流体仿真

数字流体仿真或 CFD（计算流体动力）是一种既定的程序，用于在计算机的帮助下分析和解决涉及流体流动性的相关问题。使用这种方法，可以在制造首个原型之前对产品的内外部流场进行虚拟检测。通过这种方式可对设计型号进行仿真分析，并在必要时可通过相应的调整进行优化。在理想情况下，随后只需进行几次必要的测试。因此，CFD 仿真可缩短开发周期并降低相应成本。

CFD 简介

CFD 通过数字方式对流体动力学相关定律进行求证。在几何领域，复杂的偏微分方程组的解析被分解为多个小体积，其通常被称为计算网格

本文的目的是对如何设置典型的 CFD 仿真系统，以及如何在混合和涂覆系统的产品开发过程中对其应用做出概述。

一般而言，典型的 CFD 分析包括三个步骤：

预处理阶段
执行仿真过程
对结果进行后期处理以实现可视化呈现，参数提取和优化过程

预处理阶段

关键字预处理包括在执行实际仿真之前执行的所有活动。首先使用计算机辅助设计 (CAD) 来构建问题的几何体和合适的物理边界。

几何图形的准备和简化：在这个位置，应当对要模拟的流体体积进行提取。在此步骤中，可以删除对相关分析并不重要的几何细节，这样的做法通常是有益的。例如，这些几何细节可以是无流体通过的小孔，弯角或缝隙。这项工作的目的是降低模型的复杂性，并专注基本的细节，从而缩短最终的分析时间和成本，同时也不会降低准确性。

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Figure 1 几何图形的准备和离散的过程

离散化：在第二步中，流体占用的体积被划分为离散单元（网格）。生成的网格应足够精细，以包含主要的物理效应。网格类型最好是以六面体为主，或至少是多面体类型。简单的四面体网格不足以获得满意的结果。

物理模型：根据调查中需要解决的问题类型，可以执行在物理模型和获得数值工作量方面具有不同复杂程度的仿真操作。在最简单的情况下，可使用稳态求解器对层流中不可压缩等温流体的流动情况进行模拟。可以添加多组分或多相流模型，以覆盖一个流体域中多个组分的流动情况。在低粘性材料的情况下，必须开启一个湍流模型。要解决时间相关效应或流量变动的问题，必须使用瞬态求解器。

边界条件和流动性：最后一个步骤包括对所有相关流体的流动性进行定义。在简单的情况下，流动性是指流体的密度和粘度。在涉及热传导和多种材料的更为复杂的情况下，其还包括热膨胀、热容量、表面张力和接触角。操作条件和初始条件是在仿真域的边界上定义的。

执行仿真过程

要运行 CFD 仿真，必须对所谓的纳维-斯托克斯方程进行求解。在物理学中，纳维-斯托克斯方程是表示质量、动量、能量和额外标量场守恒的偏微分方程。

由于这些方程不能直接求解，在其数值的求解过程中使用了有限体积法。由于 CFD 仿真非常耗时，因此在高性能计算集群上对其进行并行运行将非常有益。

文章33图2

Figure 2 纳维-斯托克斯动量方程的对流形式

后处理

后处理是指对 CFD 仿真结果做出评估。这可以通过轮廓、矢量或简化图、视频方式形象地呈现出来，或是通过数值表以定量方式来实现。与所有数值模拟一样，建议对数值结果的合理性做出证明。这可以通过将其与大致的人工计算结果或类似设计的测量数据进行比较来实现。

定性流分析通常以轮廓或矢量图等图形方式进行。一般而言，压力和速度场是主要关注的问题。在混合头的仿真中，需要混合的组分浓度场是相关要素。可对这些图进行分析以找到关键区域，例如存在高压损失或几乎没有流量的多余的死区。

有关变量或流量参数(例如：混合质量或压力损失)的定量流分析通常在模拟域内的预先规定的位置进行确定。例如，在静态混合头的仿真中，对混合头长度部位的混合质量进行评估是很有意义的。在瞬态仿真的情况下，这些值也可以根据时间进行评估。

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Figure 3 在静态混合头中的混合质量

定量和定性评估的组合如Figure 3所示。这里，底层图片是静态混合头中组分 B 的质量分数的等高线图。叠加的蓝色曲线显示了 CoV（变异系数）的变化情况，这是对混合头长度部位混合质量的衡量结果。虽然混合头的顶端和混合头出口部位的 CoV 保持不变（无混合），但如果用对数绘制 CoV，混合单元中的 CoV 则几乎呈线性方式下降。

CFD 相对于测量的优势及其局限性

如今，从包括医学研究到工程在内的几乎所有领域都可以发现 CFD 的身影。由于使用 CFD，因此可实现一些重要的优势：

CFD 可作为各种设计的预评估定性工具使用。设计师和分析师可以用数字方式研究原型，然后仅对那些有希望前景的原型开展试验。这将大大减少开发过程中的时间和成本。
CFD 可对难以通过测量方式进行分析，或测量方式甚至会导致危险（例如对危险物质进行测试）的分析提供有关流量问题的相关结果。
CFD 能够在超出限制条件的情况下对产品或系统进行研究。了解系统在使用不当时可能出现的反应会很有趣。
CFD 可在不干扰流体本身的情况下观察流动性，这在传统测量仪器中并非总是可行的。
CFD 生成的彩色图片和图形有助于了解系统。最后，它还可以用于营销目的，可以用于开发合作伙伴，帮助其对产品的功能加以了解。

最新型的 CFD 求解器可以处理各种不同的物理模型。但随着复杂性的增加（多相、多组分、化学反应，等等）和高度瞬态的行为，这将导致在不同时间尺度的情况下，为了得到一个有意义的结果，获得相关数值的工作量显著增加。此外，由于各种原因，相关流体的特定流动性细节是未知的，或者是处于保密状态。即使是最复杂的 CFD 模型也只是真实场景的一个极好的简化而已。

因此在许多情况下，测量仍然是优选的手段，也是验证仿真模型的一个特别重要的资源。通常实现的结果是，最佳的开发成果是通过考虑周全的仿真和测量结果相组合而实现的。

关于作者：

“Joachim Schöck 在 Sulzer Mixpac 和 medmix Switzerland AG 担任高级技术专家已有 12 年时间。他的主要工作是对高精度应用和混合系统进行优化和进一步研发。这项工作在很大程度上是使用 CFD 和 FEM 等现代仿真工具完成的。其另一个工作重点是进一步开发可预测 2K 粘合剂和密封剂混合质量的测试方法。”

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