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nanoFluidX - 基于粒子的流体动力学
添加时间:2023-11-11
浏览次数:127
nanoFluidX - 基于粒子的流体动力学

Altair nanoFluidX 是一个基于粒子法 (SPH)  的流体动力学仿真工具, 用于预测在复杂几何体中有复杂机械运动的流动 。nanoFluidX  可以用于预测有旋转轴和齿轮的传动系统润滑并分析系统每个部件的力和力矩,支持使用 GPU 技术能够对真实的几何形状进行高性能仿真。

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经常有CFD仿真工程师问,在SPH粒子法流体力学建模的时候:

  • 为什么需要气液两相流分析?

  • 什么场景下可以用单相流?

  • 如何在Altair® nanoFluidX®中设置单/多相参数?


首先需要明确的是,我们在模拟自由液面、液体晃动之类问题的时候,通常背景环境总是有空气的。

如果在SPH模型中忽略轻流体(空气),仅考虑重流体(水或油),那么在没有粒子的void区域,流体的压力和速度信息是空白的。反之,两相流模型的计算域内充满了粒子,体积守恒和Shepard coeff=1更容易保证。

考虑 Windage 效应的时候,必须采用气-液两相流,否则空气的摩擦、输运效果无法仿真。比如下面这个3000RPM单齿轮的例子,初始液位低于齿轮的最低点。由于齿轮旋转带动了空气,从而液面产生晃动。(仿真结果动画中隐藏了空气粒子)。



动图封面

动图封面




这是一篇公开发表的 paper, 也是对比了传动系统中 windage 的效应。





结论是:在中高转速工况,SPH仿真模型不能忽略空气粒子的影响。






这是另外一个有高速摄影的例子(单齿轮,初始液位在中心线)。随着齿轮线速度Vt的提高,油液内的气泡尺寸和体积分数发生明显变化。搅油损失(churning loss)也随之增加。在nanoFluidX中可以考虑润滑油充气率对传动效率影响。






接下来,我们通过一个简单的模型对比一下单/两相流模型的区别。





2D容器内注入40%油,在重力方向做往复简谐振荡。容器高度120mm, 宽度80mm, 振幅171mm,振动频率30Hz。





以下图片是最后一个振荡周期的油液位置:



动图封面

一个振荡周期的动画(相对容器运动坐标系)



下图记录了液体的瞬态冲击力, 单-两相流趋势一致,但是单相流模型由于没有空气的缓冲和混合(能量耗散),峰值明显过大。从图片、动画也能看出单相流明显油液的撞击壁面速度更快一些。






虽然在高转速传动系统中采用气液两相流模型更符合物理现象,但是代价是:更多的粒子数量,更小的时间步长,和更久的等待结果时间。

低速流动的自由液面场景往往是可以采用单相流模型的,比如:车辆涉水分析,油箱晃动,水渠流动等。

在2021.2版本中nanoFuidX增加了一个新的Tartakovsky表面张力模型,改善了单相流的液滴仿真。



动图封面

水体自由落体(单相流模型)

动图封面

油罐车液体晃动(单相流模型)

动图封面

车辆涉水(单相流模型)

动图封面

明渠流动(单相流模型)



其实我们总是在仿真精度和代价之间妥协,这个过程不仅适用于SPH粒子法单/两相流的选择,它是通用的。

仿真设计迭代过程

物理实验





设计初期:单相流多工况计算,进行趋势性的比较。快速筛选设计方案。

设计中期:两相流,适当的简化模型,可以定性或定量的比较。

设计末期:详细模型,高保真度,定量比较。


附录:nanoFluidX 求解器开关的推荐设置

单相流模型参数





两相流设置