舜云科技通用CFD软件shonFlow初版发布：国产自主化，我们一直在路上

随着中美贸易战的进行，战场逐渐蔓延到以高科技、高端制造为主的行业中。其中，以华为为代表的中国高科技，高端制造企业开始受到技术封锁以及贸易制裁，在此过程中我们可以看到掌握核心技术及制造能力的紧迫性和必要性。2019年美国宣布禁止中国13个高校在内的多个单位使用MATLAB，当时在国内引起了不小风波。一时间，工业软件卡脖子的问题的在国内引起广泛讨论。在“卡脖子”成为热词的当下，工业软件近年来持续引起我国产学研政界广泛的关注，习总书记也曾在发改委会议中强调要发挥新型举国 体制优势，加快攻克重要领域“卡脖子”技术，有效突破产业瓶颈，牢牢把握创新主动权。

图表 1 国外CAE工业软件发展历程

图1是一份来自华安证券研究所的一张图片。从图中可以看出，美国政府十分重视工业软件的开发，最初的有限元分析软件也是为NASA提供服务，并且多次将“计算机仿真与建模”列为优先发展的“服务于国家利益的关键技术”；相比于政府，美国企业也对工业软件领域投入十分巨大，比如说，前身为服务美国军工企业的Ansys光一年的研发投入就在3亿美元左右。在当前全球CAE市场，国外这几个厂商基本处于垄断地位。当我们开发某项技术或者高科技产品的时候， 国外就会通过对软件、技术的管控对我们工业发展进行无端的制裁与压制。更可怕的是，当我们国产工业软件有所突破时，国外软件便可以通过放松管制以及降低软件价格等措施，用成熟的产品来扼杀中国工业软件自主化研发的萌芽，让其失去市场，降低甚至剥夺其研发动力。基础工业软件是中国尖端制造的基石，也是通往下一个智能工业时代的船票。

因此，在这个时代背景下，工业软件国产自主化刻不容缓，时不我待。

shonFlow目前支持用户导入OpenFOAM，CGNS和shonMesh格式的网格。模拟类型目前只支持稳态。功能方面支持流固共轭传热（CHT）、旋转机械（MRF），以及低速流体流动等。在并行方面，支持openMP和MPI并行。

下面我们将以分别以旋转机械和流固传热这两个案例来进行算法验证与对标。

此案例中的物理模型为一根直径0.11米，长0.42m的圆管，其中在离入口0.1m处存在一个旋转风扇。流体主要是由风扇转动驱动，风扇转速维持62.8rad/s不变。此案例主要目的是验证软件的MRF（多重参考系）算法与湍流模型的可靠性与鲁棒性。对于MRF设置，需要用户在创建网格的同时，创建旋转区域。在本例中，旋转区域为非结构化网格的部分，其余部分为静止区域。之后在软件中，用户只需指定旋转角速度、旋转轴和旋转中心即可。

图表2 旋转机械几何结构与网格示意图

由于此案例缺乏实验数据，因此我们将结果与OpenFOAM的计算结果进行比对。通过风扇力矩的对比（图3），我们可以看到shonFlow与OpenFOAM结果基本一致。

图表 3 风扇力矩对比（与OpenFOAM）

图4显示了模拟的速度流线图。首先气体被吸入管道，当它通过风扇时开始发生旋转。由于风扇的无滑移壁边界条件，流动被风扇加速。随后，流体随着旋转流出管道且速度逐渐减小。

图表 4 旋转机械速度流线图

在传热设备中，肋片是一种常见的增大传热面积的结构。肋片散热的效率在换热器设计或换热器性能评估中有着十分重要的作用。在该案例中，我们将通过shonFlow中的共轭传热方法计算出肋片的散热效率，并将结果与理论解进行比较。

图表 5 流固耦合传热物理模型示意图

如图 5所示，温度为300K的空气流以10m/s的速度流向高度H =0.05m、长度L=0.04m和厚度t=0.002m的肋片。由于几何形状在厚度方向上关于中间平面对称，因此只模拟肋片的一半区域以节省计算资源。长为L、高为H的壁面设置为共轭传热交界面，其他壁面设置为绝热壁面。因此，热量只能通过该壁面从固体传递到流体。

从表中可以看到，模拟和理论公式计算得到的肋片换热效率基本一致，并且从固体交界面流出的能量基本与从流体交界面流入的能量相等，说明该模拟满足能量守恒的要求。

图表 6 沿肋片无量纲长度温度变化（与理论解对比）

图6展示了肋片无量纲长度的无量纲温度变化的模拟和理论结果。在肋片顶部可以观察到大约5%的差异。考虑到该模拟并不满足理论解的均一换热系数、均一空气温度以及二维传热的假设，其结果是可以接受的。如图7所示，沿着肋片的长度，温度从360K迅速下降到325K左右。肋片的最低温度在左上角，因为它离肋片基部最远，周围的冷却空气温度最低。

图表 7 肋片表面温度分布图

shonFlow的主要界面如下图所示。其主要包含菜单和工具栏区，工作流程树区，任务界面区以及窗口显示区等。

菜单和工具栏区域使用户能够创建新案例或打开现有案例、更改软件语言、更改 GUI 的视图/布局以及查看用户手册和教程案例等。此外，用户还可以使用工具按钮来运行模拟和更新时间步长。

工作流程树区域描绘了模拟案例的工作流，包括预处理、求解器设置以及计算和后处理。

任务页面区域与工作流树中的特定项目/节点一一对应。任务页面旨在使用户能够为模拟案例设置不同的参数。

渲染窗口区域显示网格、收敛曲线、后处理窗口（2D 绘图和 3D云图）。添加在渲染窗口中的工具栏，可以为用户提供交互式按钮。

图表 8 shonFlow用户界面

软件操作逻辑相对比较简单且十分清晰，用户根据流程树中从上到下的顺序即可完成一次模拟。

首先用户需要导入网格。目前shonFlow支持导入OpenFOAM网格，CGNS网格以及shonMesh网格。其中shonMesh网格为舜云科技自主研发的一种网格形式。在第一次导入网格的过程中，我们将对非shonMesh格式的网格进行转换。此转换过程针对大网格速度相对较慢，但下次加载案例时，将不再进行网格转换过程。

在创建案例之前，shonFlow允许用户进行材料的设置。目前我们在软件内部创建了一个标准材料库，其主要是测试功能使用，所以标准材料库中仅包含了几个材料。用户可以根据标准库的材料自主创建新材料。

其次用户需要创建模拟案例与计算域。目前shonFlow并不支持创建多个模拟案例。如果您想创建多个相似的模拟案例，可以使用shonFlow的另存为功能。另外，我们目前一个计算域对应一个网格。比如说，如果您想对模拟流固耦合传热，即两个计算域间的耦合，则需要您导入两个网格文件。

当模拟结束时，用户可以通过后处理节点来显示2D和3D的结果。其中3D结果的显示与后处理依赖于VTK库，因此VTK的一般操作逻辑也适用于本软件。