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FLOW-3D | 多相流多物理仿真

 

FLOW-3D logo

 

      FLOW‑3D 高精度 CFD 仿真软件,擅长处理复杂三维瞬态自由液面仿真难题,赋能产品设计迭代,大幅压缩研发周期。

      作为面向工程应用的通用流体仿真平台,FLOW‑3D 可精准复现各类工业场景下气体与液体的动态演化过程,覆盖水利环境、增材制造、船舶、航空航天、铸造、焊接、海洋能源、微流体、生物、涂层、消费品等领域。

行业专用软件:

FLOW‑3D HYDRO:水利、环境、土木、海洋、港航、市政

FLOW‑3D AM:激光/电子束增材制造、直接能量沉积、铺粉仿真、黏结剂喷射

FLOW‑3D WELD:激光焊接、送丝/送粉

FLOW‑3D CAST:金属铸造

FLOW-3D (X):优化分析工具

FLOW‑3D POST:专用后处理

 

| FLOW‑3D核心能力

TruVOF和自由液面建模

       FLOW‑3D 在流动流体表面处理方式上,与其他计算流体动力学(CFD)软件存在显著区别。软件采用特殊数值算法,追踪流体表面位置,并在这些界面上施加正确的动态边界条件。

在 FLOW‑3D 中,自由液面采用流体体积法(VOF)进行建模。该技术最早由洛斯阿拉莫斯国家实验室的一组科学家研发,其中就包括 Flow Science 公司创始人 C. W. 赫特(C. W. Hirt)博士。不少竞品 CFD 软件宣称具备 VOF 功能,但实际上仅实现了 VOF 三大核心要素中的一到两项。CFD 潜在用户需要留意,这类伪 VOF(pseudo‑VOF)算法往往会输出错误的计算结果

FLOW‑3D 完整具备实现高精度自由液面仿真所需的全部核心要素。不仅如此,软件在原始 VOF 方法基础上完成多项重大改进,进一步提升边界条件计算精度与界面追踪能力。我们将这套自研实现命名为 TruVOF

FLOW-3D's Volume of Fluid Method

自由网格技术:网格划分与几何建模解耦

      FLOW‑3D 基础网格方案,兼顾简易矩形网格的优势与变形贴体网格的灵活性。由矩形控制体构成的固定网格生成简单,同时具备诸多优良特性,例如计算精度更高、内存占用更低、数值近似算法更加简洁。

      该技术被称为自由网格(free‑gridding),网格与几何模型可各自独立、自由修改。该特性省去了生成贴体网格或有限元网格的繁琐工作。

Free gridding capabliity in FLOW-3D

      多块网格、随形网格等高级功能进一步提升矩形网格的灵活性与计算效率。通过连接式、嵌套式以及部分重叠网格块,可对复杂多尺度流动域实现高效网格布设,并能够在关注区域集中布置高分辨率网格。随形网格可生成贴合特定几何外形或空腔的高质量网格,解析薄壁结构与边界层,规避传统结构化矩形网格固有的各类局限性。

FAVOR™技术

      FLOW‑3D 集成了名为FAVOR™(面积‑体积占比障碍物表征法,Fractional Area Volume Obstacle Representation)的专用技术,用于在矩形网格内定义各类通用几何区域。

      FAVOR™背后的设计理念:数值算法以每个控制体仅对应一组物理量(单一压力、单一速度、单一温度等)作为计算依据;如果定义几何时使用远多于计算所需的信息,就会造成算法逻辑不自洽。因此 FAVOR™技术既保留矩形网格单元的简洁特性,又能够以与单元内流动平均量相匹配的精度,表征复杂几何外形。

 

FAVOR technique in FLOW-3D

网格划分能力

      FLOW‑3D 具备丰富的网格划分能力,在复杂流动仿真中兼顾易用性、计算效率与计算鲁棒性。网格操作的简便性来源于 FLOW‑3D 所采用的结构化网格;而计算效率与鲁棒性,则依托多块网格的各项功能得以实现。

      多网格块技术可对关注区域执行局部网格加密,能够大幅降低仿真所需的计算资源。对于相比整体计算域尺寸占比较小的小型障碍物、复杂几何以及薄壁流道,可通过多种多块网格功能实现精准解析,包括连接式、嵌套式、随形、部分重叠网格块。

      连接式网格块仅对关注区域划分网格,从而控制整体计算单元数量;嵌套式网格块用于提升目标区域周边的网格分辨率;随形网格块与部分重叠网格块适合解析尺度突变的不规则精细几何特征,这类特征难以仅依靠嵌套网格完成解析。

       FLOW‑3D 还支持采用贴体有限元网格开展流固耦合(FSI)仿真。该类贴体网格既可由 FLOW‑3D 自动生成,也可从外部 CAD 软件导入。

       以上各类网格技术为用户带来灵活的建模能力,可构建简洁高效的网格方案,提升求解器性能,缩短仿真周转时间

Nested mesh block in FLOW-3D
嵌套网格
Partially-overlapping mesh
部分重叠网格
Linked Meshes in FLOW-3D
连接式网格
Conforming mesh - hydraulics example
保形加密网格
Finite element mesh in FLOW-3D
有限元网格

 

 

| FLOW‑3D主要功能

🔹 网格和几何
  • 在流场和热场解算中采用结构化有限差分/控制体积网格
  • 在结构分析的直角和圆柱坐标系中采用有限元素网格
  • 嵌套式、连接式、部分重叠及随形网格块
  • 任何形状的随形网格
  • 专利FAVOR™ 技术准确的定义几何图形
  • 关闭几何间隙
  • 网格质量检查
  • 基本固体几何建模功能
  • 可输入CAD文件数据
  • 经由Exodus‑II文件格式导入或导出有限元素网格
  • 网格和几何图形独立建立
  • 直角坐标系和圆柱坐标系
🔹 紊流模型
  • RNG模型
  • 二元方程式κ‑ε模型
  • 二元方程式κ‑Ω模型
  • 大涡模拟
🔹 高级物理模型
  • 给定动作和全耦合的六自由度运动物体模型
  • 旋转对象
  • 碰撞模型
  • 栓系移动物体(弹簧、绳索、断裂锚泊线)
  • 弹性薄膜与壁面
  • 孔隙率
  • 基于弹塑性变形的有限元
  • 由于在固化流体中温度变化引起的热应力形成的有限元
  • 燃烧固体组件
  • 流体类型选择
  • 内流场、外流场与自由液面流场
  • 三维、二维与一维问题
  • 瞬态流场
  • 非黏流、层流与紊流
  • 浅水模型与三维流动混用
  • 非惯性坐标系统
  • 多标量种类
  • 两相流
  • 相变传热
  • 饱和与非饱和的多孔介质
🔹 化学模型
  • 化学变化方程式
  • 静止或对流组分
🔹 多孔介质模型
  • 饱和与非饱和流
  • 可变孔隙率
  • 定向孔隙率
  • 流动损失(线性二次型)
  • 毛细压力
  • 孔隙介质内的热交换
  • 非饱和流Van Genunchten模型
🔹 物理模型选项
  • 流体结构耦合
  • 热应力
  • 固体塑性变形
  • 颗粒流
  • 水分烘干
  • 固体溶质溶解
  • 泥沙运输和冲刷
  • 污泥沉降
  • 空化(潜在、被动、主动追踪)
  • 相变(液气、液固)
  • 表面张力
  • 热毛细效应
  • 壁附着
  • 壁面粗糙度
  • 蒸气与气泡
  • 质量/动量/能量源
  • 黏度可随剪应力,密度或温度变化
  • 触变黏度
  • 黏弹塑性流体
  • 弹性薄膜与壁面
  • 蒸发残留物
  • 机电效应
  • 介电现象
  • 电渗透
  • 静电粒子
  • 焦耳加热
  • 掺气
  • 分子与紊流扩散
  • 材料性质随温度变化
  • 喷雾冷却
🔹 离散粒子模型
  • 无质量的示踪粒子
  • 不同粒径考虑质量的粒子
  • 固体、流体、气体粒子
  • 气泡粒子追踪塌陷空洞区域
  • 非线性流体动力阻力
  • 增加了质量效应
  • 蒙特卡洛扩散
  • 粒子‑流体动量耦合
  • 恢复系数或粘性粒子
  • 点或体积粒子源
  • 初始粒子区块
  • 与流体传热
  • 蒸发和冷凝
  • 凝固和熔化
  • 库仑力和介电力
  • 监测粒子
🔹 两相和两组分模型
  • 液体/液体和气体/液体界面
  • 变密度混合物
  • 扩散不可压缩组分的可压缩流体
  • 具有动态液滴尺寸的漂移通量
  • 双组分、蒸汽/不凝性气体
  • 气液&液固相变
  • 绝热气泡
  • 相变气泡
  • 离散粒子连续流体
  • 标量输运
  • 均匀气泡
  • 过冷
  • 双场温度
🔹 流场定义选项
  • 边界条件设定
  • 对称
  • 刚性与弹性壁面
  • 连续
  • 周期
  • 给定压力
  • 给定速度
  • 出流
  • 出流压力
  • 具有消波层的出流边界
  • 网格边界条件接续
  • 静压
  • 体积流量
  • 非线性周期与孤立波
  • 率定曲线和自然水动力
  • 消波层
  • 从以前的模拟结果接续模拟
  • 继续模拟
  • 重叠边界条件
  • 改变网格和建模选项
  • 改变模型参数
🔹 与其他程序结合
  • 输入STL文件或ASCII文件以建立几何模型
  • 结果文件直接提供给EnSight®, Field View ® & Tecplot®专业后处理软件读取
  • 通过Exodus‑II文件格式输入有限元解决方案
  • 输出文本数据
  • 输出Neutral数据
  • 定制化支持
  • 固体性质材料数据库
🔹 热模型选项
  • 自然对流
  • 强制对流
  • 流体及固体的热传导
  • 流体与固体间热传递
  • 流体与固体内的热源与散热分布
  • 辐射
  • 黏滞升温
  • 正交热传导
  • 热应力
🔹 数据处理选项
  • 最先进的后处理工具 FLOW‑3D POST
  • 自定义结果分析
  • 高质量OpenGL‑based图片
  • 彩色或黑白矢量,等值线显示,三维表面与粒子显示
  • 运动的历史与监测点数据
  • 非惯性参考系运动的可视化
  • 测量挡板
  • 任意形状体积取样
  • 力与力矩计算
  • 动画输出
  • PNG、JPEG、BMP格式图片输出
  • 流线
  • 流动追踪
🔹 数值模型选项
  • TruVOF 流体液面跟踪计算方法
  • 用于自由液面流动的稳态加速器
  • 一阶与二阶对流项处理
  • 明显与模糊界面追踪
  • 隐式与显式数值选项
  • 浸入边界法
  • GMRES & SOR 迭代压力求解器
  • 用户可自定义变量,子程序与输出数据
  • 可在模拟过程中修改数值参数
🔹 用户便捷
  • 主动模拟控制(基于探针的测量)
  • 网格生成器
  • 网格质量检查
  • 使用外部时变表格文件输入
  • 基于精确度与稳定性的自适应时间步长控制
  • 自动收敛控制
  • 向导帮助优化计算效率
  • 所有变量的单位
  • 自定义单位
  • 组件转换
  • 移动粒子源
  • 运行过程中更改仿真参数
  • 启动和管理多个模拟
  • 基于用户定义标准的自动模拟终止
  • 在远程服务器上使用远程求解运行模拟
  • 复制边界条件到其他边界
🔹 流体模型选项
  • 单一不可压缩流体‑密闭空间或考虑自由液面
  • 两种不可压缩流体组成的流场‑明显或混合的界面
  • 可压缩流体‑亚音速,跨音速与超音速
  • 分层流体
  • 声波
  • 考虑不同粒径与密度的粒子运动
  • 多处理器计算
  • 分享式内存计算机
  • 分配式内存集群
🔹 浅水模型
  • 可转换地形数据资料
  • Raster 网格数据接口
  • 特定子组件的表面粗糙度
  • 风切变
  • 地面粗糙度影响
  • 曼宁粗糙度
  • 黏流&紊流
  • 输沙及冲刷
  • 表面张力
  • 传热
  • 干湿界面
🔹 FLOW‑3D POST
  • 粒子可视化
  • 速度向量场
  • 流线和迹线
  • 等值面
  • 二维、三维、任意剖面
  • 体渲染
  • 探测点数据
  • 历史数据
  • 涡核
  • 连接多结果
  • 多数据视图
  • 非惯性参考系
  • 样条剖面
 
 
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数字孪生
参数化