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惊艳全场:国产自主流体仿真PiFlow高超音速计算稳定收敛

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导读:工业软件已经被公认为“工业制造的大脑和神经”,是数字经济时代工业领域的“皇冠”。作为制造业第一大国,中国拥有世界上最齐全的产业门类,然而核心工业软件领域却始终是中国产业发展的软肋。据媒体报道,目前中国核心工业软件产业发展落后发达国家约20年,80%工业软件被外企垄断。工业软件已经在中美贸易战中被美方用作断供、“卡脖子”的具体手段,直接关系到中国企业生存与发展,关系到产业链供应链安全稳定。

图片源自网络:中国工程院院士倪光南

大力发展工业软件,推动核心工业软件自主可控,是中国建设“制造强国”必由之路,是提升产业国际竞争力的重要抓手,是保障中国产业链供应链安全与韧性的根本所在。自2020年以来,仿真秀平台承担了国产自主主流的仿真设计软件科普教育。先后邀请了南京大学MatDEM、力软RFPA、安世亚太PeraSIM、数智船海FastCAE、西安前沿动力、华云三维CrownCAD、精益传动、春晓科技GST、极道诚然GDEM、励颐拓LiToSiM、望友Vayo、中源广科Clabso、舜云科技、格致CAE、宁达科技NIDA、太泽透平TurboTides等国产主流工业软件品牌认证并注册仿真秀平台,并带来相关讲座和报告。

近日,北京荣泰创想科技有限公司正式入驻仿真秀平台认证机构-荣泰创想 ROMTEK,将在仿真秀平台带来仿真原创文章、视频教程和技术服务等。5月18日19时30分,荣泰创想 ROMTEK官方产品经理杨洋老师,将在仿真秀平台开启《基于笛卡尔网格的解算方法对CFD领域的价值及展望》公开课,详情见后文。

一、认识PiFlow
北京荣泰创想科技有限公司(ROMTEK)于2008年起就专注于计算流体力学(CFD)领域软件产品及项目研发,始终坚持自主创新,致力于工业技术软件化,公司以软件交互本土特色化、软件核心自主可控化、软件架构灵活自动化、软件体系分布协同化为基本指导理念,在前处理、解算、后处理及可视化、CAE试验数据管理及分析、一体化协同设计仿真平台和数字孪生技术等方面积累了一系列具有完全自有知识产权的工业软件产品。
Pi音标/pai/,Flow流动。首先Pi在自然界是神秘而伟大的存在,它无限不循环充满未知的美,π定理又与CFD行业有着紧密联系,所以这款取名PiFlow的软件代表是探索神秘未知复杂的流动现象的软件,PiFlow是Pi CFD的完美产物。
 
 
PiFlow是一款基于全自动笛卡尔网格、具备用户友好操作界面的气动问题快速设计分析工具。集前处理、求解器和后处理模块于一体,可实现CAD模型导入、网格自动生成、大型数据存取和管理、方程高效求解、物理场可视化等功能。并支持MPI、OpenMP、CUDA并行模式,适应单机、服务器和超算集群等各种运行环境,兼容国产CPU与操作系统。除了支持低、亚、跨、超、高超全速域流场分析外,PiFlow还提供飞行器气动数据批量生产、轨迹分离快速分析等工程应用场景的标准化操作。  
备注:  
  • 简单跨音速案例,100万左右网格获取正确结果的时间如下:(测试显卡2060)
  • 使用DP_LUR_IMPLICIT格式GPU计算效率比CPU提高46倍,计算1分钟左右收敛。
  • 使用显式离散格式GPU计算效率比CPU提高30倍,计算13分钟左右收敛。
  • 使用LUSGS_IMPLICIT 格式CPU6核并行可在10分钟内计算收敛。
  • 目前软件支持求解欧拉方程,粘性计算在研发中。

二、软件基础功能    
1、几何模型导入
PiFlow支持三维复杂几何装配体导入,其前处理模块拥有多种CAD模型接口如:step、iges、stl等,另外,PiFlow支持对导入模型的基本操作如:缩放、旋转、镜像等。
igs格式装配体文件导入
2、网格功能
  • 网格模块具备对非流形、相交部件、细微不水密等几何问题的兼容性

  • 支持网格自适应功能

  • 支持网格自主加密

  • 支持OpenMP多线程网格生成功能

  • 基于笛卡尔网格实现全自动网格生成

  • 支持特殊边界网格设置

网格展示(包含兼容性,自适应加密,自主加密)

复杂模型网格展示

特殊边界网格设置
3、求解器功能
PiFlow围绕流体力学可以求解稳态和非稳态问题;支持多体分离轨迹计算及轨迹安全评估等问题。
时间离散方法提供LUSGS_IMPLICIT、RUNGE_KUTTA_EXPLICIT、DP_LUR_IMPLICIT等多种方法;
求解格式提供主流的中心格式和迎风格式;收敛判断在原来基础上增加了柯西收敛判据,自动判断解算收敛;
支持多重网格加速收敛策略(循环模式提供多种选择);
由于几何建模方向规定的差异,PiFlow增添了翼展方向的选择(Y/Z展向)来调整来流方向。
低音速区域解算提供低于预处理功能保证计算稳定收敛。高超音速最高支持到25马赫,目前通过降低CFL值保证稳定收敛。
轨迹计算可预先设置初速度,实现非静止状态投放功能。开放多部件同时投放使用功能。
求解方式支持MPI、OpenMP、CUDA并行模式,适应单机、服务器和超算集群等各种运行环境,兼容国产CPU与操作系统,拥有较高的求解效率,并且拥有便捷高效的图形交互界面。

GPU求解硬件要求
4、后处理功能
目前“流场计算”后处理具备表面流场物理场切换查看;实时输出残差收敛曲线及气动力曲线;气动力统计输出及一键自动生成报告的能力。气动力统计可进分部件积分,可输出总气动力。
残差收敛曲线

流场物理量切换
气动力统计
5、多任务功能
PiFlow“流场计算”业务类型具备多任务功能,可以进行工程批量处理操作。目前只能处理马赫数和攻角两种类型的工程(若有新需求可添加新功能),界面如图:
马赫数批处理设置

批处理工程文件存储位置
三、软件特色功能    
软件提供包括分离轨迹计算、参数安全边界预估、落点散布度评估在内的多种多体分离安全分析工具    
1、轨迹计算工具    
多体分离过程中,利用流场结果获取部件气动力,通过运动方程求解模型位置变化,网格自动生成使得整个轨迹计算过程自动化,可模拟投弹、多级火箭分离等场景,适用面广。同时软件可采用网格测力技术,通过对数据库插值查询获取部件当前的气动力结果,代替实时耗时的流场解算,以此实现轨迹的快速预测。  

2、分离安全评估工具  
利用网格测力技术,快速评估在确保运动过程中各模拟部件不会发生相互碰撞的前提下,影响轨迹的各参数(如部件质量、惯性、弹射力等)的安全变化范围。      

安全边界结果统计      
3、落点散步度评估工具  
利用网格测力技术,快速评估在确保运动过程中各模拟部件不会发生相互碰撞的前提下,影响轨迹的各参数(如部件质量、惯性、弹射力等)的安全变化范围。      
多体分离的实际轨迹会因为多种相互影响的偏差因素出现与期望轨迹偏差较大的情况。软件利用满足一定分布规律的随机量(例如正态分布)来模拟影响轨迹的参数(如弹射力、惯性矩等)偏差,使用蒙特卡洛打靶法来模拟多种具有偏差的参数之间的相互影响,最后预测得到多种偏差参数相互影响作用下的落点散步度。      

散布度分布      
四、高超音速计算方面对照    
1、案例说明
本案例模拟再入舱返回时其外部的高超声速流动问题。使用Fluent和GoCart两款计算结果与PiFlow进行对比分析。
Fluent软件使用SST k-omega湍流模型进行模拟;Gocart和PiFlow软件同是笛卡尔网格求解欧拉无粘方程进行模拟。再入舱几何模型如图1所示。计算工况如表一所示。

图1 再入舱几何模型展示

备注:参考面积和参考长度均为1,力矩中心(0,0,0)    
2、计算网格    
  • 再入舱是轴对称模型,计算使用半模进行分析减少计算资源损耗:

  • Fluent计算网格如图2所示;

  • GoCart计算网格如图3所示50万网格量;

  • PiFlow计算网格如图4所示62万网格量。

图2 Fluent

图3 GoCart

图4 PiFlow
3、计算结果分析
三个软件分析后统计的气动力结果,如表二所示:

气动力结果分析:
假定以Fluent计算结果为标准(计算考虑了粘性和温度),GoCart气动升力误差1.58%,阻力误差3.67%;PiFlow气动升力误差1.97%,阻力误差5.43%。
根据气动力数据和物面压力曲线来看, GoCart与PiFlow软件计算气动力误差在10%以内,满足验收标准。
(1)马赫数云图

(2)压力云图

(3)X方向速度分布

流场结果分析:
以Fluent计算结果为标准,三个软件压力场结果基本一致,马赫数分布趋势基本一致。
在分离位置考虑了有粘和无粘的差异性,Piflow 无粘计算X方向速度场在分离位置速度有波动,但与GoCart计算的X方向速度趋势一致,考虑为无粘计算在气流分离位置分析的正常现象。
四、国产自主工业软件行业洞察第2期-直播
以上高超案例分析表明PiFlow计算优势为网格自动化程度高,高超音速计算稳定收敛,在GPU加速加持下100万左右网格量10分钟左右可以计算收敛,方便快捷获取气动力结果,对于武器初始阶段方案选型有很大帮助。
同时,PiFlow软件适用于高超音速下多体分离计算,例如导弹级间分离、高速导弹的冲压发动机抛罩等。
为了帮助大家更好的理解PiFlow软件操作与应用,5月18日19时30分荣泰创想产品经理杨洋老师,将在仿真秀平台开启《基于笛卡尔网格的解算方法对CFD领域的价值及展望》公开课,推荐读者朋友前来学习和交流。
以下是课程安排:

(完)

作者:荣泰创想ROMTEK 仿真秀认证机构
声明:本文首发仿真秀App,部分图片和内容转自网络,如有不当请联系我们,欢迎分享,禁止私自转载,转载请联系我们。
来源:仿真秀App
Fluent碰撞动网格湍流传动精益传动科普数字孪生试验
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首次发布时间:2022-08-02
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