PiFlow V3.0 基于笛卡尔网格的全自动流体仿真软件

PiFlow 

     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，GPU计算效率比CPU计算效率最大提高200倍；100万左右网格跨音速案例实现最快2分钟内获得稳定收敛结果。

目前软件支持求解欧拉方程，粘性计算在研发中。

1. 软件功能介绍

   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

* 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

    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。

   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。

气动力统计

   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

   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。

   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。

   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

3.算例展示

1）WPFS

      WPFS弹翼跨音速案例，该案例与Fluent软件在相同工况相同设置下对比验证。

2）ONERA M6

     ONERA M6跨音速标准案例，该案例与实验数据对标，与开源软件SU2对比验证。

3）SR_71

     SR_71高超音速案例，该案例与Gocart软件对比验证。具体工况与参数如下表所示：

     PiFlow与Gocart计算气动力对比曲线如下图所示：

     当攻角为零时，PiFlow计算的马赫数云图如下：

4）Scramjet

   Scramjet超音速案例，带压力出口特殊边界案例计算能力展示，该案例与Fluent软件对比验证。

PiFlow压力云图

Fluent压力云图

PiFlow马赫数云图

Fluent马赫数云图