TF-SPH
基于光滑粒子法的通用流体动力学仿真软件
TF-SPH 简介
TF-SPH是一款功能强大的基于光滑粒子流体动力学方法（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）的仿真软件。该方法基于拉格朗日观点，具有无网格粒子和显式计算特点，能够自然追踪运动界面和变形边界，方便处理极端变形，易于实现高效并行计算，特别适合模拟极端载荷作用下多介质强耦合问题。
目前该软件融合了SPH方法最新算法，如复杂几何粒子生成技术、复杂边界计算方法、粒子自适应及多分辨率算法、高精度计算格式及低数值耗散算法等。可应用于船舶与海洋工程（船舶水动力学、海洋平台冲击动力学），汽车水管理（汽车涉水、雨天行车），航空航天（飞机水动力学设计、飞机水上迫降），机械工程（齿轮润滑、油冷电机），环境工程（山体滑坡、泥石流、城市内涝）等工程科学众多领域。
TF-SPH支持单相与多相流动模拟、流固耦合及热流固耦合多物理场仿真，具备完整的前后处理及可视化功能，能够帮助客户高效完成仿真任务，提高仿真精度，降低开发成本。
功能亮点
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物理模型
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数值算法
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多相/多物理场
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多体系统
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前后处理
物理模型
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非牛顿流体模型
TF-SPH采用Herschel-Bulkley非牛顿流体模型分析流体的剪胀/剪稠现象，并开发了隐式求解高粘流方法，显著提高计算效率。
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表面张力和润湿力模型
TF-SPH具备表面张力和润湿力模型，可模拟液滴由分子间吸引和排斥效应所引起的表面张力和与壁面浸润所形成的接触角现象。
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液膜模型
TF-SPH具备液膜模型，基于液膜质量和动量方程，模拟水膜在固壁表面附着流动现象。
数值算法
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核函数修正
TF-SPH开发了多种先进数值算法，包括δ-SPH算法、核函数修正算法、解耦有限粒子法等，可以解决传统SPH方法计算过程中会出现粒子分布高度不均匀、稳定性不足的问题，提高计算精度和稳定性。
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自适应加密
TF-SPH开发了自适应加密算法，在大规模工程仿真中可对关键区域采用高分辨率计算，避免采用单一分辨率计算量过大、内存不足的问题。
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粒子位移修正、张力不稳定控制
TF-SPH引入粒子位移修正算法和张力不稳定控制算法，不仅可优化粒子分布规则性，提高计算精度，还可减小由于粒子负压带来的张力不稳定性影响。
多相/多物理场
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气液两相流
TF-SPH开发了气液两相流模型，能够稳定模拟诸如油-空气这类大密度比的两相流动复杂现象。
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SPH-FEM耦合
TF-SPH实现了与FEM耦合计算，可对海洋系泊浮体系统进行耦合受力求解，实现海上系泊风电平台仿真。
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热流固耦合
TF-SPH软件具备丰富的传热模型和热边界条件，可用于油冷电机、金属冷却等复杂的含有飞溅液滴和自由表面的热流固耦合问题。
多体系统
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刚体复杂运动
TF-SPH支持刚体指定运动、6DOF运动、定轴旋转、转动约束等功能。
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多刚体接触碰撞
TF-SPH支持多刚体接触碰撞仿真，用户可选择基于面网格、圆柱、正方体等的碰撞检测算法，可快速高精度地模拟多刚体间的接触问题。
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海洋造波模型
TF-SPH采用推波板的方式实现海浪模拟，支持自定义一阶规则波和不规则波运动设置。
前后处理
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高效粒子离散
配备了简单高效的前处理器，包括几何建模、模型剖面视图、高精度粒子离散、分组处理、图形界面操作等功能；界面采用树状顺序排布，参数设置顺序符合计算设计思路，操作简单便捷，用户可以快速掌握和使用软件。
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丰富的结果可视化
具备丰富的计算监测和数据可视化功能，譬如压力/位移监测、液位监测、流量监测和车身润湿分布云图及温度云图等，对结果文件可以进行数据统计绘图、生成参数云图、切平面、迹线等，并提供渲染和动画功能，使整个物理过程清晰明了地展现，方便用户分析处理。
典型应用
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汽车工程
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海洋工程
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机械工程
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环境工程
汽车工程
汽车涉水行驶过程中汽车车头和底部的水动力特性以及水流沿着车身缝隙处的进水直接影响汽车的性能和寿命。TF-SPH采用汽车悬架模型和自适应局部加密算法应用于汽车涉水仿真，不仅可以便捷模拟车身姿态变化、简化用户建模流程，同时也针对车头关键区域进行高分辨率计算，分析涉水过程中机舱的进水及汽车底板受力情况；此外，软件采用SPH-CFD曳力模型模拟雨滴进入空调风场，对整车淋雨过程中空调风口的进雨量进行统计分析。
图一：汽车涉水
图二：汽车雨刮
海洋工程
船舶与海洋工程着重关注船舶水动力学设计、海洋结构物耐波性能评估、甲板上浪评估、结构入水砰击的水动力学计算等方面。TF-SPH支持模拟一阶规则波与不规则波海浪冲刷，基于弱可压缩的SPH水动力学模型以及系泊系统模块，搭配GPU并行加速可以快速实现海浪大变形破碎仿真，和对漂浮结构各部分的受力和整体响应进行评估。
图一：海浪冲击平台
图二：飞机海上迫降
机械工程
机械工程在制造业中占据着举足轻重的地位，涉及到各类产品的设计、生产和质量控制。机械工程装备多种多样，包括水轮机、齿轮和电机等，涉及冲击水动力学、流固耦合及共轭传热等方面问题。
TF-SPH支持多级齿轮润滑仿真，分析齿轮内部热传导以及油液和齿轮之间的传热、计算齿轮搅油功率损失；也支持水轮机冲击水动力学计算，分析水花形态的演化以及水流与水斗间的相互作用机制，为结构设计与优化提供参考依据。
图一：冲击水轮机
图二：齿轮冷却
环境工程
城市内涝环境分析和山洪应急评估对于城市建设和人民生命财产安全起着重要作用，TF-SPH能够充分考虑地形以及城市建筑的复杂几何外形，实现大尺度工程仿真计算，其在山洪和城市内涝问题的预测和管理方面发挥着重要作用，能够对城市建设规划以及相应的应急计划提供指导。
图一：山谷洪水
图二：城市洪涝
