CFD流场与多物理场耦合仿真 CFD FLOW FIELD AND MULTIPHYSICS COUPLING SIMULATION

1 概述

CFD（计算流体力学）作为多物理场耦合的核心工具，通过集成流体流动、传热、化学反应、电磁场、结构力学等物理过程的相互作用，可解决复杂工程系统中的多场交互问题。随着计算机硬件技术的不断升级，针对大规模并行的CFD多场耦合计算也越来越多的被应用于复杂的工程设计，已成为不同规模尺度产品设计验证的必要手段。

2 典型应用场景

海基科技的CFD咨询服务团队创建于1998年，所实施的CFD咨询项目涉及航空、航天、汽车、核电、兵器、船舶、电力、电子、能源、化工、油气、冶金、机械等多个领域，通过经验丰富的咨询专家团队与用户一起迎接复杂的CFD工程挑战，基于丰富的CFD仿真工具和工程应用经验，为客户提供高难度的、具有前瞻性的仿真解决方案，通过具有工程实用价值的仿真技术咨询服务协助客户应对复杂的工程设计挑战。

图 2‑1 三维CFD及多场耦合典型应用场景

3 成功案例

3.1 反应堆热工水力分析

通过针对堆顶固定屏蔽、旋塞、控制棒驱动机构和氩气空间等复杂核心结构，采取分区精细化建模策略，实现对多部件堆本体结构的系统性三维建模，从而在几何层面精准还原反应堆内部复杂构造，为高精度物理场分析奠定坚实基础。在此基础上，依托高性能计算平台，完成超过5亿网格规模的复杂系统热工水力仿真计算，攻克结构复杂、网格量大的技术挑战，实现了反应堆内跨尺度流动、自然对流与热辐射等物理过程的精确建模与耦合分析，构建覆盖“设计‑验证‑优化”全流程的一体化仿真方案，不仅为池式钠冷快堆设计提供持续优化支持，还在压水堆、微堆、铅铋堆等多种堆型的热工水力分析与优化验证中积累了丰富工程经验，形成了可复制、可推广的完整技术解决方案。

图 3‑1 钠冷快堆热工水力分析

3.2 关键设备的流动、相变及化学反应分析

开展釜式蒸发器加热结构和净化装置的数值模拟与优化工作，涵盖开车预热、停车冷却、清蒸、蒸发脱硝等包含相变、化学反应和多相流的复杂瞬态过程建模分析，确定最优釜式蒸发器结构形式，为后续验证研究与工程设计提供依据。

图 3‑2 蒸汽相分布图 3‑3 速度分布

采用蒸发法处理中低放射性废液后所得蒸残液，进一步通过喷雾干燥技术处理可显著提升减容效果。基于喷雾干燥器的工作原理及相关参数，对不同结构类型干燥器的干燥过程开展仿真模拟。通过用户自定义函数（UDF）依据硝酸钠溶液干燥速率曲线编译自定义蒸发/沸腾模型，并启用欧拉壁面液膜（EWF）模型模拟液滴碰撞后的成膜、流动及潜在飞溅行为。对喷雾干燥器内部温度场、热风与液滴的混合场进行仿真计算，结合结果分析评估干燥效果，确定最优干燥方案，最终完成干燥器的设计定型。

图 3‑4 不同粒径颗粒出口含水率变化图 3‑5 干燥器测点温度结果对比

3.3 气溶胶扩散迁移特性分析

在综合考虑通风、负压控制与源项泄露等扩散迁移条件的基础上，对密闭舱室内气溶胶扩散迁移过程开展模拟分析与仿真验证，并进一步扩展至包含多分区房间的大型厂房，研究其在气溶胶源项释放与通风移除条件下的扩散迁移规律。通过调整负压梯度、优化核心通风布置参数等方式，开展多方案对比与优化，最终形成通风口布置优化方案，显著提升了厂房内气溶胶的浓度衰减效率。

图 3‑6 下监测点气溶胶颗粒质量分数变化曲线对比

3.4 发动机泵阀零部件及三维系统性能分析

SimericsMP+ 通过其专业化泵阀模板、高精度物理模型与高效的动网格技术，能够在发动机泵阀零部件的设计阶段，精准预测其流动特性，显著减少试验成本，缩短开发周期，已在发动机燃油、润滑、冷却及进排气系统关键部件及三维系统性能优化中得到了大量成熟的应用。

图 3‑7 复杂阀门运动过程空化模拟图 3‑8 润滑系统三维CFD模拟

3.5 压缩机零部件性能分析

SimericsMP+内置的专用压缩机模板与动网格技术，可对转子、滑片、涡旋盘等运动部件进行高保真瞬态仿真，精准捕捉工作腔内的压力脉动、流量特性与温度场分布。软件能够模拟包括气液两相流、润滑油混合、真实气体效应在内的复杂物理过程，并可对压缩机的补气效应进行模拟分析。借助其参数化建模与多工况分析能力，可对叶轮、扩压器、阀门、补气结构等关键部件进行多方案对比与优化，从而提升压缩机效率、降低噪声与振动，并为耐久性评估与系统匹配提供关键数据支持。

图 3‑9 滑板补气滚动活塞压缩机性能分析图 3‑10 离心压气机性能验证

3.6 冷却系统灌注模拟分析

通过构建整车冷却系统灌注、排气过程的仿真模型，完成整车冷却水路除气性能仿真与方案优化，对包含自流加注及除气阶段、真空加注阶段的加注速率、除气时间、除气速率，急减速阶段的膨胀箱内部压力及液面变化情况、失水工况膨胀箱内部压力变化及出口气泡情况等数据进行分析和多参数优化，最终对整车冷却系统的结构和灌注方案进行合理优化。

图 3‑11 冷却系统灌注模拟

3.7 流体机械设备的流固共轭传热分析

利用混合时间尺度耦合方法，解决流体机械设备热量传递过程中的时间尺度问题，快速获得热平衡计算结果。如对于电机整体模拟，可以同时计算两个不同时间尺度、不同时间范围的模型，快速获得电机内部油液分布情况并进行热传导计算。

图 3‑12 油冷电机油液分布

图 3‑13 油冷电机流固共轭传热模拟

3.8 变速箱齿轮搅油分析

基于SimericsMP+的通用齿轮模板动网格技术和边界层网格加密技术可以对齿轮副在旋转啮合过程中的网格啮合运动进行精确建模，结合VOF多相流分析技术可以精确刻画齿轮在箱体油液中的动态搅动行为，分析润滑油在齿轮啮合、溅射、挤压与飞溅过程中形成的复杂多相流场，并评估搅油损失、温升效应与油液分布均匀性。通过参数化仿真与多工况对比，可优化齿轮浸油深度、箱体结构与挡油板设计，从而显著降低齿轮传动中的搅油功率损失，提升润滑效率与系统可靠性。

图 3‑14变速箱齿轮搅油润滑分析图 3‑15 行星齿轮搅油

3.9 轴承润滑系统动态油膜润滑及空化性能仿真

通过基于多体动力学与CFD流体仿真的耦合，实现了润滑轴承油膜随滑动轴承运动轨迹变化而引起的微米级油膜变形流场分析，可获得更接近真实运行情况的润滑系统轴承油膜的流量、压力、速度、空化等计算结果。通过对润滑系统微米级油膜流道的仿真建模分析，可以较为详细的分析运动轨迹对于润滑系统性能的影响、润滑系统结构参数对于润滑系统性能的影响以及润滑系统油膜厚度对于润滑系统性能的影响，为润滑系统的优化改进提供改进依据。

图 3‑16 基于多体动力学与CFD耦合的轴承油膜空化模拟

3.10 贮箱晃动蒸发及微重力性能分析

Flow3D 凭借其精确的自由液面捕捉技术和多物理场耦合能力，在贮箱晃动蒸发及微重力性能分析中发挥关键作用。在晃动蒸发方面，它能模拟贮箱在外部激励下液体晃动、飞溅导致的自由液面相变与传热过程，准确预测因动态晃动加剧的蒸发效应及气相空间压力变化。在微重力性能分析中，其表面张力、毛细力及相变模型可有效模拟太空环境下液体的迁移、聚集、气液相分布及低重力条件下的蒸发冷凝行为，为航天器推进剂管理、热控系统及在轨流体传输设计提供高置信度的仿真依据。

图 3‑17 低重力下的储罐增压过程模拟（伴随气泡变化）

3.11 整车外气动及热管理分析

SimericsMP+ 在整车外气动与热管理分析中展现了卓越的多场耦合仿真能力，其内置的整车模板及自适应网格贴体技术有效将整车外气动（包含发动机潜藏）网格建模时间缩短至小时级，高并行求解能力及高精度湍流模型可快速精确模拟车辆高速行驶时的复杂外部流场，提供精确的气动阻力、升力及风噪分析，为车身造型优化与气动附件设计提供关键依据。在热管理方面，软件能够耦合发动机舱、电池包、散热器等关键部件，模拟行进中的对流换热、辐射传热及内部冷却液流动，有效评估格栅进风、散热器效率及舱内热害风险。

图 3‑18 精确的网格解析

图 3‑19 阻力系数验证

图 3‑20 整车热管理

3.12 车窗水管理及涉水分析

在车窗水管理及涉水分析中，通过高精度多相流仿真技术，为车辆外部水流行为提供了专业解决方案。在水管理方面，精确模拟雨天工况下前挡风玻璃、侧窗及外后视镜区域的雨水流动路径、积聚与飞溅效应，评估雨刮系统的刮刷效率、A柱溢流特性及侧窗污染趋势，从而优化玻璃型面、导水槽及车身密封条设计，有效保障驾驶员视野清晰度。在涉水分析中，可仿真车辆通过不同深度积水路面时的瞬态流场，预测水流冲击对底盘、轮舱、进气口等关键区域的影响，评估水花飞溅高度、电器部件溅湿风险及进气系统进水可能性，为整车涉水安全性与防护设计提供关键数据支撑。

图 3‑21 车窗水管理图 3‑22 涉水模拟

3.13 螺旋桨及水下物体水动力分析

对螺旋桨在敞水、水洞、非均匀来流等工况下的瞬态水动力性能进行高保真模拟，精准预报推力、扭矩、空泡形态、位置及脉动压力，为螺旋桨的增效降噪与空蚀防护设计提供关键依据。对于水下航行体、舵、支架等结构，分析其在不同航速、攻角下的阻力、升力及流场细节。通过全空化分析模型的应用，有效预测航行体表面空化、通气超空泡等特殊流动状态，为水下装备的水动力优化、振动噪声控制及运行稳定性评估提供高精度数值分析工具。

图 3‑23 螺旋桨汽蚀损害位置模拟与试验对比

图 3‑24 螺旋桨非均匀来流模拟图 3‑25 螺旋桨进速系数与推力系数结果对比验证

3.14 船舶水动力性能分析

通过专业的船舶模板可以快速构建船舶水动力分析的高精度网格模型，利用六自由度运动模拟、动网格技术、多相流仿真分析技术可精确模拟船舶阻力、船舶在波浪中的纵摇、横摇、垂荡等响应。动网格及运动机械模板技术可以独立处理螺旋桨、舵、减摇鳍等运动部件与船体的相对运动，精确模拟船‑桨‑舵耦合工况，如船舶回转、Z形操纵等过程，预报回转直径、横倾角等关键参数，分析舵在不同舵角、航速下的水动力特性。同时还可以对船舶破损后的舱内进水、船体姿态变化及稳性衰减过程进行高精度瞬态模拟。

图 3‑26 转舵过程速度矢量值对比

图 3‑27 耐波性模拟分析图 3‑28 船舶破舱模拟

图 3‑29 船舶稳定性分析