Flow-3D—三维计算流体力学软件

Flow-3D 2022R2—三维计算流体力学软件
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软件简介

Flow-3D软件是由美国Flow Science公司研发的三维计算流体动力学和传热分析软件，自 1985年正式推出商业版之后，就以其功能强大、简单易用、工程应用性强的特点，逐渐在 CFD （计算流体动力学）和传热学领域得到越来越广泛的应用。目前 Flow-3D 软件已被广泛应用于水力学、金属铸造业、镀膜、航空航天工业、船舶行业、消费产品、微喷墨头、微机电系统等领域，它对实际工程问题的精确模拟与计算结果的准确性都受到用户的高度赞许。

FLOW-3D 是高效能的计算仿真工具，工程师能够根据自行定义多种物理模型，应用于各种不同的工程领域。藉由精确预测自由液面流动（free-surface flows）， FLOW-3D 可以协助您在工程领域中改进现有制程。

FLOW-3D 是一套全功能的软件，不需要额外加购网格生成模块或者事後处理模块。完全整合的图像式使用者介面让使用者可以快速的完成仿真专案设定到结果输出。

FLOW-3D 使用的网格建立技术，结合了简单榘形网格弹性化设计的优点，这种特色称为 “free-gridding”。因为网格与几何图档没有建立关连性，因此可以自由变更。这个特色大幅度取代了有限元素网格必须与几何图档相关联，不易变更网格图档的缺点。 FLOW-3D 采用可自行定义固定格点的榘形网格区块（因为容易产生，并且适用於各种仿真模拟），流体可为连续或者是不连续的状态。这样的特性可提升计算精确度，较少的内存量，以及较简单的数值近似。

FLOW-3D 的特色 FAVOR (Fractional Area Volume Obstacle Representation) method。该技术可让榘形网格也能描述复杂的几何外型。

FLOW-3D 与其他 CFD 软件最大的不同，在於其描述流体表面的方法。该技术以特殊的数值方法追踪流体表面的位置，并且将适合的动量边界条件施加於表面上。在FLOW-3D中，自由液面是以由一群科学家组织开发之 VOF 技术计算而得，包括了 Flow Science 的创始人（当时位於Los Alamos 国家实验室）的 Dr. C. W. Hirt。许多 CFD 软件宣称其拥有与 VOF 类似之计算能力，但是事实上仅采用了 VOF 三种基本观念中的1 或 2 种，采用 pseudo-VOF 计算可能得到不正确的结果。FLOW-3D 拥有 VOF 技术中的全部功能，并且已被证明能够针对自由液面进行完整的描述。另外， FLOW-3D 更基於原始的 VOF 理论，开发了更精确的边界条件以及表面追踪技术，我们称之为TruVOF。

FLOW-3D 提供多网格区块建立技术，该技术能够让有限差分法计算更有弹性，并且更具效率。在标准的有限差分法网格中，局部加密可能会造成网格大幅增加，因为局部加密网格会对整体网格的三维方向造成影响。采用多网格区块能够做局部的网格加密，而不影响到整体网格数量，使用者可以用较少的硬件资源完成复杂的计算。而多网格区块能够采用连接式（Linked）或者是巢式（Nested）网格区块进行网格建立，能够针对使用者希望察觉问题的部分做局部加密，而不影响整体网格。

Flow-3D v12软件功能

网格与几何 Meshing & Geometry:
▪ 结构式有限差分法网格
▪ 多区块网格技术，支援嵌入式或者是连接式网格区块
▪ Fractional areas/volumes (FAVOR?) 技术，能够高效率并且精确的定义几何外型
▪ 自由网格设定
▪ 内建基本几何产生器
▪ 可读入多种 CAD 格式图档

流动种类选项 Flow Type Options:
管内流, 管外流, 以及自由液面流动模式
▪ 支持三维, 二维或一维问题计算
▪ 暂态流动计算
▪ 支持卡氏座标系或圆柱座标系
▪ 支持非黏性, 黏性层流以及紊流流动
▪ 多种量化数值指定计算
▪ 参考座标轴计算
▪ 两相流
▪ 热传计算（包含相变化）
▪ 饱和及非饱和多孔性材质

流动定义选项 Flow Definition Options:
▪ 一般初始条件
▪ 边界条件
▪ 对称
▪ 刚体墙
▪ 连续
▪ 周期
▪ 指定压力
▪ 指定速度
▪ 流出
▪ 网格重叠
▪ 静水
▪ 重新启动选项
▪ 接续仿真计算
▪ 从之前的仿真计算接续重叠计算资料
▪ 新增, 删除或改变模型叁数

数值模型选项 Numerical Modeling Options:
▪ Volume-of-Fluid (VOF) method 追踪流体边界 --TruVOF
▪ Fractional areas/volumes (FAVOR?) 高效率的几何定义
▪ 一阶, 二阶以及三阶平流advection 计算
▪ Sharp fluid interface tracking
▪ 隐式解及显式解计算
▪ 支援 Point, line relaxation 以及 GMRES pressure 求解器
▪ 使用者自定义变数, 副程序以及输出
▪ 执行程序时之计算叠代工具

流体模型选项 Fluid Modeling Options:
▪ 单一不可压缩流体 – confined or with free surfaces
▪ 两种不可压缩流体 – miscible or with sharp interfaces
▪ 可压缩流体 – subsonic, transonic, supersonic
▪ 饱和流体
▪ 声波现象
▪ 不同密度/直径之质量粒子

热模型选项Thermal Modeling Options:
▪ 自然对流
▪ 强迫对流
▪ 流体与固体热传导
▪ 流体与固体热传递
▪ 热传导
▪ 指定热通量
▪ 指定温度
▪ 从流体/物件至空间之热传递
▪ 流体或固体内之能量分布/集中
▪ 散轶之热辐射
▪ 黏滞热

物理模型选项 Physical Modeling Options:
▪ 冲刷与侵蚀沉积
▪ 空化
▪ 相变化 (液体-气体, 液体-固体)
▪ 表面张力
▪ 热虹吸现象
▪ 接触面黏着
▪ 接触面粗度
▪ 蒸汽与气泡
▪ 固化与融化(heat-of-transformation table)
▪ 质量/动量/能量产生设定
▪ 均布之质量/能量产生器
▪ 剪切变化, 密度变化与温度相依之黏度模型
▪ 触变黏度
▪ 弹性张力
▪ 电场
▪ 绝缘现象
▪ 电渗透
▪ 静电粒子
▪ 电驱动力现象
▪ 焦耳加热
▪ 卷气
▪ 分子以及紊流扩散

特殊物理模型 Special Physical Models:
▪ 六自由度一般移动物件
▪ 旋转物件
▪ 多孔性隔板与物件 (linear and quadratic flow losses)
▪ 碰撞模型

金属铸造模型 Metal Casting Models:
▪ 固化/融化 (heat-of-transformation table)
▪ 固化收缩
▪ 固化过程中的二元隔离
▪ 潜热释放影响的固化率
▪ 热循环
▪ 缺陷追踪
▪ 气穴模型
▪ 消失模铸造模型
▪ 半固态材料模型
▪ 砂模湿气
▪ 柱塞头移动
▪ 背压与排气
▪ 砂芯吹砂

紊流模型 Turbulence Models:
▪ Prandtl mixing length
▪ One-equation transport
▪ Two-equation k-ε transport
▪ RNG (renormalized group theory)
▪ Large eddy simulation

多孔性材质模型 Porous Media Models:
▪ 变动孔隙设定
▪ 定向孔隙设定
▪ 一般流体损轶 (linear and quadratic)
▪ 毛细压力
▪ 不饱和流体
▪ 多孔性材质之热传递

两相流体与两种以上材质物件组合模型Two-phase and Two-component Models:
▪ 液体/液体与气体/液体介面
▪ 两相流混合
▪ 单一可压缩流体与分散的不可压缩流体混合
▪ 两相飘移通量
▪ 气体-液体与液体-气体之相变化
▪ 绝热气泡
▪ 相变化气泡
▪ 含不连续粒子之连续流体
▪ 纯量运输

非连续粒子模型 Discrete Particle Models:
▪ 无质量之标示粒子
▪ 可指定尺寸/重量之质量粒子
▪ 一次元与二次元流体-动力拖曳计算
▪ Monte-Carlo 扩散
▪ 粒子- 流体动量耦合计算
▪ 黏性粒子之抵抗系数
▪ 点或质量粒子产生器
▪ 带电粒子
▪ 粒子追踪

浅层流体模型 Shallow Flow Models:
▪ 浅层水模型
▪ 一般浅层
▪ 润湿和乾燥
▪ 风切
▪ 地表粗度效应

化学模型 Chemistry Models:
▪ 化学速率方程式求解器
▪ Stationary or advected species

自动化特色 Automatic Features:
▪ 网格与初始条件产生
▪ 精确与稳定计算之时间步距控制
▪ 自动限制流体压缩性
▪ 由FLOW-3D 控制的收敛与放宽计算
▪ 自动提示以最适化计算

与其他软件之接口 Options for Coupling with Other Programs:
▪ 一般输入格式： Stereolithography (STL) files--binary or ASCII
▪ ANSYS 或 I'DEAS 转入之 tetrahedral data
▪ 与 Tecplot , Ensight , and FieldView 之直接资料接续端口
▪ 可输出格式给 PLOT3D-compatible visualization programs
▪ Neutral file 格式输出
▪ 客制化计算工具加入
▪ Topgraphic 资料

资料操作选项 Data Processing Options:
▪ 全自动或客制化产生之图表
▪ 图形支援OpenGL-based graphics
▪ 彩色或黑白向量, 等高线图, 3D 以及粒子图像输出
▪ 随时间变化之变量记录
▪ 受力与力榘计算
▪ 动画输出
▪ PostScript, JPEG 以及 Bitmap 图像输出
▪ 流线输出
▪ STL 几何图档检视

多处理器计算 Multi-Processor Computing:
▪ 内存共享计算（SMP 版本，支援多核CPU, 支援 Windows/Linux 系统）
▪ 计算机丛集系统（MP 版本，需架设於 Linux 系统）

软件特点

该软件所具有的功能特点如下：

（1）Flow-3D 是一套全功能的软件，具有完全整合的图像式使用界面，其功能包括导入几何模型、生成网格、定义边界条件、计算求解和计算结果后处理，也就是说一个软件就能使用者快速地完成从仿真专案设定到结果输出的过程，而不需要其他前后处理软件。

（2）Flow-3D 生成网格的技术利用其自带的划分网格的工具，采用可自行定义固定格点的矩形网格区块生成网格，不仅易于生成网格，而且建立的网格与几何图档不存在关连性，因此网格不受几何结构变化的限制。如图所示。

图1 Flow-3D生成网格技术

（3）Flow-3D 提供的多网格区块建立技术，使得在对复杂模型生成网格时，在不影响其他计算区域网格数量的前提下，对计算区域的局部网格加密。多网格区块可采用连接式（Linked）或巢式（Nested）网格区块进行网格建立。

图2 多网格区块建立技术

（4）Flow-3D 独有的 FAVORTM 技术（Fractional Area/Volume Obstacle Representation)，使其所采用的矩形网格也能描述复杂的几何外型，从而可以高效率并且精确地定义几何外型。

图3 FAVOR技术与传统 FDM技术的对比

（5）Flow-3D 采用的独特的计算方法 TruVOF?，是经过对VOF技术的进一步改进，能够准确地追踪自由液面的变化情况，使其能够精确地模拟具有自由界面的流动问题，可精确计算动态自由液面的交界聚合与飞溅流动，尤其适合高速高频流动状态的计算模拟。

（6）Flow-3D 的具有蒸发/冷凝相变模型，简单开启该模型，可以模拟计算中的液体的蒸发过程。

（7）Flow-3D 的“非惯性坐标系（Non-Inertial Frame）”和“通用运动物体（General Moving Object）”的计算模型，可以精确地模拟自由下落或旋转运动的物体周围的流体区域的液面变化情况，以及做自由下落或旋转运动的流动区域内部的液面变化情况，如图所示。

图4 航天推进器内燃料的运动情况

多年来，Flow-3D 的汽车业界用户应用 Flow-3D 于油箱的设计（汽油或其它燃料于油箱内的晃动），使用的物理模型为 Flow-3D 的非惯性参考坐标模型（Non-inertial reference frame model）。而Flow-3D新的 GMO 模型则能够让用户进行刚体在流体内的运动状况（包括刚体与流体之间的耦合运动）。GMO模型支持流固耦合的模型定义，缸体可以在六个自由度上自由运动（也可以由设计人员在六个自由度上自由定义约束条件）。新的模型让设计人员能够针对引擎运动过程进行仿真设计，例如曲轴、连杆以及机油泵与流体之间的运动情况仿真模拟。

技术特色

Flow-3D 自由表面处理能力与特殊的物理模型（表面张力、非惯性系、刚体动力系统）耦合在一起，使 Flow-3D 成为工程师必不可少的设计工具。基于上述介绍的 Flow-3D 软件的功能特点，该款软件正适合用于进行汽车燃油系统中的油箱相关问题的研究，具体方案如下：

（1）要研究油箱内油面随行驶姿态的不同而发生剧烈晃动的情况，所需要的输入条件是油箱的几何模型文件和油箱的晃动规律，然后将该几何模型文件以stl 格式导入Flow-3D，并把油箱的晃动规律（源自于路谱信息）作为计算条件输入到 Flow-3D 相应的计算模型中，最后进行计算后，就能够看到油箱内油面随油箱的运动而发生剧烈晃动的情况，并能够得到油箱壁面受到的平均冲击力和重心的变化情况。

（2）要确定油箱的油面形状和油箱内各点的油面高度随行驶姿态的不同而变化的情况，仿真计算所需的输入条件和计算方法与上所述相同，经过计算后，Flow-3D 即可直接输出油箱内各点的油面高度随行驶姿态的不同而变化的情况，同时还能直接输出油箱内剩余的燃油的体积，从而为确定用于测量燃油箱内油量的数字式油量传感器的安装位置和数量提供指导。

（3）要确定油箱的重心位置随着行驶姿态和燃油消耗量的不同而变化的规律，所需要的输入条件是是燃油箱的几何模型文件、燃油箱的晃动规律以及燃油消耗量的变化规律，仿真计算设定过程与上两条所述的不同之处仅是需要把燃油消耗量的变化规律输入到 Flow-3D 中作为计算边界条件，经过计算后，就能够得到燃油箱的重心位置随着飞行姿态和燃油消耗量的不同而变化的规律，从而为合理控制飞机燃油箱耗油顺序提供依据。

图5 Flow-3D计算结果输出示意图

（4）要确定燃油箱的重心位置随着飞行姿态和燃油消耗量的不同而变化的规律，所需要的输入条件是燃油箱的几何模型文件、燃油箱的晃动规律以及燃油消耗量的变化规律，仿真计算设定过程与上两条所述的不同之处仅是需要把燃油消耗量的变化规律输入到 Flow-3D 中作为计算边界条件，经过计算后，就能够得到燃油箱的重心位置随着飞行姿态和燃油消耗量的不同而变化的规律，从而为合理控制飞机燃油箱耗油顺序提供依据。

（5）要确定燃油箱的重心位置随着飞行姿态和燃油消耗量的不同而变化的规律，所需要的输入条件是是燃油箱的几何模型文件、燃油箱的晃动规律以及燃油消耗量的变化规律，仿真计算设定过程与上两条所述的不同之处仅是需要把燃油消耗量的变化规律输入到 Flow-3D 中作为计算边界条件，经过计算后，就能够得到燃油箱的重心位置随着飞行姿态和燃油消耗量的不同而变化的规律，从而为合理控制飞机燃油箱耗油顺序提供依据。

图6 箱体内部液体晃动计算结果

应用案例

由于 Flow-3D 的技术特色，被广泛应用于各类油箱设计开发过程中，很多航空航天飞行器上的复杂燃油系统的油箱设计都采用Flow-3D 的设计。

全球著名的飞机厂商波音公司利用 Flow-3D 进行了一系列的航空航天飞行器燃油箱的设计和仿真。以下是一些公开的图片。

图波音公司Flow-3D仿真燃油箱运动的各类飞行器

图波音公司Flow-3D仿真燃油箱运动的部分结果

安装需求

平台支持
FLOW-3D 支持在 64 位 Windows 和 Linux 平台上

操作系统
■处理器
x86-64 (Intel/AMD)

■操作系统
64-bit Windows 7, Windows 8, Windows 8.1, Windows 10, Windows Server 2008, and Windows Server 2012
64-bit Red Hat Enterprise Linux 6, Red Hat Enterprise Linux 7 and SUSE 11*
*Starting with FLOW-3D version 11.0.3, SUSE Linux is no longer a supported platform.
Support for users who have installed FLOW-3D on “compatible” Linux distributions (such as Fedora, Scientific Linux, Debian, Ubuntu) will only be provided when a problem can be reproduced on Flow Science’s RedHat and Novell enterprise-class Linux distributions.

■FLOW-3D/MP 要求
For those interested in running the distributed-memory version of FLOW-3D, you can find more information about hardware and operating systems on the FLOW-3D/MP Supported Platforms page.

■图形显示支持
FLOW-3D requires modern graphics cards with up-to-date OpenGL drivers to perform satisfactorily. At least OpenGL 3.0 support is recommended.
FlowSight works best with graphics cards supporting DirectX 11 or newer. Recommended options are nVidia’s Quadro K series and AMD’s FirePro W series. nVidia’s GTX gaming hardware works with some limitations, such as slow or incorrect functioning of volume rendering.
例如那些常见的笔记本电脑的集成的显卡可能是足够的但离散图形功能强烈推荐。建议至少 512 MB 的图形内存。

许可证服务器软件
FLOW-3D 使用 FLEXlm 许可证管理。如果您选择使用 Windows 网络上的 FLEXlm 浮动管理器，您的网络服务器必须运行微软 Windows 7，8，8.1，Server 2008 中，或服务器 2012年，你必须使用硬件密钥（加密狗）。

■内存和处理速度
至少有 2 GB 的 RAM 被建议每处理器核心。例如，具有两个 6 核心 Cpu 的工作站应该有至少 24 千兆字节的内存。但是请注意，所需的 RAM 的是高度问题依赖。对于模拟与大的域，或具有复杂几何形状，需要良好的分辨率，明显更多的 RAM 比最低要求将有必要。内存速度有很小的影响，仿真时间和通常 1333年或 1600 MHz 内存是足够的。

■操作系统
Simulation time on Windows and Linux is comparable. Users may choose whichever operating system they prefer.

■开发者工具
Users who wish to customize any of the subroutines that Flow Science distributes as part of the standard installation will need a license for the Intel Fortran Compiler 2013. Users running Windows operating system will also need Visual Studio 2010.

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