格子波爾茲曼方法的案例
XFlow — 基于格子波爾茲曼方法的高保真CFD軟件
XFlow概述
在應(yīng)用傳統(tǒng)的基于網(wǎng)格的方法來(lái)求解計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）問題時(shí)，結(jié)果的可靠性高度依賴于網(wǎng)格質(zhì)量。這樣會(huì)導(dǎo)致工程師將大部分時(shí)間耗費(fèi)在處理網(wǎng)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(dòng)零件或流體結(jié)構(gòu)相互作用，則此類問題的域拓?fù)涑霈F(xiàn)變化時(shí)也會(huì)造成困難。
XFlow 的自動(dòng)點(diǎn)陣生成和自適應(yīng)優(yōu)化功能可以將用戶輸入降至最低，最大程度的減少在一個(gè)典型CFD 工作流程中耗費(fèi)在網(wǎng)格創(chuàng)建和預(yù)處理階段的精力和時(shí)間。這樣，工程師就能將其絕大部分時(shí)間用在設(shè)計(jì)和優(yōu)化上，而不是耗時(shí)耗力在網(wǎng)格創(chuàng)建過(guò)程上。
XFlow 提供了獨(dú)特的基于粒子法的格子波爾茲曼技術(shù)，用于高保真度計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 應(yīng)用。這一先進(jìn)技術(shù)允許用戶解決涉及高頻率瞬空氣動(dòng)力學(xué)、真實(shí)移動(dòng)的幾何體、復(fù)雜多相流動(dòng)、流固耦合（FSI）和氣動(dòng)噪聲等復(fù)雜 CFD 問題。
XFlow的高級(jí)渲染能力提供了真實(shí)的可視化，可以更加深入的了解流動(dòng)和換熱性能，使用戶能夠更快地做出明智的設(shè)計(jì)決策。XFlow可以完全并行利用高性能計(jì)算（HPC）的功率，接近于線性加速的進(jìn)行逼真的CFD模擬以減少或替換物理測(cè)試。
獨(dú)特的CFD方法
在非平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)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(xiàn)流體動(dòng)力學(xué)極限，同時(shí)也可以模擬應(yīng)用于航空航天、微流體或甚至接近真空條件的稀薄介質(zhì)。
相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)多重弛豫時(shí)間（MRT），XFlow中的散射算子是在中心矩空間中實(shí)現(xiàn)，自然地證明了伽利略不變性，代碼的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
軟件環(huán)境
XFlow為用戶提供了一個(gè)獨(dú)特新穎的界面和工作環(huán)境。前處理、求解器和后處理完全集成在同一UI環(huán)境中。用戶界面的布局是完全可配置的，工作區(qū)窗口是可移動(dòng)的并且可以選擇性的使用預(yù)先設(shè)置的顯示。
由于是基于粒子法的，XFlow背后的算法降低了對(duì)CAD模型的要求。
展開 使用格子 BGK 模型推導(dǎo) Navier-Stokes 方程
作者Cadence CFD 解決方案
關(guān)鍵要點(diǎn)
什么是格子玻爾茲曼方法？
格子玻爾茲曼模型的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用。
用格子 BGK 模型代替 Navier-Stokes 方程。
使用格子 BGK 模型進(jìn)行湍流分析。圖片來(lái)源。
數(shù)學(xué)算法的開發(fā)通常是為了應(yīng)對(duì)缺乏現(xiàn)成的工具來(lái)解決特別具有挑戰(zhàn)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(chuàng)建的。格子波爾茲曼方法 (LBM) 是后者的示例，因?yàn)?LBM 是專門為利用大規(guī)模并行處理計(jì)算機(jī)環(huán)境（例如超級(jí)計(jì)算機(jī)）的功能而創(chuàng)建的。
如今，幾乎所有計(jì)算平臺(tái)都內(nèi)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(fù)雜問題解決方案的數(shù)學(xué)準(zhǔn)確性并減少計(jì)算時(shí)間開銷。在執(zhí)行流體動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，這兩個(gè)屬性都促進(jìn)了對(duì) 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(huán)境之間的邊界層）解釋流體屬性（例如動(dòng)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(wǎng)格上進(jìn)行離散化，并應(yīng)用并行處理來(lái)解決流動(dòng)傳播和內(nèi)部碰撞問題。
這種結(jié)構(gòu)允許晶格節(jié)點(diǎn)之間的流體參數(shù)發(fā)生變化。例如，當(dāng)流體在點(diǎn)陣中從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)時(shí)，流體密度可能會(huì)發(fā)生變化，這表明流動(dòng)碰撞和流動(dòng)活動(dòng)。此活動(dòng)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)。
格子 BGK 模型的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用
上圖說(shuō)明了應(yīng)用格子 BGK 建模來(lái)分析渦流的產(chǎn)生。
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本課程以達(dá)索CFD軟件XFlow 協(xié)助中南建筑設(shè)計(jì)院開展雷神山醫(yī)院負(fù)壓病房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用Xflow進(jìn)行氣流組織及污染源擴(kuò)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(tǒng)網(wǎng)格方法的瓶頸，可以有效求解幾何域中涉及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、自由表面、流固耦合等復(fù)雜的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)問題。易于使用、無(wú)需網(wǎng)格、并行計(jì)算高效、邊界條件處理簡(jiǎn)單、模擬精確。
讓網(wǎng)格動(dòng)起來(lái) | 閑談CFD動(dòng)網(wǎng)格（附雷神山通風(fēng)設(shè)計(jì)案例直播）
FLUENT中關(guān)于網(wǎng)格更新方法有三種：網(wǎng)格光順、動(dòng)態(tài)層、網(wǎng)格重構(gòu)。需要詳細(xì)了解這些網(wǎng)格更新方法的運(yùn)作機(jī)理，每個(gè)參數(shù)所代表的具體含義及設(shè)置方法，每種方法的適用范圍。
動(dòng)網(wǎng)格的最終挑戰(zhàn)來(lái)自于網(wǎng)格更新后的質(zhì)量，避免負(fù)體積是動(dòng)網(wǎng)格調(diào)試的主要目標(biāo)。在避免負(fù)網(wǎng)格的同時(shí)，努力提高運(yùn)動(dòng)更新后的網(wǎng)格質(zhì)量。
為了進(jìn)一步提高大家CFD分析能力，
技術(shù)鄰特開展
<CFD技術(shù)助力雷神山醫(yī)院負(fù)壓病房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)—利用Xflow進(jìn)行氣流組織及污染源擴(kuò)散分析>
直播。
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電動(dòng)汽車機(jī)艙散熱問題CFD仿真分析優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證
為提升空調(diào)系統(tǒng)在車輛行駛時(shí)的換熱能力，本文采用CFD 仿真方法分析了機(jī)艙的恒溫流場(chǎng)，從仿真結(jié)果判斷出試驗(yàn)中回流冷凝器的高溫氣體偏多，降低了制冷能力，之后通過(guò)增加冷凝器導(dǎo)流罩和調(diào)整格柵開口，增加了新風(fēng)的流入，提高
冷凝器的換熱能力。最終在驗(yàn)證試驗(yàn)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(diào)對(duì)乘員艙的降溫能力。
1 CFD 計(jì)算模型
1.1 仿真計(jì)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(lái)模擬機(jī)艙流場(chǎng)，它遵循Navier-Stokes方程組的質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒規(guī)律：
1.1.2 湍流計(jì)算方法
求解N-S方程的湍流問題時(shí)，可以采用雷諾時(shí)均（ReynoldsTime Average），大渦模擬（LargeEddysimulation），格子波爾茲曼方法（LatticeBoltzmann Method）以及直接數(shù)值模擬（Direct
Numerical Simulation）等方法。
雷諾時(shí)均根據(jù)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(jī)艙流場(chǎng)。
1.2 網(wǎng)格處理
建立包括前機(jī)艙內(nèi)所有部件的整車模型。整車面網(wǎng)格量約為700萬(wàn)，采用三角形網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑钚【W(wǎng)格尺寸控制在1mm。整個(gè)長(zhǎng)方體計(jì)算流場(chǎng)域的尺寸為：12倍的車身長(zhǎng)、8倍的車身寬，5倍的車身高。體網(wǎng)格量為3000萬(wàn)，采用trim網(wǎng)格。前機(jī)艙中前格柵、冷卻模塊和風(fēng)扇進(jìn)行加密，加密區(qū)網(wǎng)格1mm，以達(dá)到局部網(wǎng)格細(xì)化來(lái)提高計(jì)算精度的目的。
1.3 邊界條件
整車空調(diào)降溫的試驗(yàn)條件為車速風(fēng)速40km/h，環(huán)境空氣溫度38℃，光照1000W/m2，內(nèi)循環(huán)，吹面模式，最大風(fēng)量，最大制冷。
展開 (計(jì)算流體力學(xué)概述)
重要特點(diǎn)包括：
無(wú)網(wǎng)格方法
XFlow中的無(wú)網(wǎng)絡(luò)方法是基于粒子和具有完整拉格朗日函數(shù)的方法，這意味著將不再需要對(duì)經(jīng)典的流體區(qū)域劃分網(wǎng)格，同時(shí)表面復(fù)雜性不再是一種限制因素。XFlow能夠解決運(yùn)動(dòng)的物體和可變形部分，能夠適應(yīng)低質(zhì)量的輸入幾何。
基于粒子動(dòng)力式解算器
XFlow以一種全新的、基于粒子的動(dòng)力算法為特征，對(duì)波爾茲曼方程和可壓縮的納維－斯托克斯方程進(jìn)行求解。該解算器的特點(diǎn)是具有現(xiàn)代化的大渦模擬（LES）建模能力，以及具有高級(jí)非平衡隔離型模型。
高級(jí)建模能力
XFlow能夠處理大規(guī)模復(fù)雜模型，并且結(jié)合移動(dòng)部分、強(qiáng)制或關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)或接觸建模過(guò)程，極大地簡(jiǎn)化分析結(jié)構(gòu)。
高級(jí)分析能力
XFlow的求解器還支持熱分析，熱交換，輻射，跨音速和超音速流動(dòng)，在多孔介質(zhì)中流動(dòng)，非牛頓流，離散相模型和復(fù)雜邊界條件，如多孔介質(zhì)中跳動(dòng)或風(fēng)扇類模型。
自適應(yīng)蹤跡改良
XFlow的引擎可根據(jù)用戶需求自動(dòng)適應(yīng)解算規(guī)模，在各項(xiàng)隔離附近精確解算質(zhì)量，并且在流動(dòng)發(fā)展同時(shí)動(dòng)態(tài)適應(yīng)其蹤跡。
單獨(dú)一致的隔離模型
XFlow使用一種統(tǒng)一的非平衡隔離函數(shù)對(duì)邊界層進(jìn)行建模。該隔離模型可用于所有情況下，這意味著在不同的算法間無(wú)需進(jìn)行選擇，也無(wú)需處理每個(gè)體系相關(guān)的不同限制。
近似線性的可擴(kuò)展性能
XFlow使用近似線性的可擴(kuò)展能力，對(duì)于多核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)完全的平行處理。
PowerFLOW
PowerFLOW是美國(guó)EXA公司基于LBM（格子-波爾茲曼方法）開發(fā)的CFD求解器。LBM相對(duì)于FVM（有限體積法）的先進(jìn)性使PowerFLOW具有無(wú)需簡(jiǎn)化復(fù)雜的CAD模型、全自動(dòng)生成笛卡爾網(wǎng)格、非定常模擬、幾乎線性的并行效率、精確度極高等優(yōu)點(diǎn)。
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