案例赏析
ApplicationCases
航空航天：航空内、外流气动仿真
案例概述
CFD是飞行器气动设计与优化的重要工具。波音公司的统计数据(AIAA-)表明，从年代末期至本世纪初的30年间，由于广泛使用先进的CFD软件及技术，波音开发一型机翼所需的风洞试验模型数由早期的70多个降至个位数，不仅大幅降低研发费用，也显著提升了研制周期、技术水平和产品竞争力。
QFLUX软件已开发基于分块结构化网格的可压缩求解器，并正在开发其多面体非结构版本。该求解器支持嵌套网格、滑移动网格。我们分别选用DPW-II翼身组合体标模和Stage35高压压气机入口段标模，验证该求解器针对飞行器跨音速绕流、复杂内流道气动仿真等技术需求的适用性和鲁棒性。
十沣解决方案
DPW-II翼身组合体算例采用嵌套网格，以提升翼身结合部等区域的网格质量，网格单元数约万，湍流模型选用SSTk-w，对流项采用AUSM格式，数值迭代采用隐式LU-SGS算法，以及多重网格法以加速收敛。分别测试气流马赫数M=0.75、0.95等两个工况，气流攻角为1.23°，Re=3.0e6。其中，M=0.75时标模气动阻力和升力系数、机翼标模压力系数分布曲线等仿真结果可与相关实验结果进行对比分析。
Stage35标模设计转速为RPM、流量20.8kg/s、转子压比1.19。本算例采用分块结构化网格，单元总数万，转静交接面采用混合平面方法，其他数值方法与DPW-II算例一致。数值计算的转子压比、流量、效率等参数及其分布曲线可与相关实验结果进行对比分析。
船舶海工：KVLCC2艏摇运动仿真
案例概述
船舶操纵性关系到其航运安全性和经济性，全球每年20%的海运事故是操纵性问题所导致的，包括年3月“长赐号”在苏伊士运河搁浅事件。船舶操纵性包括机动性和航向稳定性两个矛盾体，且与船舶主尺度密切相关。船舶设计阶段需要对其操纵性给予充分的论证和评估。物理水池试验是目前常用的船舶设计方法，但成本高、效费比低，且存在尺度效应问题。基于CFD软件的数值水池正在成为船舶水动力学设计的重要手段。
KVLCC2是三大主力船型(邮轮/散货船/集装箱船)之一。艏摇是船舶操纵性的典型工况，船体将做大幅度6DOF运动，表面波系、水下绕流结构相对复杂，数值仿真难度较大，需要采用嵌套动网格、脱体涡模型等先进算法。本算例缩比1:，模型水线长度Lpp=3.2m，吃水深度0.m，Fr=0.，Re~1.0e7;艏摇采用正弦运动模式，角度幅值为8°，横向位移幅值为0.2m，艏摇周期T=20s。
十沣解决方案
本算例采用多面体非结构网格和嵌套动网格算法，网格单元约万。QFLUX求解器选用基于SIMPLE方法的不可压求解器，湍流模型采用基于SSTk-w的IDDES，水气两相流采用VOF模型;指定船体艏摇运动规律，入口水流速度为0.m/s，出口指定静压;空间离散格式为2阶迎风、时间格式为1阶隐式Euler(EulerBackward)，时间步长取0.s。QFLUX模拟的水动力曲线及平均值将与某物理水池试验数据进行对比分析。
QFLUX模拟KVLCC2纯艏摇运动
KVLCC2艏摇运动侧向力：CFDvs.实验值
机械工程：离心式风机气动噪声仿真
案例概述
以叶轮机械为代表的流体机械，是工程机械的重要组成部分，如作为能量转换装置的水轮机、汽轮机、风力发电机、泵、风扇等。传统的流体机械设计依赖于工程经验和物理实验;先进的CFD软件及技术，正在成为提升流体机械在各类复杂工况的综合力学性能与效率的有效手段。
我们以某合作厂家的一款工业用途离心式风机为例，通过比对QFLUX软件计算结果与厂家风洞试验结果，验证QFLUX软件进行流体机械气动性能仿真、气动噪声仿真与优化设计的适用性、鲁棒性和准确性。
十沣解决方案
本算例采用多面体非结构网格和滑移网格/MRF算法，转子转速为.3RPM，求解器采用基于SIMPLE方法的不可压缩流动求解器，湍流模型采用SSTk-w，空间离散格式为2阶迎风，远场测点声辐射计算采用FW-H模型。QFLUX模拟的风机流量、效率、测点声压级等性能参数，将与厂家提供的现场实测数据进行对比分析。
电子电器：电子元器件与电路板散热
案例概述
随着元器件的功率密度不断提升，现代电子系统的热管理性能要求显得异常突出。热设计方法包括理论分析、热测试和热仿真方法。工业电子产品结构复杂，很难通过理论分析方法建立高效的散热系统设计方案;热测试方法的试验周期长、成本高，且对设计人员的行业经验要求高。因此，基于先进CFD软件的热仿真技术是目前最有效、最准确的电子热管理系统设计方法。
QFLUX软件已开发完善的流固耦合换热仿真功能与模块，可以模拟热对流、热传导、热辐射等传热方式，可以模拟自然对流散热、强迫风冷散热、强迫液冷散热等散热方式。
十沣解决方案
机箱散热、GPU强迫风冷算例，旨在验证QFLUX软件关于固体热传导、热辐射与流固耦合换热(强迫风冷散热)等物理过程的数值仿真能力。IGBT电路板水冷散热仿真算例，则将验证QFLUX软件关于强迫液冷散热系统的仿真能力。电子器件及散热系统均放置在一个较大的空旷环境内(即流体计算域)。该流体域均选用不可压缩流动求解器、固体导热区采用热传导求解器，二者之间设置为Interface，湍流模型采用SSTk-w，强迫风冷算例指定GPU风扇转速、其他算例指定入口气流或水流速度，出口指定静压;空间离散格式为2阶迎风。数值计算结果将与甲方某商业软件的计算结果进行比对，验证QFLUX软件的有效性、鲁棒性。
GPU强迫风冷仿真
IGBT电路板水冷散热算例
建筑和环境工程：城市环境污染物扩散与化学反应流仿真
案例概述
污染物生成与扩散现象，是城市大气环境预报分析、城市通风廊道与建筑群规划设计、综合环境治理的重要研究课题。当前，城市气象预报都采用中尺度数值模型(如WRF)，其计算精度、预报时效性和准确都难以满足城市管理日益精细化、网格化的技术需求。正因如此，WRF-CFD耦合的多尺度数值预报模式正成为大气与环境工程研究的重要方向。这里，我们以深圳湾臭氧与氮氧化物化学反应及污染物扩散过程仿真为例，验证QFLUX软件应用于精细模拟受建筑群影响的城市冠层环境污染物扩散规律的可行性和有效性，为后续更广泛的建筑与环境工程应用提供范例。
十沣解决方案
本算例旨在利用QFLUX软件的多组分模型和化学反应流模型，模拟近地面臭氧与氮氧化物在大气边界层输运过程中的化学反应现象(NO+O3=NO2+O2)以及城市建筑群对化学反应过程的影响规律。建筑群选自深圳湾东南侧约36平方公里范围，计算域入口指定边界层风速剖面和臭氧浓度，入口下游南侧设置一个长2km、宽m、高m的NO分布区，QFLUX将模拟臭氧经过该NO分布区的化学反应现象及其向下游扩散过程。
生物医学：血管动脉瘤与冠状动脉中血液流动模拟
案例概述
动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)是以大、中动脉内膜粥样硬化损伤为特征的血管病变;AS主要生成于大动脉及动脉分支处，异常血液流动导致的动脉应力改变在AS形成过程中起着重要作用;由于目前医学技术的局限性，无论是间接或者直接方式在人体冠状动脉测量血流动力学参数都存在很大的困难。
借助计算流体力学手段，采用QFLUX软件模拟正常血管和动脉瘤、冠状动脉中的血液流动，能够得到详细的血流速度、壁面压力、壁面剪切应力、壁面剪切应力梯度、时均壁面切应力、脉动振荡因子、血液储备分数等信息，探索冠状动脉狭窄或梗死形成和发展的血流动力学机制，从而为理解和解决动脉粥样硬化的形成和血管损伤等问题提供指引，为是否进行支架手术等治疗手段提供帮助。
十沣解决方案
算例采用基于SIMPLE方法的不可压缩流动求解器，基于管径和入口平均流速的雷诺数在左右，采用定常层流计算，动量方程采用二阶迎风格式，梯度使用基于高斯公式的离散方式并进行非正交修正。QFLUX模拟得到的流场、壁面压力、剪切应力等，将与测量数据以及其它可验证数据进行对比。
血管动脉瘤模拟
冠状动脉血液流动模拟
下次我们将介绍十沣科技的其他核心工业仿真软件，敬请期待。。。