【20个视频】——棘手CFD问题解决方案专家: CONVERGE CFD
“CONVERGE面世之初主要定位为发动机专用分析软件，但经过十多年的功能开发与完善，其应用领域逐步扩展，目前已成功应用到包括各种发动机附件（稳态气道、水套、喷嘴内流、曲轴箱通风、油气分离器、尾气后处理系统等），以及燃气轮机、旋转机械、泵阀设备等各种通用CFD分析领域，已经逐步演化为一款通用CFD软件。”
CONVERGE模拟火箭发射
CONVERGE的流体结构交互（FSI）模型可用于模拟火箭发射。喷孔喷出的气体引起的高压远远大于重力，火箭被推动向上。第一个视角，截面颜色表征废气的质量分数，AMR准确捕捉了火箭向上运动时尾焰的扩展。第二个视角可以看到火箭旁的固定塔，速度等值面颜色表征温度。最后视角可以清楚的看到尾焰和塔的交互作用。
CONVERGE用于船体模拟
CONVERGE的流体结构交互（FSI）用于模拟船体在水中运动。我们指定螺旋桨的旋转运动并用FSI模型计算船和螺旋桨的运动趋势。视频展示当船体落入水中，最初下沉继而在浮力作用下上浮。初始的下沉导致水溅入船中。CONVERGE不光可以模拟船体由于螺旋桨引起的运动，而且可以模拟溅入、溅出船内及船体周围水的流动。自适应网格可以捕捉水的浓度梯度，即追踪水的表面，同时可以捕捉速度梯度，比如螺旋桨的尾迹区域，从而最小化整体网格的数量。
稀燃直喷燃气轮机燃烧室模拟
视频展示的是CONVERGE对一款经典飞机发动机——稀燃直喷燃气轮机燃烧室的模拟。为了预测室内温度，仿真采用了大涡模拟耦合Jet-A燃料的详细化学反应机理。模型燃烧室包括扩散冷却孔，贴壁射流和空心锥喷雾。喷射燃料蒸发成气体后直接用于详细燃烧机理以准确预测火焰形状、出口温度和NOx及CO排放。仿真区域包含200万网格，完整的燃烧室几何以及扩散冷却小孔。自适应网格有助于准确求解小冷却流动和火焰面。
对置活塞发动机模拟
CONVERGE的sealing功能能让用户模拟对置活塞发动机中活塞对进排气道的阻断和连通。视频从排气行程开始，缸内为高温气体，两活塞反向运动：底部活塞向下运动连通排气道，将废气（橙色）通过排气歧管排出。顶部活塞向上运动，进气道连通，新鲜空气（绿色）流入缸内。当两活塞相向运动：缸内空气被压缩至高温高压，与喷射的燃料（黑色）混合后点燃。燃烧发生并伴随由倾斜气道流动引起的涡旋火焰。新的循环再次开始。
CONVERGE模拟曲轴游隙流动
CONVERGE用于直列式四发动机曲轴箱模拟考察曲轴游隙间流动。用户可以看到活塞伴随曲轴转动进行的往复运动，同时在曲轴箱底部润滑油被搅动从而带来曲轴的功率损失的现象。我们把活塞、连杆和曲轴设定为运动边界，使用自适应网格技术捕捉油气界面和大速度梯度。用VOF模型追踪曲轴箱内油和空气的界面，油气体积分数等值面用不同颜色表征速度（蓝色为低速，红色为高速），水平和垂直截面则用不同颜色表征油气体积分数。
CONVERGE用于球阀模拟
流体结构交互（FSI）模型用于模拟球阀。视频展示高压喷射推动球体向上运动后在重力作用下回落过程。截面颜色表征速度。球体被作为具有六自由度的FSI结构处理，可旋转和平移。接触探测和处理模型用于计算球体撞击阀座以及接触后的反弹轨迹。AMR用于解析喷射气流的速度梯度，大大减少计算时间。喷射气体扩散后球体安置在阀座上，但会随着残余振动继续轻微运动。CONVERGE每个时间步重构网格，无需进行网格变形扭曲即可模拟六自由度FSI问题。
单缸机缸内燃烧和共轭耦合传热模拟
视频展示了CONVERGE用于气道喷射单缸多循环计算，对燃料喷射、缸内燃烧和周边固体部件（包括缸盖、气门、阀导承、阀座、缸体、火花塞、缸壁及活塞）进行了模拟。最左侧截面显示火花塞附近细节，中间和右侧截面显示区域正交视角。超循环技术解决了固体和流体传热时间尺度不一样的问题，可在合理时间内完成缸体传热计算。CONVERGE完全耦合了瞬态和稳态求解器，快速求解缸内燃烧以及周边固体部件的传热。
CONVERGE模拟旋流式喷油器
在这个旋流式喷嘴模拟视频中，用户可以看到经过喷油嘴的流体流动（颜色表征速度大小）以及向燃烧室喷雾的过程。空气进入喷油器并在流体中形成一个不稳定的空心。在这次模拟中，我们使用VOF模型分别捕捉液体和气体流动。CONVERGE可以方便且准确的模拟这种流经旋流式喷嘴一段时间后产生不稳定性的复杂流动。
正如这个摆盘式压缩机仿真案例所示，CONVERGE可以简单准确的处理运动几何。所有截面颜色表征温度。左侧图可以看到活塞随着上升和下降而摆动。摆动的活塞与连杆相连并沿着拉伸环运动，使活塞和缸壁贴合。在这个案例中我们使用自动化网格生成以及一维梁模型来模拟空气进入吸气簧片阀（左侧，蓝色）的流动以及压缩后通过泄气簧片阀（右侧，红色）的排气流动。
CONVERGE模拟摆盘式压缩机
正如这个摆盘式压缩机仿真案例所示，CONVERGE可以简单准确的处理运动几何。所有截面颜色表征温度。左侧图可以看到活塞随着上升和下降而摆动。摆动的活塞与连杆相连并沿着拉伸环运动，使活塞和缸壁贴合。在这个案例中我们使用自动化网格生成以及一维梁模型来模拟空气进入吸气簧片阀（左侧，蓝色）的流动以及压缩后通过泄气簧片阀（右侧，红色）的排气流动。
模拟Birkhold尿素喷射与壁面交互验证案例
CONVERGE的尿素/SCR模拟加速方法用于模拟尿素水溶液喷射以及与壁面交互，在Birkhold的验证案例中（SAE2006-01-0643）准确获取了平板温度和液膜形成。视频中的尿素水溶液为拟合试验数据的多组分喷射物。尿素分解采用熔融颗粒法模拟。视频第一部分中颗粒颜色表征粒径，平板颜色表征边界温度。Kuhnke模型计算颗粒和平板的交互作用，流固共轭耦合传热准确预测壁面温度，可见平板在喷射撞击下降温。视频第二部分，颗粒颜色表征温度，颗粒随着向下游运动而升温。
模拟自由降落过程中盒子内的火焰
2018年CONVERGE北美用户大会上物理女孩Dianna Cowern现场演示了她的蜡烛坠落试验。我们用CONVERGE模拟了这个试验，采用SAGE-MZ模型模拟层流火焰在浮力作用下的不稳定性。如视频所示，火焰开始被拉长了。随着盒子自由降落，火焰趋于球形。视频的最后显示自适应网格技术的采用可以准确捕捉火焰边界处自由降落的影响。
GDI发动机模拟
CONVERGE的详细化学反应和自动化网格技术对于诸如GDI等发动机的缸内燃烧现象的准确高效模拟是最佳工具。视频顶视图中可见进气道（右侧）打开，新鲜空气进入缸内。之后缸内汽油直喷，火花引燃燃气混合物，燃烧完成后废气通过排气道（左侧）排出。截面颜色表征温度，燃油喷射采用拉格朗日模型。第二个视角中慢速显示点火过程。CONVERGE基于速度和温度梯度采用了AMR技术，缩短了计算时间。
模拟罗伯特卡洛斯的逆天任意球
罗伯特卡洛斯在1997年法国图诺的开场赛中以一记惊世任意球完成了“不可能的进球”从而创造历史。视频画面上部展示那记任意球运行轨迹的顶视和侧视图，仿真采用了自定义设定和CONVERGE的刚体FSI模型。左下部展示足球在踢的过程的形变，采用了试验隔膜变形模型。足球的涡量等值面颜色表征压力。中下部展示截面颜色表征涡量大小并显示足球在自定义三维压力下的变形。右下部展示足球旋转以及周围的空气流动。涡量等值线颜色表征压力。
CONVERGE模拟心室辅助装置
在宾夕法尼亚大学心室辅助装置仿真视频中，最初血液流经环形转子并流过转动叶轮的楔形叶片。流动（颜色表征速度）从入口（左上）流入经过叶轮从出口（左下）流出。接下来可以看到截面上的速度矢量。CONVERGE自动化网格大大减少了计算时间，同时可以让医学研究者评估各种不同的设计方案。
旋转爆轰发动机中的超声速燃烧模拟
美国阿贡国家实验室使用CONVERGE进行旋转爆轰发动机的模拟视频。爆轰初始阶段火花点火火焰上行至预爆管。氢气和空气在环形燃烧室底部分别通过进气道和周向槽喷射。在进入环形流道前，燃料和空气在混合道内经过交叉喷射混合。超声速燃烧波沿着环形流道运行。爆炸产物膨胀并排出，加速轴向流动。当达到极限循环，旋转爆震波可以自给并在流道内持续发展。CONVERGE准确预测了发动机内爆震波的频率和高度。AMR准确捕捉爆震波前端并减少了整体计算时间。
CONVERGE模拟骰 子滚动
CONVERGE使用刚体FSI模型模拟了摇骰 子的过程。首先给骰 子设定一个初始的速度和转速，接着用接触探测和解析功能计算骰 子撞击盅壁时的动量以及撞击后骰 子的轨迹。水平截面显示盅底网格，垂直截面随骰 子中心移动，颜色表征速度。AMR在骰 子高速度梯度滚动时增加计算网格数量。视频中展示了四组仿真，使用不同的初始骰 子速度，回弹系数和摩擦系数。初始条件的改变会使骰 子的运动轨迹发生巨大变化。
CONVERGE涡激振动模拟
CONVERGE模拟了在通道内经过一组弹性支撑杆的流动过程。视频展示杆臂随着流经它们的水流而振动。截面颜色表征水流速度。这个仿真使用了FSI模型来捕捉低雷诺数下杆周围涡脱落过程以及被杆阵交互影响的复杂的顺流过程。
稀燃直喷燃气轮机燃烧室模拟
视频展示的是CONVERGE对一款经典飞机发动机——稀燃直喷燃气轮机燃烧室的模拟。为了预测室内温度，仿真采用了大涡模拟耦合Jet-A燃料的详细化学反应机理。模型燃烧室包括扩散冷却孔，贴壁射流和空心锥喷雾。喷射燃料蒸发成气体后直接用于详细燃烧机理以准确预测火焰形状、出口温度和NOx及CO排放。仿真区域包含200万网格，完整的燃烧室几何以及扩散冷却小孔。自适应网格有助于准确求解小冷却流动和火焰面。
单缸机缸内燃烧和共轭耦合传热模拟
视频展示了CONVERGE用于气道喷射单缸多循环计算，对燃料喷射、缸内燃烧和周边固体部件（包括缸盖、气门、阀导承、阀座、缸体、火花塞、缸壁及活塞）进行了模拟。最左侧截面显示火花塞附近细节，中间和右侧截面显示区域正交视角。超循环技术解决了固体和流体传热时间尺度不一样的问题，可在合理时间内完成缸体传热计算。CONVERGE完全耦合了瞬态和稳态求解器，快速求解缸内燃烧以及周边固体部件的传热。
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来源：艾迪捷
