通用三维工程流体分析软件 - Simerics

SIMERICS是Simerics公司继专业泵阀CFD模拟软件PumpLinx之后，推出的一款通用三维工程流体分析软件。

SIMERICS秉承PumpLinx独特的技术优势，增加了更多的物理模型，将CFD工具的应用范围拓展到了更多的工程领域，特别适合分析以下方面的工程流体问题。

    1)稳态流动和瞬态流动；

    2)多组分和多相流动

    3)浮升力流动

    4)流体机械内部流动

    5)复杂结构的外流问题

Simerics 是一家美国的流体动力学软件/咨询公司，总部位于美国西雅图，并在阿拉巴马州亨茨威尔市拥有技术研发中心，它的使命是为客户提供高效率、高精度的CFD模拟工具。

Simerics的技术团队由科学家和工程师构成，他们中的核心成员早在1980年就开始CFD软件开发和应用方面的研究。丰富流体知识和经验与先进的计算物理学、计算几何学和软件工程相结合，为客户提供领先的工程流体分析工具。

SIMERICS的技术优势
1、SIMERICS独特的网格技术
    SIMERICS包括一个自动化的网格生成工具，它可以简洁高效地生成CFD求解器需要的高质量网格。这个网格生成器采用了独特的几何等角自适应二叉树（geometry Conformal Adaptative Binary-tree）算法，既CAB算法。CAB算法在由封闭表面构成的流体域内生成笛卡尔网格。在靠近几何边界，CAB通过求交、切割等方法调整网格，以适应几何特征中的曲线和曲面。

为了适应关键性的几何特征，CAB 通过不断的分裂网格来自动的调整网格大小，这是利用最小的网格分辨细节特征的最有效方法（左图）。

左图为笛卡尔网格的数据结构，右图为复杂几何体网格划分

除此之外，SIMERICS 也提供了一个自动化的结构化网格生成器，专门生成像旋转机械这样的网格。

SIMERICS的网格技术特点如下：

1）自动、快速的网格生成：用户选择一组封闭表面，点击一个按钮，网格完全自动的生成。对于大多数工程问题，可以在几分钟之内完成网格划分。

2）精确的表达原始几何：创建与曲面形状相匹配的网格，可以保证准确表达重要几何特征。CAB算法也可以自动的增加网格密度来更好的分辨几何特征，用户可以直接设置曲面的网格密度来直接控制网格质量。

3）高质量/高效率的网格： CAB通常生成更适合于高精度算法的迪卡尔六面体网格。对于同样的精度水平，与四面体网格相比数量更少。与传统的贴体结构化网格相比，笛卡尔网格也可用较少的网格数量达到相同的精度。下图展示了贴体结构化网格和SIMERICS中笛卡尔网格在对离心泵进行CFD模拟时的结果对比。其中，左侧贴体网格数量约为75万，右侧笛卡尔网格约为39万。

4）能够容忍“烂”几何： 许多CAD曲面并不是完全贴合。它们也许有小缝隙，或者是没有专门缝合在一起。如果几何包含这样的“烂”特征，许多网格生成算法会失败，因此在生成之前，几何必须清理干净。CAB算法在一定程度上可以容忍“烂”几何。对于多数情况，CAB基于“烂”几何可以生成合理的网格，而精度损失是可以忽略的，从而获得有意义的模拟结果。

SIMERICS稳健而精确的多相流模型

SIMERIC中的多相流模型是多相流研究中应用最为广泛的全空化模型(Full Cavitation Model)。该模型结合SIMEICS独特的网格技术，具有优良的鲁棒性。对于非常恶劣的工况，在其他软件都难于收敛的情况下，SIMERICS依然具有良好的收敛性。同时，该模型考虑了液体的可压缩性，并考虑了蒸汽的蒸发和凝结过程。对非凝结气，用户可以选择以下子模型：

    1)固定气体质量分数

    2)可变气体质量分数

    3)平衡态气体溶解，挥发模型

    4)有限速率气体溶解，挥发模型

同时，对于气固、液固两相流问题，SIMERIC也具有相应的模型（Particle Modulus）。该模型中可以指定颗粒的密度和粒径大小等相关参数。客户可以方便的分析固体颗粒在流体中的分布情况和运动轨迹。

SIMERICS先进的动/静流体区域模拟
    CFD模拟中经常会遇到运动（旋转或平移）部件，如：泵、螺旋桨、液压缸等流体机械。要准确的模拟该类问题，需要对流体控制方程、计算网格等进行相应的处理。而且根据需要，还要考虑采用准静态或是瞬态模拟，难度较大。

    SIMERICS结合先进的动网格技术，可以方便的将流体区域设置为旋转、平移等类型（如下图）。MGI(Mismatched Gird Interface)技术对不同流体区域（如：转/静区域）的边界设置为一对交界面（interface），这种处理方式：方便操作、精确、速度快且具有很好的稳定性。各流体变量完全自动地、隐式地在移动表面上通过。

SIMERICS软件的工程应用案例
1）SIMERICS在模拟水下航行体中的应用

水下航行体CFD模拟，是一个非常复杂的多相流动问题，航行体在水下运动过程中，常常伴随着空泡的发生与破灭，不仅改变流场的水动力特性，而且产生噪声。

SIMERICS不仅拥有先进的网格划分方法，可以大大提高CFD模拟的整体时间，而且拥有世界上最先进的空化预测模型，可以非常准确的预测空泡形态，而且在其他计算软件很难计算收敛的情况下，SIMERICS依然可以计算收敛。如下图所示，SIMERICS可以准确的预测高速水下航行体空泡形态。

2）SIMERICS在船舶推进研究领域的应用

在船舶推进研究领域，如何准确预报螺旋桨的水动力性能一直是引人关注的研究课题，而且螺旋桨尾流场关系到螺旋桨的水动力性能、空泡性能、激振力和噪音问题，所以长期以来受到人们的关注，SIMERICS可以准确的模拟螺旋桨的水动力性能以及空泡性能，从而为噪声模拟提供精确的流场数据。结果表明SIMERICS可以很精确的求解出叶片附近的空化区域。

此外，下图给出了4119型螺旋桨和某对转式螺旋桨和SIMERICS模拟结果。

3）SIMERICS在喷水推进器模拟中的应用

    喷水推进技术具有推进效率高、抗空泡性强、附体阻力小、操纵性号、传动轴系简单、保护性能号、运行噪声低、变工况范围广和利于环保等有点。喷水推进器泵级的内部流动是一种复杂的三维紊流流动，目前最有力的研究途径是利用计算流体力学（CFD）方法去模拟泵流道中的流场的压力、速度分布去分析喷水推进器设计水平，进而进行优化设计。

    SIMERICS软件有专门的流体机械模板，高效的网格划分方法、便捷的转/静区域设置，以及最先进的空化预测模型，可以准确地模拟喷水推进器内部流场情况，如图所示（该算例为Simerics公司为罗罗公司S系列喷水推进器进行的模拟）。

4）风机CFD模拟

风机是一种非常常见的流体机械，风机行业面临非常严酷的市场竞争，要求风机设计满足高效率、低噪音和低成本的要求，采用工程流体分析软件SIMERICS可以在设计初期评价风机的性能。SIMERICS不同于其它的CFD软件，由于它网格生成简单、计算过程稳健、结果分析形象直观，受到设计人员的好评。

从图中可以看出，SIMERICS可以对风机进行全面瞬态分析，而且求解速度快，可在短时间内进行多工况性能分析，满足产品生命周期要求。

5）复杂几何体的外流CFD模拟

外流CFD分析应用非常广泛，如返回舱的外流、汽车和摩托车的空气动力学特性分析都是典型的外流应用。外流应用的一个共同特点是几何外形复杂，而处理复杂外形，并且生成高质量的网格正是SIMERICS的强项。

6）多相流模拟

多相流是在流体力学、传热传质学、, 物理化学、燃烧学等学科的基础上发展起来的一门新兴学科，它广泛应用于能源、动力、核能、石油、化工、冶金, 、制冷、低温、环境保护及航天技术等许多工业部门。

混合塔是化工领域常用的设备，由于掺混不同种流体工质（气-液、气-固或液-固掺混）。

图为混合塔内部掺混情况模拟 

7）SIMERICS经典流体力学问题

经典流动问题是, 人们在对流体长期的研究中观察到的流动现象，经过简化在实验中可以再现。这些流动现象可以多数可以获得解析解，便于研究者认识各种流动结构的本质，并完善理论流体力学中的物理模型；同时, ，随着计算流体力学的发展，这些流动问题也成为检验物理模型，计算方法和求解精度的重要手段。

8）自然对流问题

自然对流是指没有外界驱动力但流体依然存在运动的情况，引起流体这种运动的内在力量是温度差或者（组分的）浓度差。

下图展示了实验中观测到的自然对流现象和SIMERICS模拟的自然对流现象。可见，计算结果和实验现象非常吻合。

9）蛙跳式涡环模拟

流体的非定常运动常常伴随着旋涡的生成、演化以及它们之间的相互作用。涡环是一种典型的流动结构，在如：直, 升机旋翼旋转等情况下经常发生。研究涡环的形成、发展对改进流动状态等有着重要的意义。下图展示了实验中观察到的涡环发生发展的过程以及采用SIMERICS模拟相同工况下的流动情况。

10）卡门涡街模拟

卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到，在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街。

编辑:liww