XFlow--基于格子波尔兹曼方法的高保真CFD软件，在航空航天领域的应用

本文摘要（由AI生成）：

XFlow是一款先进的CFD软件，具有自动点阵生成和自适应优化功能，可以解决涉及高频瞬空气动力学、真实移动的几何体、复杂多相流动、流固耦合和气动噪声等复杂CFD问题。XFlow的高级渲染能力提供了真实的可视化，可以更快地做出明智的设计决策。XFlow可以完全并行利用高性能计算(HPC)的功率，接近于线性加速的进行逼真的CFD模拟以减少或替换物理测试。XFlow在航空航天领域的应用包括空中机动动作、起飞和降落、水上迫降、导弹分离和弹射座椅等。

给大家介绍一款相对来说各方面都比较新的CFD软件--XFlow。

一、XFlow概述

在应用传统的基于网格的方法来求解计算流体动力学（CFD）问题时，结果的可靠性高度依赖于网格质量。这样会导致工程师将大部分时间耗费在处理网格离散化上，而不是解决工程问题。此外，如果问题涉及到存在移动零件或流体结构相互作用，则此类问题的域拓扑出现变化时也会造成困难。

XFlow 的自动点阵生成和自适应优化功能可以将用户输入降至最低，最大程度的减少在一个典型CFD 工作流程中耗费在网格创建和预处理阶段的精力和时间。这样，工程师就能将其绝大部分时间用在设计和优化上，而不是耗时耗力在网格创建过程上。

XFlow 提供了独特的基于粒子法的格子波尔兹曼技术，用于高保真度计算流体力学(CFD) 应用。这一先进技术允许用户解决涉及高频率瞬空气动力学、真实移动的几何体、复杂多相流动、流固耦合（FSI）和气动噪声等复杂 CFD 问题。

XFlow的高级渲染能力提供了真实的可视化，可以更加深入的了解流动和换热性能，使用户能够更快地做出明智的设计决策。XFlow可以完全并行利用高性能计算（HPC）的功率，接近于线性加速的进行逼真的CFD模拟以减少或替换物理测试。

二、独特的CFD方法

在非平衡统计力学中，玻耳兹曼方程描述了介观尺度下的气体行为。玻耳兹曼方程能够再现流体动力学极限，同时也可以模拟应用于航空航天、微流体或甚至接近真空条件的稀薄介质。

相对于标准多重弛豫时间（MRT），XFlow中的散射算子是在中心矩空间中实现，自然地证明了伽利略不变性，代码的准确性和稳定性。

三、软件环境

XFlow为用户提供了一个独特新颖的界面和工作环境。前处理、求解器和后处理完全集成在同一UI环境中。用户界面的布局是完全可配置的，工作区窗口是可移动的并且可以选择性的使用预先设置的显示。

由于是基于粒子法的，XFlow背后的算法降低了对CAD模型的要求。例如，对于外流场空气动力学分析，只要定义了明确的流体体积，软件就不再关心移动或交叉表面的影响。因此，几何学的复杂性不是XFlow的限制因素。

四、2500万布点工作流程示例

XFlow极大地减少了准备模拟和初始域离散化所花费的时间。 这使得在工程师和计算机时间成本的之间获得最佳的平衡。

下面展示两个XFlow的经典案例（视频调用失败，我就给大家看图）。

1、XFlow可以精确的捕捉到无人机旋翼复杂的非定常流场。

通过XFlow仿真得到的油液流动的动态结果可以判断润滑是否适当，以及冷却性能是否最优化；基于CFD的结果，我们可以对壳体和轮系进行重新布局优化。

对于中小型问题（例如1000 万节点以内的ANSYS mechanical问题），一般认为在图形工作站上就可以进行求解；对于中大型问题（例如1000 万节点以上的ANSYS mechanical问题），建议还是在计算性能更高的集群或SMP 服务器上进行（小助手：）。对于中小型问题，可以在图形工作站上运行有限元后处理程序，读取计算结果进行结果的分析。

五、XFlow在航空航天领域的应用

XFlow使用基于粒子的格子玻尔兹曼技术，用于高保真计算流体动力学（CFD）应用。XFLOW的先进的技术使用户能够解决复杂的CFD工作流程，包括高频瞬态空气动力学，真实移动的几何，复杂的多相流，流固耦合和航空声学。

在一个典型的CFD工作流程的前处理阶段，XFLOW具有自动点阵生成和自适应细化的功能，最大限度地减少了用户的投入，同时节省时间和精力。特别是与传统的网格化过程相比。XFLOW的壁面大涡模拟（LES）方法有效地求解大多数尺度湍流，可以解析高分辨率的复杂的流动现象。

接下来，我主要介绍下XFlow在航空航天上的一些应用,话不多说，直接上动画，有图有真相。

从纯粹的气动力问题到流固耦合(气动弹性)、气动力/气动热综合及结冰机理与防冰技术、气动声学与降噪等问题都可以应用XFlow分析实现从概念探索到高保真仿真计算。

1、空中机动动作

XFlow可以为“巡航”舒适区外的飞行区域提供模拟工具。可以在早期飞机项目设计阶段提供飞机处理信息。

2、起飞和降落

飞机的起飞和着陆的特性都涉及到飞机在地面上的滑跑，还有飞机的速度，推力，阻力等等一些影响飞机起飞和着陆性能的因素。这些因素的计算就涉及到飞机的起飞和着陆的安全性。

3、水上迫降

水上迫降是指飞机因安全隐患而在水面上被迫降落的过程，处理不当就会发生巨大事故。因此，迫降过程中会出现何种动力学现象，应当如何应对以减少损失，是飞机设计人员关注的重要问题。

通过对飞机迫降过程进行CFD模拟，可以检查飞机在水上降落时可能的运动和状态。

4、导弹分离

弹发射时机体和导弹都会受多种因素的气动干扰，此时如有不正常的分离现象可能会威胁飞机的安全。同时，为能有效击中目标，需要精确的控制分离初始段导弹姿态和运动轨迹。因此，合理真实地模拟导弹发射时尾喷流对机体的气动干扰具有很强的应用价值。

5、弹射座椅

随着飞机性能的提高，对弹射座椅救生性能的要求也越来越高，对弹射座椅姿态轨迹控制的研究需要大量气动参数的支持。利用Xflow进行CFD分析可以获取弹射座椅分析所需得大量气动参数。座椅气动性能，包括座舱抛盖过程，弹射过程中的气动特性都可以用Xflow进行分析模拟。

篇幅有限，后面还会陆续介绍些Xflow在各个行业得应用情况。当然，我也会在仿真秀直播平台给大家带来系列直播，诚邀大家关注。

作者：Daisy DAI，达索公司技术专家，仿真秀科普作者

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