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航空航天

  对于在航空航天领域工作的工程师来说,FLOW-3D精确的液气界面(自由液面)跟踪技术、具有相和静电物理模型的热解决方案,为燃料稳定、低温温度调节、推进剂管理装置、空化和电荷分布等提供了有价值的见解。

 

性能

Flow-3D

完整性

是一套完整的CFD软件,包含前处理、求解器和后处理。

背景

Flow-3D起源于NASA,本身是针对储箱的燃油开发的Flow-3D,是唯一针对液体晃动而开发的软件。开发人员D.W.Hirt博士是自由液面VOF方法的创始人,对于自由液面方法有独到的见解,

几何接口

1. 能够直接导入各种CAD(CATIA、Pro/E、UG、Solidwork)转化而成的STL格式文件; 

2. 储箱等结构可通过STL格式文件分别输入后装配成一体结构。 

网格功能

1. 采用独有的(FAVOR)技术生成正交网格; 

2. 采用多网格块及叠加区块技术加密网格,并配合不同的区块精度设定,以较少的网格数量模拟复杂的三维结构特征。该软件能根据特定的区域做局部网格加密设定,有效率地生成不同大小高质量的体网格,无需清理修补网格; 

3.格点和三维储箱结构STL文件各自独立,可以单独分别更换,自由变更网格范围及大小。

4.边界层网格加密技术,直接可以对固体边界一定厚度进行加密。

自由液面计算核心

软件核心采用独有的真实流体体积法(TruVOF)技术进行流场的自由液面追踪,能够准确模拟气液界面位置及局部细小的流体特征。还同时带有多种两相VOF方法。

流固耦合

采用网格不动,物体运动的方法。

6-自由度运动模式,有碰撞模型,可以设置转动惯性矩阵,可以加载单点作用力和力矩,可以直接加载速度或者角速度与时间的关系。

非惯性系

可以实现振动的储箱内燃油晃动分析。可以考虑储箱加速、减速、旋转、振动和自旋、谐波振荡,以及地球物理流体流动。具体如下

Shake and  spin  model;

Harmonic oscillations;

Tabular angular acceleration;

Tabular angular velocity;

Tabular angular acceleration with impulsive motion;

Tabular angular velocity with impulsive motion;

Geophysical fluid flow

Fluid sources模块

可以设置流体流入或者流出,模拟燃料消耗和补给

Scalar浓度模型

可以添加示踪剂,可以跟踪流体流动的位置。

蒸发模型

空化模型

自由液面模型

可以设置表面张力、张力梯度和温度的关系等

输出结果

可以输出流体停留时间,流体高度 ,流体深度,弗劳德数 ,动粘度 ,流动长度 ,均深流体速度 ,速度,压力,温度。

添加流体区域

任意添加任意形状的流体区域。

 

计算效率

结构网格,计算速度快

有限元分析

可以通过储箱晃动受力进行应力应变分析

 

 

 

Flow-3D主要有以下几种优势:

1)软件背景:自由液面追踪的 Volume-of-Fluid (VOF)方法是Dr. C.W. Hirt 博士针对于贮箱内燃油的晃动分析而首次开发出来的,成为以后解决自由液面问题的主要方法。Dr. C.W. Hirt 博士于1963年在Los Alamos 国家实验室时开发完成Flow-3D®程序,早期主要从事燃油的晃动分析等工程咨询服务,并于1985年推出首个商业版本,因而对于燃油的晃动分析,Flow-3D有成功的应用和专业的工程背景。

2)自由液面追踪方法:对于贮箱内燃油的晃动行为而言,燃油的液面追踪非常重要。Flow-3D独有的自由液面追踪技术,采用真实的流体体积方法,解算精准又有效率。

3)快速的网格生成技术和Favor技术:网格划分是一件非常困难的事情,网格生成时间比较长,一般几天甚至几星期,增加了额外的负担,并且还需要工程师之间的协调,降低了工作效率。而Flow-3D可以快速生成结构化网格,采用Favor技术快速产生正交网格,可以很容易精确描述复杂模型,一般网格生成时间在几小时左右。而只要硬件设备好,Flow-3D很容易计算千万级别网格。

4)计算效率。Flow-3D采用的是结构化网格,求解速度快。

5)燃油补给和消耗分析模块。Flow-3D不但可以设置质量源,还可以设置动量源。Flow-3D可以参数化设置燃油的消耗和补给速度或者流量,并且提供圆形、椭圆形、长方形、物体的面等形状的源和汇,还可以设置流体流入/流出角度。

6)丰富的非惯性系运动模式:Flow-3D和NASA、波音等公司合作,针对航空航天领域开发了更多的非惯性系运动模式,除了传统振动、谐波振动,还提供了其他参数化运动模式,直接可以设置加速度、角速度、角加速度或者以上耦合运动等。

7)运动物体和流固耦合。独特的六自由度运动功能,采用物体运动而计算网格不动的方法计算。

8)管理工具和模拟诊断。Flow-3D提供一套非常完善的管理界面,用户可以同时管理多个工况,可以在无人工干预的情况下依序求解计算。同时提供预分析功能,给出错误诊断和改进建议,还可以写入管理日志等文件。而通用流体软件也有一些简单的预处理功能,但是并不具备完善的错误诊断和改进建议功能。

 

应用案例:

1.某飞机在微重力作用下的燃料晃动分析

分块网格为模型的设置提高了效率和灵活性,Flow-3D的Tru-VOF能精准的描述燃料晃动和液体分离

 

 

 

 

 

 

2.X-37 H2O2 晃动分析

 

H2O2 于5英尺直径的隔层舱中的低重力晃动 

模拟各种任务方案以找出最差状况及最适设计

及时的喷射推进决定于引擎重新启动前适当的推进燃料设定 

自由液面结果 (充填率 = 10%, 初倾角 = 20°)

 

 

3.机翼油箱在载荷作用下的分析 

 

 

 

 

 

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