VirtualFlow
關注創建者：泡沫oO 創建時間：2023-06-19
VirtualFlow的視頻教程
積鼎CFD VirtualFlow案例實操課
VirtualFlow實操及應用（第一期）本期課程內容概要：1.VirtualFlow基本功能概述2.單相流仿真案例實操3.多相流仿真案例實操4.高級初始化功能基礎實操5.互動交流&答疑
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積鼎通用流體仿真軟件VirtualFlow 2023.3新版本發布，新增后處理系統
VirtualFlow 面向工業級應用的流體仿真平臺，為工程師提供前處理、求解、以及后處理的整體解決方案，提升用戶操作效率和求解器計算性能，解決復雜工程問題。本次更新涵蓋三大亮點，點擊視頻獲取詳細信息。
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VirtualFlow的實例教程
積鼎科技依托 VirtualFlow 數值計算仿真平臺，運用先進數值模擬方法，可開展氣液兩相流多相動力學及其特性的數值模擬研究。在眾多工程應用中，高密度和高粘度比的多相流發揮著關鍵作用，然而，對這類流動進行穩健且準確模擬的方法仍有待完善。本文針對工業界廣泛應用的兩款多相流數值計算（CMFD）軟件 —— 國外商軟與積鼎科技的 VirtualFlow，在狹小管道兩相流仿真預報方面展開全面對比。兩款軟件核心差異在于采用不同的常用兩相流模擬方法：國外商軟采用 VOF 方法，VirtualFlow 則采用 Level Set 方法。對比發現，兩款軟件預報的流動拓撲結構存在顯著不同。對于氣泡流，VirtualFlow 的預報結果能夠捕捉到氣泡內部的再循環流動，而國外商軟的 VOF 方法計算結果中未觀察到明顯的再循環流動。在段塞流場景下，國外商軟與 VirtualFlow 關于段塞形成及頻率的結果偏差顯著。其中，VirtualFlow 的計算結果呈現出周期性的段塞形成，與前人（Chen 2002）的實驗結果基本一致；而國外商軟基于 VOF 方法的計算結果未能捕捉到周期性的段塞形成過程。
一、引言
近年來，工業界始終在同時推動微流動工程應用部件的性能發展和小型化發展，特別在芯片實驗室、生物MEMS和微冷卻電子設備等領域。在這些部件的微流動通道中，會發生傳熱和傳質過程，可以通過使用多相流來增加傳熱和傳質的過程。更進一步地深入探索兩相流機理特性，如界面拓撲結構和壓降等方面，可以進一步提高微流動工程應用部件性能的重要控制參數的合理性。
近年來，CMFD技術在工業界和學界的應用越來越多，CMFD方法中的自由表面跟蹤方法如今已成為商業軟件中不可或缺的重要組成部分。我們要認識到，各種數值算法和數值模型目前在這一領域還無法提供物理上100%完全可靠的結果。
展開 </p><p>2、VirtualFlow與Fluent計算的流體速度分布基本一致。</p><p><br></p><h1><strong>四、總結</strong></h1><p>運用VirtualFlow可以對電池模組進行散熱計算，其與Fluent軟件的計算結果基本一致。VirtualFlow與Fluent等主流CFD軟件相比，其主要特色在于：</p><p>1. 快速生成高質量網格，同時采用IST網格技術，流體域與固體域使用同一套網格，網格劃分更方便，而且可以高精度求解共軛換熱問題。</p><p>2. VirtualFlow的前處理對機器的性能要求較低，普通的辦公筆記本或者臺式機即可處理一億以上的網格算例。</p><p>3. VirtualFlow的湍流模型、多相流以及相變模型已在上百個場景驗證，其求解精度與Fluent同一級別，其可滿足大部分單相流、多相流場景的仿真需求。</p><p>4. 作為具備完全自主知識產權的國產軟件，VirtualFlow可以根據用戶需求進行深度的二次開發。</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%">
<hr>
</div><p><br></p><p><br></p><p>由積鼎科技自主研發的通用計算流體力學軟件VirtualFlow，具備行業領先的網格建模與求解技術，和豐富的多相流物理模型及先進的相變模型，可模擬單相和多相/多組分物質流動、傳熱、界面追蹤、粒子追蹤、相變、水合物反應等復雜問題，可為工業各行業用戶提供專業級流體仿真解決方案。</p>
展開 圖1 流體區域設置
在VirtualFlow中網格設置為：
全局包圍盒 x方向上限1.61，y方向上限0.6，z方向上限0.15
x方向網格數量 150，y方向網格數量 60，z方向網格數量 2
網格加密形式為區域加密
網格塊分布 x方向 8，y方向 1，z方向 1
圖2 網格設置
潰壩模擬中的擋板通過VirtualFlow中的體素表示：
插入矩形體素，長0.01，寬0.6，高0.15
設置平移 x = 1m
設置為固體域，并指定運動速度為 y=3.46m/s
圖3 矩形體素
VirtualFlow中物理模型設置：
基本方程為 壓力、U速度、V速度
重力 y=-9.8，開啟靜水壓力項
多相流模型 Level-Set，開啟動態接觸角模型，表面張力設置0.072Nm^?1
相屬性中液相按照文獻給出設定，氣相選擇空氣
圖4 Level Set設置
計算結果對比
圖5 159.9ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖6 276.6ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖6 373.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖7 449..9ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖8 573.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖9 862.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖10 1023.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖11 1166.6ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖12 1320.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖13
展開 積鼎科技致力于在多相流，流體仿真（cfd），流體力學等研究中起到一定實用作用，VirtualFlow作為主要產品，具有極高的實用性，接下來我們將運用VirtualFlow來對具體問題進行分析。
圖1 汽車儲液罐內的液體晃動
為了更加準確地預測和控制燃油晃動現象，工程師們一直在尋求高效的數值模擬方法。而VirtualFlow，作為一款流體仿真軟件，在該鄰域擁有強大的潛力。
界面追蹤模型
VirtualFlow擁有的Level Set模型可以很好地應用于燃油晃動領域。關于Level Set 方法，往期文章已做過介紹：界面追蹤：Level Set 與 VOF
Level Set 方法通過距離函數直接追蹤界面，而非VOF模型需要重構界面。因此，其優勢在于界面擁有明確的定義，且可以很好地處理界面出現劇烈拓撲變化的情況（例如液面破碎、聚并等）。對于Level Set 方法可能帶來的質量守恒性方面，VirtualFlow針對性采用Local+Global補償修正，避免了早期LevelSet方法的質量守恒性較差的問題，解決了相體積不守恒的數值問題?？傊?em>VirtualFlow軟件提供的Level Set方法對于相界面的跟蹤識別的優勢是非常明顯的，非常適用于燃油晃動這種存在大尺度界面的應用領域。
算例一：某型飛機油箱燃油晃動的分析算例
本節提供了VirtualFlow軟件通過剛體運動功能實現的某型飛機油箱燃油晃動的分析算例，該飛機的油箱組成如圖所示。
圖2 飛機油箱組成
在該算例中，我們提取右側的機翼油箱作為主要計算域。其尺寸如圖所示。
圖3 機翼油箱尺寸
如圖所示，初始時刻，油箱內填充約一半的燃油（紅色部分）。
展開 摘要：本文主要是針對VirtualFlow軟件中的LevelSet方法進行介紹，側重于軟件中LevelSet方法的特色及設置參數的背后原理，通過實驗對比說明該模型的仿真精度，最后對該模型的應用場景案例進行介紹。
1、VirtualFlow界面流模型
VF中有兩種處理界面流的方法，分別是VOF方法和LevelSet方法，兩種方法各有千秋，相關的不同與優劣，在本公眾號的文章《LMFD應用 | LBM直接求解水平集方程，實現氣液/液液兩相流模擬》中有詳細的介紹，有感興趣的讀者可參考閱讀。VirtualFlow中的VOF模型與其他CFD仿真軟件是一樣的，但是在LevelSet模型上獨到之處。與其他商業軟件相比，VirtualFlow的LevelSet模型不但可以精確捕捉氣液界面，而且可以盡可能的做到了質量守恒。下面對VirtualFlow中LevelSet模型原理和設置進行較為全面的介紹。其LevelSet模型設置的界面如下圖所示：
界面寬度系數：
最小單元格大小與界面寬度之間的比率，該系數的大小確定了界面的清晰度。不同的界面寬度系數對交界面清晰度的影響如下圖展示，可以很直觀的發現，在網格尺寸一定的情況下，該值越小，界面厚度越薄，界面越清晰。但是太小會導致計算的不穩定，一般保持默認值1即可。在VirtualFlow中的LevelSet模型有眾多調節參數，其中界面寬度系數對界面清晰度的影響尤其重要。
H函數：用于定義光滑界面區域氣體和液體比例的函數類型。在VirtualFlow中提供了三種H函數，分別是Tanh、Linear和Sharp，通常采用默認設置即可。
Delta函數：用于計算界面處Dirac delta函數的方法，它表示為H函數的梯度，通常采用默認設置即可。
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在流固熱耦合仿真中，VirtualFlow 軟件聚焦渦輪、燃燒室/火焰筒、機翼防除冰、航電冷卻等場景，實現流體與固體之間熱流與溫度的精準耦合求解。
數值驗證結果顯示，國外商軟的 VOF 方法在預測段塞流準確度上存在不足，而 VirtualFlow 整體表現更優。依據 Chen 等人的實驗結果，VirtualFlow 的 LS 方法能更準確地捕捉流動的非穩態模式，在定性上可同時準確呈現氣泡流和段塞流的流動物理狀態。
在數值計算成本方面，國外商軟與 VirtualFlow 在規則網格上的計算時間基本相當。
VirtualFlow 作為一款高性能 CFD 軟件，憑借豐富的湍流模型與多相流模型，能精準模擬流化床內復雜流體行為。其便捷的剛體運動定義功能，可高效處理含內部運動部件的流化床設備仿真；拉格朗日顆粒跟蹤模型結合四向耦合算法，能精準考量顆粒運動與密相顆粒相互作用，為工藝參數設計提供可靠數據支撐。
而 DEMms 軟件在復雜顆粒體系仿真中表現突出。
三、VirtualFlow非結構求解器的特點
1. VirtualFlow2025版中的求解器可分結構模塊求解器和非結構模塊求解器。比于傳統國外F軟件等商軟，只能提供一種模式，軟件的仿真場景有更大適用性。
2. 同時支持CPU和GPU計算
a. GPU原生支持，性能不亞于國際主流GPU求解器
b.
三、VirtualFlow非結構求解器的特點
1. VirtualFlow2025版中的求解器可分結構模塊求解器和非結構模塊求解器。比于傳統國外F軟件等商軟，只能提供一種模式，軟件的仿真場景有更大適用性。
2. 同時支持CPU和GPU計算
a. GPU原生支持，性能不亞于國際主流GPU求解器
b.
</p><p><br></p><h3><strong>一、VirtualFlow 技術優勢：適配泄水建筑物仿真需求</strong></h3><p>泄水建筑物的水力模擬需面對復雜幾何結構、瞬態界面流（水-氣兩相流）及高精度數據輸出等需求，VirtualFlow的核心技術特性可針對性解決這些痛點：</p><p><strong>1.高效前處理，縮短設計周期</strong>：采用獨特的 
圖8 573.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖9 862.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖10 1023.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖11 1166.6ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖12 1320.3ms實驗與VirtualFlow模擬對比
圖13 1626.7ms實驗與VirtualFlow
VirtualFlow流體仿真一體機
VirtualFlow流體仿真一體機由上海積鼎信息科技聯合國產高性能計算平臺深度定制，集成自主可控的 VirtualFlow 通用流體仿真軟件與企業級高性能算力資源，打造“開箱即用”的工業級仿真解決方案。面向航空航天、核電能源、石油化工、水利水務、汽車制造等行業的大規模流體仿真需求，提供全流程國產化替代能力。
積鼎信息自主開發的通用計算流體力學分析軟件VirtualFlow 具有豐富且精準的多相流模型，包含Level set、VOF、均相流、拉格朗日顆粒追蹤等模型，涵蓋了上述文獻中所用多相流模型，能夠用于氣- 液- 固三相。
對于界面流問題，它采用了VOF和 Level Set 方法。
2 水瓶注水VirtualFlow算例設置
2.1 軟件概述
VirtualFlow是由積鼎公司自主研發的一款專業的多相流仿真軟件，它基于Level-set方法等多種先進的數值算法，能夠對多尺度、多流體的層流和湍流氣液兩相流動進行精確的數值模擬，在工業領域的多相流問題研究和工程應用中得到了廣泛認可和應用。
