十沣科技：汽车涉水试验与TF-SPH仿真对比（附直播教程）
导读：随着高性能计算（HPC）、图形处理器（GPU）、云计算等前沿技术的快速发展，以光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)为代表的新一代仿真方法也迎来了新的发展机遇。SPH在求解大变形、自由表面流、复杂界面运动等过程中具有较大优势。十沣科技在2023年推出了光滑粒子法流体仿真软件TF-SPH，成功解决了传统网格类算法与粒子类算法在模拟过程中的诸多难题，有效避免了算法中断、计算效率低下和计算精度偏低的问题，切实满足了新一代流体仿真的需求。
12月18日周四19时，仿真秀2023国产工业软件专题月第11期技术讲座将邀请深圳十沣科技粒子法软件高级研发工程师，负责粒子法软件核心求解器开发与技术支持张超老师做《粒子法仿真软件TF-SPH和TF-DEM的研发与应用》主题报告会，重点介绍光滑粒子流体仿真分析软件TF-SPH产品及案例应用和离散元仿真分析软件TF-DEM产品及案例应，欢迎更兴趣的朋友报名和分享。首先让我们认识一下新一代流体仿真的重要方法SPH。
一、应运而生的TF-SPH
随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，SPH方法在流体仿真精度和计算效率得到了不断改进和优化，可以处理各种复杂的流动问题，如流固耦合、多相多介质流动、金属熔融凝固等，这使得SPH方法在流体仿真领域具有广泛的应用前景。
相较于传统网格类流体仿真方法，SPH方法具有一些显著的优点：
（1）支持大变形自由流动模拟。光滑粒子动力学方法的近似过程是在当前时刻任意分布粒子的基础上进行的，不受粒子分布的随机性所影响，通过追踪物质点的运动轨迹，可以很自然地处理工程大变形问题。
（2）描述多介质流动问题。每个物质点代表着一种独立的物质，因此物质交界可以自然且直观地由粒子所代表的物质属性描述跟踪。
（3）快速处理复杂几何的问题域。SPH近似计算不需要用给定的网格来为离散物质点之间提供连接信息，对问题域的离散和细化操作更为简便。
十沣科技深入探索了SPH的优势特性，精心打造出TF-SPH软件。这款软件融合了SPH方法的最新技术，包括复杂几何粒子生成、自适应粒子多分辨率算法、高精度离散格式、复杂边界处理算法及数值耗散去除模型等，支持TF-SPH在工程科学领域发挥卓越性能。
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同时，TF-SPH还支持单相/多相流动、流固耦合及热流固多物理场仿真，并具备完整的前后处理及可视化功能，能够帮助客户更高效地完成仿真任务，提高仿真精度，降低研发成本。接下来笔者给大家介绍一个汽车涉水的具体案例。
二、汽车涉水试验与TF-SPH仿真对比
汽车涉水是指车辆在地势低洼、有积水的路面行车或在水中通行，如图 1所示。涉水过程有可能造成发动机进水、电路系统短路等，最终造成发动机熄火，甚至是汽车报废。汽车上市前，均需要通过汽车涉水试验才可以出厂销售，相关试验标准如表 1所示。本文采用粒子自适应加密算法（APR），测试汽车涉水算例，涉水标准为北京标准1，并与商软结果进行对比，验证SPH求解器的计算精度与APR加密效率。
1、问题描述
汽车涉水整体模型如图 2所示，由汽车车身、前轮、后轮、水槽和流体域组成。汽车模型如图 3所示，车身长4.61m，宽1.74m，高1.43m。车轮直径为0.6m，前后轮间距为2.785m。车头处有上下两个进气口，进气口格栅间隔尺寸如图 4所示，下进气口距离地面距离为0.295m。水槽几何尺寸（坐标）如图 5所示，水槽坡度为10°，中间部分水平，长度为12m，宽度为3m，水深0.2m。
图5. 水槽模型尺寸图
2、计算设置
本算例设计了4组工况。工况1使用单一分辨率，粒子间距为0.01m；工况2使用APR方法，设置了一个加密区，加密区内部粒子间距为0.01m，外部粒子间距为0.02m。两组工况除了粒子间距与粒子数目不同之外，其他参数完全一致。本算例使用商软设置了对比工况（case 3、case 4），如表 2所示。
（1）加密区设置
本算例设置了一个1级加密区，该加密区包裹住车头的进气口，如图 6所示，加密区参数如表 3所示。加密区跟随汽车一起运动。
（2）粒子离散
工况2离散结果如图 7所示。其中车头部分、前轮的前半部以及部分水槽地面位于加密框内，其粒子间距为dx=0.01m，其余粒子间距为dx=0.02m。不同工况的粒子数目如表 2所示。
图7. 粒子离散示意图（视角方向：y轴）
假设初始时刻流体处于平衡状态，故添加了初始静水压力场：p=9800*(-0.842-z)，其中初始水面的高度坐标值为z = -0.842。（3）求解器参数设置
求解器计算参数如表 4所示。所有边界均采用自由滑移边界条件。3、软硬件配置
注：目前TF-SPH只支持GPU-CPU并行版本，商软只支持CPU版本。4、计算结果
（1）速度云图
图 8为采用APR方法时不同时刻流体速度云图。在入水初期（t=1.2s）下进气口淹没在水面以下，有较多流体涌入，此时水花形态较小；在t=1.8s时，车头溅起水花较大，TF-SPH水花形态主要呈条状，而商软水花较为分散，此时前挡内部均有大量水涌入；在t=2.4s时，车辆平稳行驶，水花形态较小，同时由于下进气口略高于水面，此时几乎没有水涌入，前挡内部的水从地盘缝隙流出；在t=3.0s时，车辆即将驶出水池，前挡处由于浪花反射波的影响，水面高度升高，造成下进气口再次涌入水花；进气口的流量分析详见5.3节。可以看出，TF-SPH计算结果与商软计算结果除水花微观形态有所差别之外，水花速度与分布基本一致。
图 8. 汽车涉水速度云图（左：TF-SPH，右：商软）
（2）车身受力
汽车车身受力图如图 9所示。可以看出，汽车在t=1s时开始接触池水，在重力方向（z）和行驶方向（x）均受到了较大的冲击荷载，z方向受力约为12kN，x方向受力约为-8kN；随后受力立刻减小；第二个受力峰值为t=1.6s时刻，此时后轮完全驶入水池，z方向的受力约为20kN，x方向受力为约为-6kN；随后车身受力较为稳定。可以看出，TF-SPH采用APR方法的计算结果和单一分辨率计算结果几乎一致，和商软计算结果也非常接近。
图9. 汽车车身受力
（3）进气口流量
汽车前挡进气口的流量统计如图 10所示。从图 10(a)可以看出，下进气口在t=1s时刻开始涌入大量流水，在t=1.5s时涌入量保持水平（几乎无涌入），在t >2.5s后涌入量继续增大，在t=3s时涌入量达到约为0.06m3；TF-SPH采用APR方法计算结果较单一分辨率小10%左右，但与商软计算结果非常接近。从图 10(b)可以看出，上进气口流量为负，即流体从内部向外流动，但涌出量较小；在t=1.4s时，由下进气口涌入的水开始向上运动，从上进气口喷出，随后一段时间内流量保持不变，在t >2.5s左右涌出量减小（流体从外部涌入内部）；TF-SPH采用APR方法的计算结果较单一分辨率要大20%左右，整体涌入量较商软计算结果要偏小。图10. 进气口流量
（4）车身浸润
车身累积浸润率时程曲线如图 11所示。可以看出，累积浸润率随时间逐渐增大，但TF-SPH计算结果整体要比商软低，其原因有：1）TF-SPH计算结果流体飞溅现象不明显，导致部分车身未被流体附着；2）浸润的阈值判据不同将导致统计结果有较大差别；TF-SPH和商软采用APR方法的计算结果均比单一分辨率要低。图11. 车身浸润率
（5）计算效率
从表 8中可以看出，本算例中使用APR方法对计算效率取得了一定的提升，TF-SPH的加速比为1.60，商软的加速比为1.62，该问题的加密效率较为接近。
5、结论
经上述分析可知，针对汽车涉水算例，TF-SPH使用APR方法可以获得较大的加速比，APR计算结果与单一分辨率结果偏差较小，且与商软偏差较小，满足精度要求。为了让关注自主工业软件行业的从业者们看到近几年国产工业软件CAE软件云化取得的新进展，12月18日周四19时，仿真秀2023国产工业软件专题月第11期技术讲座将邀请深圳十沣科技粒子法软件高级研发工程师，负责粒子法软件核心求解器开发与技术支持张超老师做《粒子法仿真软件TF-SPH和TF-DEM的研发与应用》主题报告会，重点介绍光滑粒子流体仿真分析软件TF-SPH产品及案例应用和离散元仿真分析软件TF-DEM产品及案例应，欢迎更兴趣的朋友报名和分享。以下是直播安排：
2023国产工业软件（十一）：粒子法仿真软件TF-SPH和TF-DEM的研发与应用-仿真秀直播
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