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

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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7月前浏览17444

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。