擬現實系統，并完成了我國第一代和第二代航空發動機數值仿真系統（CANSS V1.X 和V2.X 系統）的開發工作，形成了我國自己的航空發動機數值仿真系統（CANSS系統）第一版和第二版，提供有關研究院所使用，推進了我國航空發動機向信息化、數字化方向發展。
該系統可實現整機零維/一維/二維氣動熱力仿真、整機一維/部件三維氣動熱力縮放仿真、部件三維非定常氣動熱力仿真、結構強度仿真和氣固多學科耦合仿真等，已經在現役及在研的9 型整機、40 余套部件中得到了成功應用，涉及10 余個型號和項目。其中整機二維計算值與設計值的相對誤差在0.73%～2.8% 之間，整機一維相對誤差在1.03%～3.08% 之間，渦輪部件二維和三維計算值與設計值的相對誤差不大于3%，壓縮部件二維和三維計算值與設計值的相對誤差不大于6%，基本滿足工程應用的要求（見表4）。
3.2.2 主要差距
總的說來，目前我國的航空發動機數值仿真技術的研究仍處在較低水平，主要體現在：
1）在仿真技術和水平方面，發動機整機仿真目前只能實現一維或二維穩態及過渡態數值仿真；部件仿真還只能實現葉輪機等單獨部件的三維數值仿真；多學科耦合研究僅開展渦輪部件氣-固-熱耦合仿真技術的研究，技術水平尚不成熟，離工程應用有較大差距；仿真系統僅僅完成了初步版本的開發及技術驗證工作。
展開 【CFD數值仿真算例】圓球入水數值仿真
【計算軟件】Palabos開源軟件
【仿真平臺】自建高性能并行集群
【算例說明】通過CFD數值仿真，可得到入水物體的受力、運動軌跡及流動規律（包括空泡）
【工程應用】跳水運動員數值仿真、導彈入水數值仿真、翠鳥抓魚過程數值仿真等
【創新貢獻】自動化計算流程+智能化參數優化
【算例文件】請聯系 18867368123（微信） 或 jianchen122004@126.com
參考文獻：
【數值仿真】海上浮式風力機動力響應分析與數值仿真關鍵技術研究
本文以實際工程項目為例,研究漂浮式海上風力機在數值仿真過程中的關鍵技術。通過建立等效推力模型等手段,實現工程樣機的數值建模并進行典型工況的動力響應分析。本文的研究成果可以有效解決實際工程項目中浮式風力機數值模型建立的難點,對促進我國風電產業技術發展,加速我國海上風電商業化進程具有重要意義。
浮式風力機數值模型建立方法
目前,對于風力機氣動載荷的計算大多采用葉素-動量理論,盡管該方法無法給出葉片翼型附近的流場信息,但是,其計算簡便效率高,廣泛應用于浮式風力機工程計算。水動力載荷的分析則主要基于三維勢流理論,采用海洋工程領域常用的水動力分析軟件求解浮體水動力系數,進而進行時域水動力分析。由于三維勢流理論無法考慮浮體的黏性效應,軟件采用Morison方程的拖曳項模擬浮式風力機的黏性阻尼。
浮式風力機系統結構形式復雜,既包括了葉片、塔柱和傳動軸等柔性構件,又包括了機艙和浮式基礎等剛性結構。因此,不同數值仿真軟件對于浮式風力機系統結構動力學模型的建立區別較大。目前,對于浮式風力機整體結構采用的建模方法主要有多體方法和有限元方法,對于葉片和塔柱等彈性體動力響應的求解則主要采用模態法和有限元方法。
海上浮式風力機數值仿真模型建立
本文以某浮式風力機工程項目為例,針對海上浮式風力機工程樣機在數值仿真過程中的關鍵技術進行研究。浮式風力機系統的結構形式如圖1所示,整個系統上部設置7.25MW風力發電機,底部采用四立柱半潛型浮式基礎。系泊系統的布置情況如圖2所示,在每個邊立柱的底部設置3根系泊錨鏈,采用3×3的懸鏈線式系泊。
圖1 浮式風力機結構示意圖
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圖2 浮式風力機系泊系統布置圖
水動力模型的建立
在AQWA中建立浮式基礎的水動力模型如圖3所示。
展開 【CFD數值仿真算例】風力發電機尾流數值仿真
CFD是一種基于計算機的數值模擬方法，用于研究流體流動、傳熱、化學反應等物理現象。通過建立數學模型，我們可以模擬流體在風力發電機周圍的流動情況，并分析尾流及其相互作用的流場分布。
在風力發電機尾流的研究中，CFD數值仿真可以幫助我們了解尾流的形成、擴散和再附著過程。尾流是指風力發電機在運行過程中，在葉片后方形成的渦旋流動區域。這個區域的流場分布對風力發電機的性能和穩定性有著重要影響。通過CFD仿真，我們可以觀察尾流的動態變化，分析尾流與周圍氣流的作用機制，以及尾流對風力發電機性能的影響。
此外，通過CFD數值仿真，還可以研究多個風力發電機之間的尾流相互作用。當多臺風力發電機在同一個風場中運行時，它們之間的尾流相互作用會對各自的性能產生影響。通過模擬和分析這些相互作用，我們可以評估風場中多臺風力發電機的整體性能，并優化它們的布局和配置。
風力發電機尾流仿真可從以下幾個步驟展開
01 幾何建模
在CFD仿真中，首先需要對風力發電機及其周圍流場進行幾何建模。這包括風力發電機的葉片、塔筒以及周圍的氣流區域。建模的精度和范圍取決于研究的目標和需求。
02 建立數學模型
基于流體力學的原理，需要建立描述流體流動的控制方程，如Navier-Stokes方程、傳熱方程等。這些方程描述了流體的速度、壓力、溫度等隨時間和空間的變化規律。
03 離散化與求解
將連續的控制方程離散化為網格上的離散方程，然后通過數值方法（如有限體積法、有限元法等）進行求解。這一步涉及到選擇合適的離散化方法和數值求解器，以確保模擬的精度和穩定性。
04 后處理與可視化
通過后處理技術，可以對仿真結果進行進一步的分析和處理，例如提取流場的速度矢量、壓力分布、湍流統計量等。可視化技術則可以幫助我們直觀地觀察和分析流場的結構和動態變化。
展開 【CFD數值仿真算例】潰壩波數值仿真及其驗證
【計算軟件】OpenFOAM開源軟件
【仿真平臺】自建高性能并行集群
【算例說明】通過CFD數值仿真，可得到潰壩波演變過程、流場分布及其對物體的沖擊力
【工程應用】潰壩波演變、洪水沖擊力計算等
【創新貢獻】自動化計算流程+智能化參數優化+湍流模型優選
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【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 【流固耦合數值仿真算例】風機葉片流固耦合數值仿真
為了更好地了解風機的結構及特點，提高風機的總體設計水平與使用效能，可通過自建高性能并行集群仿真平臺， 利用OpenFOAM開源軟件進行計算， 考慮流固耦合方式對風機葉片上的氣動載荷進行分析。 下圖為數值模擬結果。
風機在計算域中的示意圖
風機在計算域中的示意圖
風機在簡化氣動力下轉動效果
流固耦合條件下模擬，可以考慮風機塔架、機艙的振動響應。
在此種模擬方法下，可以輸出風場縱剖面速度云圖，考慮風機的尾流效應。
單風機尾渦效果展示
雙風機尾渦效果展示
葉片是風力發電機中最基礎和最關鍵的部件，其良好的設計，可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素。考慮流固耦合方式對風機葉片上的氣動載荷進行分析，可以為風機的總體設計提供一個較為全面的建議及分析方法。
展開 液滴碰撞三維數值模擬
fluent模擬液滴碰撞，液膜呈方形
三維邊坡格構錨固加固效果數值模擬評價 ￥59
為了較為全面地探究三維格構錨固方案的防治效果，本期采用有限元數值方法，對三維邊坡格構錨固方案的加固效果進行數值模擬評價。方案見圖1和圖2，坡高15m，預應力錨桿垂直間距2.5m，水平間距2.5m，剖面上布置5根錨桿，12m和15m長短相間布置。格構梁截面尺寸為0.3×0.3m，頂梁和底梁不布置錨桿。
圖1 邊坡格構錨固加固方案
圖2 三維格構錨固方案數值建模
圖3 模型網格劃分
首先，在邊坡加固前，進行自重力計算，得到邊坡的位移和塑性應變云圖，如圖4和圖5所示。從塑性應變來看，在自重作用下，該邊坡中、前部出現明顯的塑性破壞，形成明顯的滑動面。
圖4 加固前自重位移
圖5 加固前自重塑性應變
在經過格構錨固方案加固后，自重作用下的邊坡位移和塑性應變云圖如圖6和圖7所示。從加固后的塑性破壞區來看，相較于加固前，塑性區明顯縮小，主要集中在坡腳局部范圍處。該處塑性應變還包括格構梁自重對坡腳土體的作用。從上述對比分析可知，格構錨固加固后，邊坡穩定性有了明顯提高。此處暫沒有進一步利用強度折減法計算加固前后的穩定系數。
圖6 加固后自重位移
圖7 加固后自重塑性應變
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