基于 xflow 软件建立了喷嘴产品喷射速度、喷射角度、喷射区域和气体流量的分析模型。xflow 采用基于粒子的玻尔兹曼法，与传统的基于网格的流体分析方法相比，xflow 有效的缩短了 cfd 的前处理时间。在 xflow 软件的支持下，我们设计出符合各户需求的喷嘴产品，大大缩短了产品开发周期
1. 前言：
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。 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。
2. 正文
本文将结合喷嘴产品，具体介绍如何通过使用 xflow 快速完成 cfd 模型前处理并且通过 xflow 后处理模块得到想要的结果信息。
2.1. 流体域建立
将数据导入到 abaqus 软件中，检查数据是否完整。根据产品的功能特点创建流体域。本文选择的喷嘴用于表面清洗，需要在喷嘴出口位置创建一个空间，用于气体喷射效果的计算。喷射空间的选取需要谨慎，选择太小，气体会和流体域的表面碰撞，造成分析结果错误，选择太大，会导致计算时间太长。
2.2. 定义求解类型
根据产品的使用特点进行 engine 模块的设置。本文分析的喷嘴产品，流体是从产品内部喷出，因此 kernel 设置为 3d，analysis type 设置为 internal。flow model 的设置中，single phase和 multiphase 都可以满足我们的分析需求。选择 single phase 的缺点在于结果后处理时不可以直观的输出气体的喷射效果。因此 flow model 设置为 multiphase，multiphase model 设置为particle-based tracking。thermal model 设置为 isothermal。
图 1
2.3. 定义初始条件和材料属性
初始条件包括加速度、初始速度和定义流体区域。根据产品使用环境，加速度设置为 y 向9.8m/s2 。初始速度为 0m/s。初始流体的区域定义根据喷嘴端部点的坐标确定。这样可以有效节省计算时间。
喷嘴产品中喷射的只有空气，因此材料 1 和材料 2 都选择的 gas。具体的参数信息如下图所示。
图 2 初始条件
图 3 材料参数
2.4. 定义边界条件与仿真参数
喷射仿真过程中不需要考虑喷嘴的运动，因此 behaviour 设置为 fixed。入口设置为总压
5bar，出口设置为总压 0bar。根据气体大概的速度和流体域的纵向尺寸，估算仿真时间。lattice discretization 模块中，resolved scale 的值要满足横向至少分布 10 个 lattice。refinement algorithm 模块选择 near staticwalls, 这样可以对流体域局部节点细化。在 store data 模块一定要选择 compute markers。 这样后处理才可以用 marker 直观的显示流体喷射效果。
图 4
图 5
2.5. 结果后处理和数据优化
完成模型搭建之后就可以开始计算，为了确保计算结果的准确性，我们会检测入口的总压。
确保总压数值为 5bar。在入口准确的情况下我们可以用 marker 显示气体的喷射情况。由图可知，气体离开喷嘴之后，朝着喷嘴上方流动，完全偏离了喷嘴的正前方区域，如图 6 所示，无法实现清洗。
图 6 入口总压
图 7 喷射效果
通过对气体喷射过程的动画演示，气体喷射方向偏离正前方的原因是喷嘴端部特征设计不合理，我们向设计部门提出具体优化建议，对该产品继续优化。由图 7 可知，优化后的喷嘴能够实现正前方区域的气体喷射。
图 8
资料来源：达索官方
