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利用CFD软件的自动建模功能模拟移动的物体对气流的影响

2015年07月05日 聚焦机电 阅读 1,716 views 次

工程师们可以利用CFD软件模拟气流在环境中的流动。但是大多数CFD软件在做模拟时需要工程师手动划分有限元网格,并定义边界条件。工程师们必须提前预测何处会产生流场,以便提前对网格进行细化,以确保得到精确的计算结果。这也就意味着面对同一个模拟,两个不同的人划分出来的网格是不同的,因此计算出来的结果也就会存在差异。同时在复杂的环境中,当有移动的物体时,很难预测何处会产生流场。

飞机的机舱是一个复杂的几何结构,包含了很多部件。因此,机舱内部的流场非常复杂。领英公司的软件工程师Middleton, Wis.开发了一款专门用于机舱内部气流模拟的软件Converge,这款软件使得研究人员和工程师们计算机舱内部气流的动态变得非常简单。这款软件可以自动生成有限元网格,大大减少了分析所需要的时间。

不久,这款软件就将应用于商业客机的开发上,以帮助工程师提高对机舱内冷热气流及气流过滤的分析效率。机舱内一个好的环境控制系统能够提高乘客的乘坐舒适性,并降低致病菌的传播速度,这款软件在分析时可以将机舱内环境控制系统对舱内环境的控制加入到分析中。

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上图的模拟显示的是对病原体扩散的研究。此示例模型包含了几排座椅,一个行走的乘客,及环境控制系统的反馈。在建立模型时使用了对称单元,以减少分析工作量。

当执行CFD分析时,分析者导入STL格式的机舱和乘客模型,然后定义边界条件。边界条件中需要包含详细的乘客运动信息和环境控制系统信息,环境控制系统中定义了机舱内每个座位上方气流的运动状态。当计算机开始执行模型的分析计算时,软件将在每个时间载荷步中重新划分新的网格,从而使对流体和运动的分析就像做静力分析一样简单。

分析者在生成模型分析结果的后处理动画时可以定义被动量,这样分析者就可以看到被动流动和主动流动之间是如何相互影响的。例如,对于一个机舱模型,软件可以追踪两个被动量:一个显示环境控制系统的空气流动,另一个显示乘客的呼吸气流。

计算结果的精确度依赖于网格的精度,但是对于一个机舱模型来说,由于模型太大,我们不可能在所有的地方均建立精确的网格模型。因此软件仅仅在需要关注的地方添加网格元素。如果需要对模型中重要的部位进行网格细化,分析者可以使用边界重置(boundary-embedding)工具。软件中还包含了一个自适应网格细化工具,在每一个时间载荷步中,当软件发现比较大的梯度变化时,将自动对相应的部位进行网格细化。这样就可以使用尽可能短的计算时间,得到尽可能大的计算精度。在本机舱模型的例子中,软件对环境控制系统的出气口和乘客的呼吸区进行了自适应网格细化,总共得到了七百万个有限元单元。

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上图为一个乘客模型的截图,这个模型显示了当一个人以2米每秒的速度行走时,他所呼出的气体是如何扩散的。人的嘴部作为一个进气口被定义为一个单独的边界区域,这个区域会吸入环境中的污染物。

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上图显示的是一个行走中乘客的模型。通过软件的自适应网格细化功能对仿真进行了网格细化,软件自动对行走中的乘客及其周边的边界条件进行了网格细化。同样对梯度变换比较大的环境控制系统的出气口处,软件也自动进行了自适应网格细化。

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