CFD专栏丨Altair Flow Simulator，来自航空工业的系统级流体仿真

工业设备存在着大量的流动管网：如飞机发动机的冷却系统，燃烧系统，润滑油系统；新能源车的电池冷却模块，空调管路；燃油车的动力舱冷却系统；天然气，氢气的存储和运输系统；火电、核电站的热力管路等等。

由于这些设备尺寸庞大，部件数量较多，或运行周期相对很长，三维计算无法满足要求。采用一维流动网络，热网络的方法不仅建模效率高，而且通过实验或三维仿真标定，同样可以达到较高的精度。

航空动力系统

航空燃油系统

用户可以导入图片，用于定位元器件的实际位置，更直观的展示系统布局。

也可以导入CAD数据，通过识别特征点、线，自动创建管路、弯头、Y管等元器件，提高建模效率。

后处理可以在每个计算单元上显示温度、压力、流量等云图。瞬态结果也可以显示动画。

可以采用表格的方式显示各个单元的物理量，描绘曲线。也可采用查询模型，从数百个单元中快速筛选符合条件的结果。

输入参数也可以云图展示各种变量，如管路长度，直径等等，一目了然。

• 元器件按照类型分为Chamber，element，controller和thermal network ；

• Chamber用于定义边界条件，连接内部的element, 并存储压力，速度，温度信息。

每个element代表一个标准的元器件，如：泵、阀门、压缩机、风扇、岔管、弯头、密封、轴承、换热器、水箱、气囊等。Vortex是一种特殊的element，用于旋转机械内部的漩涡模拟。

元器件库

各种元器件的符号，尺寸标注和流体性能参数

Controller用于在计算过程中改变chamber或element的参数，如下图所示的一个简单流体控制系统：

Thermal network定义热网络，并可以和流动网络耦合，如计算长距离输送的热力管路和外界的热交换。

燃气轮机叶片和盘腔高速旋转，并承受巨大的热负荷。在计算二次空气系统的时候需要考虑旋转效应，才能精确的分析热平衡。Cavities模型将盘腔沿径向分成若干份，利用角动量守恒原理分析旋转机械中的流体速度，压力、温度和流动角度的变化。

分析一个压力罐加压到400psi，然后通过阀门泄压到稳定压力所需要的时间。

前馈控制器Python脚本定义阀门打开条件：

后处理：时间-流量曲线

后处理：时间-压力曲线

燃气轮机透平动叶顶部凹槽的冷却孔流量不均匀，利用PID控制器调节孔径，使得流量接近目标值0.014lb/s。

原设计：2个小孔面积相等，但是冷却流量差33%

2个PID控制器监测出口流量，并自动调节小孔面积。

PID控制器调整结果：小孔面积差别27%，但是流量接近相等。

• 动力装置的冷却系统匹配热平衡计算；

• 可以输入换热器的功率，效率，也可以输入换热器的详细尺寸信息。

对于复杂，但是有规律可循的大系统建模，可以利用Excel的宏命令功能，批量创建一维网络，提高建模效率。

换热器建模的Excel模板

导入Excel模板，自动创建换热器详细模型

尽管Flow Simulator的元器件库已经包含了丰富的管路，泵、阀、控制器等元件，用户任然可以采用Python或Fortran语音定义自己独有的元器件。

例如：自定义流量随着液位高度的变化

例如：自定义小孔的阻力随流量变化

例如：自定义泵的性能曲线

概率分析采用蒙特卡洛法和拉丁超立方法创建设计空间，研究系统输出变量对输入变量的响应，并可以拟合成传递函数。DOE方法则需要用户创建确定的多任务运行清单，一个提交数十、百个计算任务。

例如：在燃气轮机的轮盘冷却模型中，用Probabilistic工具分析上游开孔的面积和角度对下游气流旋度的影响。

设置小孔的角度、面积的数值上下界限，各自创建20个计算工况：

提交概率分析任务，并监测收敛情况：

输入变量，输出变量的参数列表，以及响应曲线：

拟合传递函数曲线（在这个例子中，二阶拟合函数就达到较高的精度）：

Flow Simulator具有单目标优化功能Goal Seek, 也可以结合HyperStudy实现多学科、多目标的联合优化。

例如：压气机抽气量的计算：用户设定目标流量，Goal Seek自动寻找匹配的管路直径。

多学科优化工具HyperStudy驱动FlowSimulator进行DOE参数扫描和响应面拟合：

通过对流，传导，热辐射元件搭建热网络模拟复杂的传热现象：

电池包冷却原理图

电池包实物拆解图

电池包一维热网络

电子设备冷却系统三维模型

电子设备冷却系统一维模型

电机实物图

电机热网络模型

集成NASA的化学反应库Chemical Equilibrium with Applications (CEA)， 可以模拟燃烧过程的温度压力变化。考虑Rayleigh损失， 从而确定燃烧器的进出口压力和马赫数。

环形燃烧室三维模型

环形燃烧室原理图

仿真结果：燃烧室的温度、压力分布

• Flow Simulator的计算精度在航空工业中得到广泛的验证。 

• 密封件的对标：燃气轮机常用的Vermes Seal密封件的泄露量计算，在NASA上千次的实验数据得到验证。

密封件的尺寸定义

和NASA实验对比

热网络法对标：和传热学教科书本的理论解对比

锅炉耐火砖内测是500K的高温，外侧是300K的室温

耐火砖温度场仿真解接近理论解

压力罐的充放气对标：高压储气罐在阀门的控制下向低压环境排气，计算气体流量和罐内的压力变化（可以考虑气体的焦耳-汤姆孙效应）。