一維熱流體系統(tǒng)仿真軟件Flownex建模和仿真高級(jí)技巧應(yīng)用

導(dǎo)讀：Flownex是一款符合ISO 9001:2008標(biāo)準(zhǔn)和核電設(shè)施質(zhì)量保證要求（NQA1）的系統(tǒng)級(jí)熱流體仿真軟件，能快速、準(zhǔn)確、高效地模擬復(fù)雜的熱流動(dòng)環(huán)境，并對(duì)復(fù)雜的熱流系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

當(dāng)前，F(xiàn)lownex具有強(qiáng)大的仿真能力，可以計(jì)算氣體、液體、氣體混合物以及均勻兩相流的流動(dòng)；它能夠模擬分析快速變化及慢速變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程；還能夠計(jì)算流體和固體之間的熱交換，計(jì)算系統(tǒng)各元件的壓力變化和換熱情況；并且能夠在仿真系統(tǒng)中添加各種控制元件，對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)仿真；還具有強(qiáng)大的用戶圖形界面和輸出能力，能與Excel、Ansys、MATLAB、Simulink、Labview等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或交互計(jì)算；在核工業(yè)、石油化工、能源電力系統(tǒng)、航空航天以及暖通空調(diào)等方面均有廣泛的應(yīng)用。

一、Flownex特色功能

1、豐富的元件庫(kù)和材料庫(kù)

作為系統(tǒng)級(jí)熱流體仿真軟件，F(xiàn)lownex提供了豐富的元件庫(kù)，包括管、閥、容器、旋轉(zhuǎn)機(jī)械（泵和渦輪等）、熱交換器以及機(jī)械結(jié)構(gòu)等大量的基本元件，用戶可以利用各種元件搭建理想的仿真模型；同時(shí)，F(xiàn)lownex還提供了大量的材料庫(kù)，包含了大量的氣體、液體、兩相流體以及其它材料（如金屬）的屬性，用戶可以選擇相應(yīng)的工質(zhì)，保證仿真結(jié)果的可靠性；此外，F(xiàn)lownex還提供了大量的閥、泵、壓縮機(jī)和渦輪的特性曲線，用戶也可以添加實(shí)際的自定義特性曲線，使仿真結(jié)果更為準(zhǔn)確。

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2、快速高效的求解算法

Flownex采用隱式壓力校正算法（IPCM），無(wú)論是計(jì)算穩(wěn)態(tài)過(guò)程還是瞬態(tài)過(guò)程，具有非常高的計(jì)算效率以及數(shù)值穩(wěn)定性。

3、多種換熱模型

Flownex提供了多種換熱模型，用戶可以根據(jù)需求選用熱交換器元件，例如蒸發(fā)器、翅片式換熱器、管殼式換熱器、同流式換熱器等，確保仿真模型接近于實(shí)際工況；另外，用戶還可以采用換熱模型計(jì)算換熱量，包括熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、輻射換熱以及氣膜冷卻等，尤其是氣膜冷卻，對(duì)于計(jì)算燃燒室冷卻和渦輪冷卻計(jì)算是十分重要的。

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4、控制過(guò)程仿真

Flownex提供了控制模塊，用戶可以在仿真系統(tǒng)中添加各種控制元件，如控制器、濾波器、開關(guān)等模擬元件；計(jì)算器、邏輯門、定時(shí)器等數(shù)字組件；以及模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換等轉(zhuǎn)換器。根據(jù)需求設(shè)定控制目標(biāo)和控制策略，利用Flownex對(duì)控制過(guò)程中系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行模擬。

5、分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化功能

Flownex在仿真的基礎(chǔ)上，還提供了分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化的功能。用戶可以對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，可以設(shè)定具體目標(biāo)（如流量）、設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)（如閥門開度），也可以進(jìn)行壓氣機(jī)和渦輪的功率匹配，還可以給定目標(biāo)（如最大值或最小值），確定最佳工作點(diǎn)或控制策略。

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6、第三方軟件交互計(jì)算

Flownex具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以通過(guò)建立子系統(tǒng)來(lái)模擬復(fù)雜的系統(tǒng)；可以與Excel、ANSYS Mechanical、ANSYS Fluent、MATLAB、Simulink、Labview等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或交互計(jì)算。

7、實(shí)用的后處理技術(shù)

Flownex提供了強(qiáng)大的后處理功能，不僅提供了柱狀圖、折線圖、餅圖等常規(guī)的可視化功能，還提供了儀表、開關(guān)、進(jìn)度條等簡(jiǎn)單實(shí)用的操作可視化元件。用戶可以利用開關(guān)控制泵的啟動(dòng)和關(guān)閉，通過(guò)進(jìn)度條控制閥門的開度等。Flownex還提供了三維視圖，可以更加直觀的感受管網(wǎng)系統(tǒng)的分布，另外，還可以借助Google map地理信息，快速建立石油天然氣等管道運(yùn)輸系統(tǒng)，提高工作效率。

二、Flownex典型案例應(yīng)用

Flownex在各行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，在核工業(yè)領(lǐng)域，可以對(duì)球床模塊高溫氣冷堆（PBMR）、水循環(huán)、蒸汽渦輪循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析；在航空航天領(lǐng)域，可以計(jì)算燃燒火焰溫度，換熱以及氣膜冷卻過(guò)程、壓氣機(jī)-渦輪性能匹配、噴管流動(dòng)、空中加油系統(tǒng)等；在能源動(dòng)力領(lǐng)域，可以模擬蒸汽余熱發(fā)生器、換熱器、鍋爐、蒸汽渦輪系統(tǒng)；在石油化工領(lǐng)域，可以模擬管路系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)過(guò)程以及熱管破裂問題；在暖通空調(diào)領(lǐng)域，可以模擬建筑物空氣系統(tǒng)、制冷機(jī)組以及熱交換器等。

（1）空調(diào)制冷系統(tǒng)仿真計(jì)算

空調(diào)系統(tǒng)仿真計(jì)算

（2）采礦作業(yè)井下通風(fēng)/給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（3）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)仿真模型

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

（4）火電廠熱平衡計(jì)算

燃?xì)?蒸汽循環(huán)系統(tǒng)仿真

（5）高溫氣冷堆熱力計(jì)算

PBMR熱力系統(tǒng)仿真系統(tǒng)圖

球床反應(yīng)堆計(jì)算元件

（6）核電站熱平衡計(jì)算

一回路和二回路循環(huán)的熱平衡計(jì)算

（7）空氣冷卻器設(shè)計(jì)

空氣冷卻器仿真圖

各分支流量平衡計(jì)算結(jié)果

（8）石油管路系統(tǒng)仿真

石油管路系統(tǒng)仿真圖

原油溫度變化時(shí)管路系統(tǒng)仿真結(jié)果

（9）LNG儲(chǔ)罐存儲(chǔ)與運(yùn)輸

LNG加氣站加氣過(guò)程仿真結(jié)果

（10）航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能分析

發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能仿真

地面狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真

（11）航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室換熱計(jì)算

燃燒室換熱計(jì)算基本元件

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室火焰筒物理模型

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室流動(dòng)與換熱仿真圖

發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒壁面溫度分布（藍(lán)色為燃?xì)鉁囟?，紅色為火焰筒壁面溫度）

E3核心機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)圖

E3燃燒室換熱仿真模型

不同工況下E3燃燒室火焰筒壁面溫度分布

（12）二次空氣系統(tǒng)計(jì)算

渦輪間隙流動(dòng)仿真

渦輪內(nèi)部冷卻氣流流動(dòng)仿真

（13）汽車熱管理仿真

汽車整車的熱管理仿真

（14）Flownex-ANSYS聯(lián)合仿真

Flownex-ANSYS耦合示意圖

當(dāng)前，F(xiàn)lownex能夠與Fluent、Mechanical單獨(dú)耦合計(jì)算，也可以將Flownex與Workbench進(jìn)行聯(lián)合仿真。

Flownex-Workbench耦合

審核編輯：劉清