格子波爾茲曼方法
關注創建者：happy day 創建時間：2022-03-22
格子波爾茲曼方法的視頻教程
CFD技術助力雷神山醫院負壓病房通風系統設計—利用Xflow進行氣流組織及污染源擴散分析
本課程以達索CFD軟件XFlow 協助中南建筑設計院開展雷神山醫院負壓病房通風系統設計，利用Xflow進行氣流組織及污染源擴散分析為案例，介紹具有革命性的新一代CFD軟件XFlow，基于格子波爾茲曼方法(LBM，Lattice Boltzmann Method)，突破了傳統網格方法的瓶頸，可以有效求解幾何域中涉及運動機構、自由表面、流固耦合等復雜的計算流體動力學問題。
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使用XFlow對減速箱齒輪甩油潤滑的流體仿真
Xflow 是一款基于格子.波爾茲曼方法(LBM, Lattice Boltzmann Method)，直接采用大渦模擬（Large Eddy Simulation， LES）湍流模型來進行仿真的流體軟件，它無需網格劃分，無需簡化幾何模型，可以無視模型的復雜程度，因此可以對復雜幾何模型及復雜運動行為進行流場分析。
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格子波爾茲曼方法的實例教程
XFlow概述
在應用傳統的基于網格的方法來求解計算流體動力學（CFD）問題時，結果的可靠性高度依賴于網格質量。這樣會導致工程師將大部分時間耗費在處理網格離散化上，而不是解決工程問題。此外，如果問題涉及到存在移動零件或流體結構相互作用，則此類問題的域拓撲出現變化時也會造成困難。
XFlow 的自動點陣生成和自適應優化功能可以將用戶輸入降至最低，最大程度的減少在一個典型CFD 工作流程中耗費在網格創建和預處理階段的精力和時間。這樣，工程師就能將其絕大部分時間用在設計和優化上，而不是耗時耗力在網格創建過程上。
XFlow 提供了獨特的基于粒子法的格子波爾茲曼技術，用于高保真度計算流體力學(CFD) 應用。這一先進技術允許用戶解決涉及高頻率瞬空氣動力學、真實移動的幾何體、復雜多相流動、流固耦合（FSI）和氣動噪聲等復雜 CFD 問題。
XFlow的高級渲染能力提供了真實的可視化，可以更加深入的了解流動和換熱性能，使用戶能夠更快地做出明智的設計決策。XFlow可以完全并行利用高性能計算（HPC）的功率，接近于線性加速的進行逼真的CFD模擬以減少或替換物理測試。
獨特的CFD方法
在非平衡統計力學中，玻耳茲曼方程描述了介觀尺度下的氣體行為。玻耳茲曼方程能夠再現流體動力學極限，同時也可以模擬應用于航空航天、微流體或甚至接近真空條件的稀薄介質。
相對于標準多重弛豫時間（MRT），XFlow中的散射算子是在中心矩空間中實現，自然地證明了伽利略不變性，代碼的準確性和穩定性。
軟件環境
XFlow為用戶提供了一個獨特新穎的界面和工作環境。前處理、求解器和后處理完全集成在同一UI環境中。用戶界面的布局是完全可配置的，工作區窗口是可移動的并且可以選擇性的使用預先設置的顯示。
由于是基于粒子法的，XFlow背后的算法降低了對CAD模型的要求。
展開 作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
什么是格子玻爾茲曼方法？
格子玻爾茲曼模型的優點和應用。
用格子 BGK 模型代替 Navier-Stokes 方程。
使用格子 BGK 模型進行湍流分析。圖片來源。
數學算法的開發通常是為了應對缺乏現成的工具來解決特別具有挑戰性的問題。然而，在某些情況下，解決方案范例或模型是基于特定工具的存在而創建的。格子波爾茲曼方法 (LBM) 是后者的示例，因為 LBM 是專門為利用大規模并行處理計算機環境（例如超級計算機）的功能而創建的。
如今，幾乎所有計算平臺都內置了一定程度的并行性。這可能包括多核微處理器和/或圖形處理單元 (GPU)，它們可以大大提高復雜問題解決方案的數學準確性并減少計算時間開銷。在執行流體動力學分析時，這兩個屬性都促進了對 Navier-Stokes 方程使用替代格子 BGK 模型。
什么是格子玻爾茲曼方法？
典型的 CFD 方法尋求從宏觀有利位置（通常在表面和流體環境之間的邊界層）解釋流體屬性（例如動量和能量）的行為。另一方面，格子玻爾茲曼方法在更小的尺度上使用虛擬或虛擬粒子。這允許在定義的網格上進行離散化，并應用并行處理來解決流動傳播和內部碰撞問題。
這種結構允許晶格節點之間的流體參數發生變化。例如，當流體在點陣中從一點傳播到另一點時，流體密度可能會發生變化，這表明流動碰撞和流動活動。此活動定義了所謂的 Bhatnagar Gross and Krook (BGK) 或格子 Boltzman BGK 模型，它為CFD 分析提供了多項優勢。
格子 BGK 模型的優點和應用
上圖說明了應用格子 BGK 建模來分析渦流的產生。
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FLUENT中關于網格更新方法有三種：網格光順、動態層、網格重構。需要詳細了解這些網格更新方法的運作機理，每個參數所代表的具體含義及設置方法，每種方法的適用范圍。
動網格的最終挑戰來自于網格更新后的質量，避免負體積是動網格調試的主要目標。在避免負網格的同時，努力提高運動更新后的網格質量。
為了進一步提高大家CFD分析能力，
技術鄰特開展
<CFD技術助力雷神山醫院負壓病房通風系統設計—利用Xflow進行氣流組織及污染源擴散分析>
直播。
本直播以達索CFD軟件XFlow 協助中南建筑設計院開展雷神山醫院負壓病房通風系統設計，利用Xflow進行氣流組織及污染源擴散分析為案例，介紹具有革命性的新一代CFD軟件XFlow，基于格子波爾茲曼方法(LBM，Lattice Boltzmann Method)，突破了傳統網格方法的瓶頸，可以有效求解幾何域中涉及運動機構、自由表面、流固耦合等復雜的計算流體動力學問題。易于使用、無需網格、并行計算高效、邊界條件處理簡單、模擬精確。
展開 為提升空調系統在車輛行駛時的換熱能力，本文采用CFD 仿真方法分析了機艙的恒溫流場，從仿真結果判斷出試驗中回流冷凝器的高溫氣體偏多，降低了制冷能力，之后通過增加冷凝器導流罩和調整格柵開口，增加了新風的流入，提高
冷凝器的換熱能力。最終在驗證試驗中，以車速40km/h行駛10分鐘后，頭部平均溫度從60℃降到了28℃，顯著地提升空調對乘員艙的降溫能力。
1 CFD 計算模型
1.1 仿真計算基本理論
1.1.1 控制方程
本文采用三維常密度的不可壓縮恒溫湍流來模擬機艙流場，它遵循Navier-Stokes方程組的質量守恒和動量守恒規律：
1.1.2 湍流計算方法
求解N-S方程的湍流問題時，可以采用雷諾時均（ReynoldsTime Average），大渦模擬（LargeEddysimulation），格子波爾茲曼方法（LatticeBoltzmann Method）以及直接數值模擬（Direct
Numerical Simulation）等方法。
雷諾時均根據確定粘度的方法，分為零方程模型，一方程模型和兩方程模型，兩方程模型還分為k-e模型和k-o模型。本文采用兩方程模型中Realizable的k-e湍流模式模擬機艙流場。
1.2 網格處理
建立包括前機艙內所有部件的整車模型。整車面網格量約為700萬，采用三角形網格單元劃分，最小網格尺寸控制在1mm。整個長方體計算流場域的尺寸為：12倍的車身長、8倍的車身寬，5倍的車身高。體網格量為3000萬，采用trim網格。前機艙中前格柵、冷卻模塊和風扇進行加密，加密區網格1mm，以達到局部網格細化來提高計算精度的目的。
1.3 邊界條件
整車空調降溫的試驗條件為車速風速40km/h，環境空氣溫度38℃，光照1000W/m2，內循環，吹面模式，最大風量，最大制冷。
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格子波爾茲曼方法 (LBM) 是后者的示例，因為 LBM 是專門為利用大規模并行處理計算機環境（例如超級計算機）的功能而創建的。
如今，幾乎所有計算平臺都內置了一定程度的并行性。這可能包括多核微處理器和/或圖形處理單元 (GPU)，它們可以大大提高復雜問題解決方案的數學準確性并減少計算時間開銷。
1 CFD 計算模型
1.1 仿真計算基本理論
1.1.1 控制方程
本文采用三維常密度的不可壓縮恒溫湍流來模擬機艙流場，它遵循Navier-Stokes方程組的質量守恒和動量守恒規律：
1.1.2 湍流計算方法
求解N-S方程的湍流問題時，可以采用雷諾時均（ReynoldsTime Average），大渦模擬（LargeEddysimulation），格子波爾茲曼方法（LatticeBoltzmann
本直播以達索CFD軟件XFlow 協助中南建筑設計院開展雷神山醫院負壓病房通風系統設計，利用Xflow進行氣流組織及污染源擴散分析為案例，介紹具有革命性的新一代CFD軟件XFlow，基于格子波爾茲曼方法(LBM，Lattice Boltzmann Method)，突破了傳統網格方法的瓶頸，可以有效求解幾何域中涉及運動機構、自由表面、流固耦合等復雜的計算流體動力學問題。
本課程以達索CFD軟件XFlow 協助中南建筑設計院開展雷神山醫院負壓病房通風系統設計，利用Xflow進行氣流組織及污染源擴散分析為案例，介紹具有革命性的新一代CFD軟件XFlow，基于格子波爾茲曼方法(LBM，Lattice Boltzmann Method)，突破了傳統網格方法的瓶頸，可以有效求解幾何域中涉及運動機構、自由表面、流固耦合等復雜的計算流體動力學問題。
XFlow概述
在應用傳統的基于網格的方法來求解計算流體動力學（CFD）問題時，結果的可靠性高度依賴于網格質量。這樣會導致工程師將大部分時間耗費在處理網格離散化上，而不是解決工程問題。此外，如果問題涉及到存在移動零件或流體結構相互作用，則此類問題的域拓撲出現變化時也會造成困難。
XFlow 的自動點陣生成和自適應優化功能可以將用戶輸入降至最低，最大程度的減少在一個典型CFD 工作流程中耗費在網格創建和預處理階段的精力和時間
PowerFLOW
PowerFLOW是美國EXA公司基于LBM（格子-波爾茲曼方法）開發的CFD求解器。LBM相對于FVM（有限體積法）的先進性使PowerFLOW具有無需簡化復雜的CAD模型、全自動生成笛卡爾網格、非定常模擬、幾乎線性的并行效率、精確度極高等優點。
