新闻资讯

喜报 | 十沣荣膺专精特新“小巨人”!

产品技术与算例 · 详解 | TF-QFLUX软件介绍及在叶轮机械领域的应用

发布时间:2023-05-10 00:00:00
阅读全文约需8min
图片

文章虽长,却都是干货哦

随着物理样机成本的不断攀升,以及虚拟样机成本的不断下降,虚拟产品开发已被制造业广泛采用,设计过程对仿真的依赖程度越来越高。以叶轮机械为例,在产品研发初期即可利用数值仿真分析技术对其外特性及内特性进行分析,全面了解叶轮机械的相关性能,避免设计失误,减少试验成本,缩短设计周期。TF-QFLUX即是十沣自主研发的一款,可用于叶轮机械、整车、船舶、水下航行器等产品的通用流体仿真分析软件。下文就将针对TF-QFLUX软件及其在叶轮机械领域的应用进行详细分享。




内 容 概 览

PART 1 | TF-QFLUX 九大核心优势
完全国产自主知识产权
完备的网格接口
先进的动网格技术
丰富而全面的湍流模型
稳健而精确的空化模型
完备的求解器功能
强大的后处理功能
并行计算
可靠的计算结果

PART 2 | TF-QFLUX 在叶轮机械领域的三个经典算例
轴流风扇仿真分析
多翼式离心风机仿真分析
离心泵仿真分析




PART 1


TF-QFLUX 九大核心优势




TF-QFLUX是十沣自主研发的一款通用流体仿真分析软件。该软件基于多面体非结构网格系统和有限体积法,现已经开发出比较完善的多相不可压缩流动求解器、固体传热求解器、气动声学求解器(FW-H)、丰富的湍流模型、多孔介质模型、多相/多组分模型(VOF /双欧拉模型)、滑移流模型、热辐射模型、动网格模块(滑移动网格/变形网格/嵌套动网格)、用户自定义函数(UDF)以及自定义源项等核心算法和功能模块,以及优异的可视化引擎和数据后处理功能。在技术特性方面,TF-QFLUX具备以下9大优势。




01 |  完全国产自主知识产权
TF-QFLUX是十沣针对国内流体力学仿真需求,倾力打造的一款全中文通用计算流体力学软件。软件研发先后经历核心算法与代码开发、原型产品开发、商业版软件封装等三个阶段,自2012年至今,历时11年,登记软件著作权18项,完全自主知识产权

7704e3042ed9d331b52b64f9484c522a.png






02 |  完备的网格接口
TF-QFLUX内置先进的网格处理技术,具备与包括ICEM-CFD、Pointwise/Gridgen、HyperMesh、Numeca、Star-CCM+、OpenFOAM等主流的第三方前处理软件或开源软件的网格接口,TF-QFLUX能自动识别并读取CGNS、msh、cas、ccm等格式的网格文件


f3c59dccae9823cd6826205ffab61ac5.png





03 |  先进的动网格技术

TF-QFLUX可以根据不同的物理问题,灵活选择对应的动网格处理方法,如滑移网格法、弹簧网格法、嵌套网格法等,其中:

滑移网格法:包括平移、MRF、旋转滑移动网格等,可准确模拟与平移、定轴旋转等刚体运动相关的流体动力学问题,如多轴多级旋转叶片绕流问题等;


1689574917876398.gif

弹簧网格法:可根据运动体(刚体或柔性体)的运动量,确保相邻网格光滑过渡,适用于模拟一定幅度范围内的主动或被动六自由度(6DOF)运动问题;

1689574964383027.gif

嵌套网格法:TF-QFLUX软件的嵌套动网格模块采用高效的全自动化处理流程及算法,可在刚体的运动过程中,对网格块之间的切割边界及插值关系进行实时、动态更新,适用于模拟各类复杂的多刚体6DOF运动问题。

1689574992101990.gif





04 |  丰富而全面的湍流模型

TF-QFLUX包含市场主流的湍流模型,具体包括用于模拟附着流或弱分离流的雷诺平均(RANS)湍流模型,如Standard/Edwards S-A、Standard/Realizable/RNG k-e、Standard/SST k-w等;用于模拟大范围分离流的脱体涡模型,如基于S-A或k-w的DES、DDES、IDDES等;用于模拟复杂湍流分离流的大涡模拟方法(LES),如常系数/动态Smagorinsky、WALE、约束大涡模拟方法(CLES);用于湍流转捩过程的转捩模型,如k-kl-w、r-Reθ等。

1689575016963242.gif





05 |  稳健而精确的空化模型

众所周知,空化会对水力机械叶片或转子等过流部件造成气蚀损伤,导致效率降低,寿命缩短,同时也会产生振动和噪声,这些都是困扰泵等旋转机械水力设计工程师的难题,如何对气蚀现象进行准确预测和评估并做出有效的优化设计显得尤为重要。结合软件的空化模型以及求解器,即使工况非常恶劣,在其他软件都难于收敛的情况下,TF-QFLUX依然具有良好的收敛性





06 |  完备的求解器功能
TF-QFLUX软件集核心CFD仿真功能与丰富的物理模型于一身,可精确分析以下工程流体问题。
 内流/外流
 层流/湍流
 多组分/混合物多相流/Lagrange粒子流
 VOF多相流
 不可压
 稳态/瞬态
 导热/对流/传热/辐射
 多孔介质
 浮力驱动流(重力效应)
 旋转/平动等多自由度运动问题
 气动噪声
 自定义质量/动量/能量源项





07 |  强大的后处理功能

TF-QFLUX具有强大的后处理功能,在求解过程中或求解结束后都可以分析查看计算结果。求解过程中能实时查看整个流场的压力、速度、温度等分布,显示方式有云图、速度矢量图、流线图、颗粒轨迹图、曲线等;支持基于初等函数和基本运算法则的自定义物理量、面积分、体积分等数据后处理与统计分析功能;同时TF-QFLUX还可快速自行制作各种非稳态动画,真实再现包括叶轮机械、容积泵、阀门、船舶、整车等各类产品的动态变化

8d682370d39bcbf362b367149a8acb9f.png

47d84b945d3594c07ec47c1e4393e950.png

1689574680178327.gif 





08 |  并行计算

TF-QFLUX采用基于区域分解的方式来进行并行设计,可确保分割至各CPU的网格负载均衡;软件已对并行通讯相关函数进行了封装,可支持OpenMPI、MSMPI等主流MPI库,具备千核千万网格的并行计算能力,具有很高的并行计算效率,并行可扩展性好。

如下为TF-QFLUX计算一个2100万网格的模型的并行计算效果。核数从60到720,并行效率一直维持在理想水平;在1080核,并行效率也达到了近70%

6de0ca4d74ee8426abaee66e164e3c4c.png
8663c871b7b4fbfe58d1239365f08375.png





09 |  可靠的计算结果

TF-QFLUX计算结果的可靠性已得到众多实例验证,在基础湍流模型、船舶、航空航天和电子散热等诸多领域的众多案例中得到了实验数据的验证。

1689575044942829.gif 1685503833945095.png
a60863b1d112aacb2682c7ce9b44e493.png



PART 2


在叶轮机械领域的三个经典算例



叶轮机械在国民经济各领域中发挥着重要的作用。例如家用电器的抽油烟机、空调和新风系统矿井除尘和隧道通风采用的大型通风机、鼓风机电力行业中风力机叶片等等,均属于叶轮机械设备。当前,TF-QFLUX已可助力各类叶轮机械产品完成高效精准流场仿真,以下就将详细介绍三个经典算例。




01 |  轴流风扇仿真分析

该模型为典型的半开式轴流风扇,叶片采用NACA0010-63翼型设计,具体的设计点参数及模型尺寸如下表所示:


3105d65e8e854789445d4fcd549671c1.png

兼顾仿真精度及计算速度,在叶轮上游及下游各加一段流体域,进口域的长度为叶轮外径的1倍,即300mm,出口域长度为叶轮外径的2倍,即600mm。

300d15d895192900a96977f2b2b05806.png

网格分布是流动控制方程数值离散的基础,因此,网格生成是CFD成功实现数值模拟的关键前提之一,网格质量的好坏直接影响到计算的敛散性及结果精度。鉴于此,本案例采用切割体网格进行几何描述,最终网格数量为294万。

212437a9c57fe962404bb8ae048989eb.png

CFD计算方法采用有限体积法来离散方程;湍流模型选取的是标准k-ε模型;进口边界条件为压力进口条件,出口采用体积流量出口;固壁边界采用标准壁面函数法,收敛精度为1×10-5
结合风扇外/内特性分析可以看出,CFD分析结果与试验数据对标良好,满足产品研发对仿真精度的要求。

82a652dc0f6cfd22faeb3e772fd05bf1.png

168152963d4483e121d6c5b3c9ec4505.png cfb25d20cc2c783fc61e15fffbae63ab.png
c0bf5c63cea55aa2b68f177ebf7e3372.png





02 |  多翼式离心风机仿真分析

多翼离心风机是离心风机的一种,也是常见的一种通风机,因为该种风机采用的叶轮为多翼式风叶,故而通俗形象地称为多翼离心风机,其应用非常广泛。下图为多翼式离心风机结构模型,主要由集流器、叶轮以及蜗壳等部件组成,为了更好的进行仿真分析,在集流器前端添加半球形进口域,蜗壳出口添加流体域作为出口。

f9fca2e60875f08b8a4f3d50c4ba56bf.png
009c8b3aae5165628efc095f3d5d51c7.png


针对于该模型网格技术采用切割体网格,并对叶片进行局部加密,同时为了保证仿真精度,对叶轮及蜗壳等壁面添加边界层,边界层层数为5层,增长率为1.2,边界层总高度为0.7mm,最终网格数量为500万,网格结果如下图所示。

1966e1141bb0e77c20947675d28f7dc7.png 8ae05bd47b19f3ebc67cd29400062778.png

鉴于模型介质以及仿真时间,本案例采用不可压缩流动求解器压力-速度耦合采用SIMPLE算法空间离散:梯度项(Green-Gauss)、压力项(Linear)、动量方程(2nd upwind)、湍流方程(1st upwind);时间模式:定常求解;湍流模型为:SST k-omega,标准壁面函数。

经过仿真计算,最终获得多翼式离心风机的PQ曲线,并与第三方参考值对标,下图为PQ曲线对标结果,小流量区由于严重的流动分离影响计算收敛性,两款软件结果差别相对较大,其余工况点对标结果良好。结合云图可以看出,软件在蜗壳出口段不同位置的速度云图吻合度较高,在隔舌位置的等值面吻合度良好(采用专业后处理软件进行云图分析)。

2472388035c8f3680f74c31ccdbbc0fb.png

575ab22c661a4e5c9f114d85b0d049a8.png





03 |  离心泵仿真分析

该模型为典型的单级单吸离心泵,模型主要由吸入口,叶轮以及蜗壳等组成,具体流体域结构如下所示:

c4853f61fe43e6092deed4b00d689aa6.png


网格技术采用多面体网格,为了保证仿真精度,除了交互面以及进出口面,其余壁面均添加了边界层,边界层层数定义为8层,增长比例为1.1,最终网格数量为822万

260131b23f429af3192ce10473b69b95.png

兼顾计算时间和仿真精度,本案例采用定常计算;差湍流模型选取的是SST k-omega模型;进口边界条件为压力进口条件,出口采用体积流量出口;固壁边界采用标准壁面函数法收敛精度为1×10-5

下图为离心泵外特性曲线,包括流量-扬程曲线、流量-功率曲线以及流量-效率曲线,其中点画线为试验结果,散点为仿真结果,从对比结果可以看出,仿真结果和试验对标良好,满足仿真精度的要求。

e1191b3b9ba998c9c02e480f7ee8b189.png

内特性结果可以看出,压力从进口到出口逐渐升高,叶片压力过渡较为光顺,不存在局部高压/低压区

40ab73b61859b8e8387045bb95843c33.png



结 语

综上所述,TF-QFLUX作为一款功能强大的通用流体分析工具,基于其完备的网格接口、先进的动网格技术、丰富的湍流模型、稳健而精确的空化模型、完备的求解功能以及高效的并行能力,已可成熟应用于叶轮机械的仿真分析,并在计算精度、计算效率等多方面性能上表现优异。




关于十沣

十沣致力于高端研发设计类工业软件、数字孪生系统与仿真云服务平台自主研发及产业化。公司有着十余年的技术积累,核心技术脱胎于国家重大科研计划和行业工程化应用项目,并已发展成为国产自主工业仿真软件领域代表企业之一。


十沣不断吸纳国内外在计算力学、应用数学、物理、工程科学等领域的高端人才,打造了一支国内顶级的工业仿真软件研发团队。其核心成员既有来自于北大、清华、中科大等著名高校且长期从事CAE核心算法开发的博士与博士后,又有来自国际著名企业的技术与管理人才;在算法/技术深度研发、软件产品化/工程化方面实现互补。同时,十沣还与国内多所重点高校开展深度合作,聘请一批活跃在相关科研领域最前线并已取得重大创新成就的中青年学者担任公司研发顾问,对公司核心软件或技术发展方向、研发方案等开展实质性的工作指导。


公司自主开发的核心软件和技术,已成功应用于航空航天、汽车交通、电子电器、机械制造、新能源、船舶与海洋工程、等众多工程技术领域,成为先进制造产业寻求安全、高效、自主可控研发平台和技术解决方案时的重要选择。公司总部位于深圳南山,目前已成立京津冀、长三角、珠三角、华中、华西等区域产业化基地。



最新资讯

申请试用产品

提交信息后,专属顾问将会与您联系

怎么称呼您?
如何联系您?
您的单位名称是?
您的职位是什么?
您所在的地点是哪里?
您从事的是什么行业?

您的意向试用产品是什么?

TF-QFLUX
TF-Lattice
TF-CFlow
TF-SPH
TF-Struct
TF-Dyna
TF-DCAMS
TF-AIDEA
TF-AIMDO
TF-eMag
TF-Acoustics
TF-DEM
TF-Thermal
TF-SimFARM
TF-Pandroid
TF-MetaFactory
TF-EnergyOS