Simulent 材料噴涂與自由表面流仿真分析

1、中仿科技公司CnTechCo.,Ltd材料噴涂與自由表面流仿真分析軟件Simulent介紹 一、Simulent軟件概況隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)由原來(lái)的簡(jiǎn)單機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到了智能化自動(dòng)化大規(guī)模高精度生產(chǎn)的時(shí)代。同時(shí)伴隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的提升和互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，工業(yè)制造對(duì)材料噴涂、液滴流固耦合及粉末等離子耦合的需求也提高了。因此人們借助先進(jìn)的技術(shù)手段，運(yùn)用先進(jìn)的材料噴涂與液滴耦合仿真分析軟件Simulent進(jìn)行虛擬預(yù)測(cè)，優(yōu)化噴涂設(shè)計(jì)，最終達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益。中仿科技依托中仿FEMAG研發(fā)中心，將國(guó)際一流的數(shù)值算法及數(shù)字仿真技術(shù)引入中國(guó)。其中Simulent系列軟件產(chǎn)品在研發(fā)中心廣泛應(yīng)用于材

2、料科學(xué)領(lǐng)域，讓高端設(shè)備、材料科學(xué)及科學(xué)研究更富有競(jìng)爭(zhēng)力，提供了中國(guó)領(lǐng)先的材料科學(xué)數(shù)值模擬分析軟件和系統(tǒng)解決方案。Simulent是國(guó)際上領(lǐng)先的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件開發(fā)和工程咨詢公司,為熱流體系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供最專業(yè)的解決方案。中仿科技公司與加拿大Simulent 軟件公司達(dá)成戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，成為其在中國(guó)區(qū)的戰(zhàn)略伙伴，負(fù)責(zé)CAE仿真軟件Simulent在中國(guó)區(qū)的業(yè)務(wù)。Simulent提供核心軟件和特定的模塊來(lái)滿足行業(yè)最復(fù)雜的熱流體問題，可模擬各種流體噴霧仿真和液滴耦合運(yùn)動(dòng)。廣泛應(yīng)用于能源采礦、航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)藥以及科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。中仿科技和Simulent公司攜手為我

3、國(guó)的企業(yè)和科研用戶提供全球最先進(jìn)的數(shù)值模擬產(chǎn)品和服務(wù)。Simulent是一款材料噴涂與自由表面流模擬仿真分析的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件，軟件產(chǎn)品有SimSpray、SimCoat、SimDrop、SimSlosh、SimPlasma及SimFill。自由表面流仿真分析軟件結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。 圖1.1 材料噴涂與自由表面流仿真分析軟件結(jié)構(gòu)圖目前Simulent軟件包括下列產(chǎn)品：SimSpray噴霧及霧化動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件SimCoat表面涂層仿真分析軟件SimDrop液滴碰撞仿真分析軟件SimSlosh液體晃動(dòng)流固耦合仿真分析軟件SimPlasma等離子體仿真分析軟件SimFill填充噴

4、淋的仿真分析軟件 Simulent軟件可以高效地模擬材料噴涂過程及液滴碰撞效果，有力地促進(jìn)了材料噴涂與液滴耦合技術(shù)的相關(guān)生產(chǎn)與研發(fā)工作。Simulent可以解決復(fù)雜的材料噴涂與自由表面流的相關(guān)的動(dòng)力學(xué)問題，優(yōu)化不同設(shè)計(jì)性能，降低原型設(shè)計(jì)的時(shí)間、成本費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。二、Simulent軟件產(chǎn)品2.1 SimSpray軟件SimSpray是一款在虛擬環(huán)境中用于設(shè)計(jì)和測(cè)試噴霧嘴的噴霧及霧化動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。對(duì)各種流體（含化學(xué)反應(yīng)流）的噴霧過程及噴嘴進(jìn)行模擬仿真，精確預(yù)測(cè)噴嘴霧化結(jié)果。由于噴霧系統(tǒng)里復(fù)雜的流動(dòng)，目前還沒有精確的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)噴嘴噴霧的特性。當(dāng)前噴霧嘴的設(shè)計(jì)都是基于試驗(yàn)性測(cè)量，這個(gè)過程消耗了

5、大量的時(shí)間，也付出了昂貴的代價(jià)。這個(gè)仿真分析軟件使用三維模型，將N-S方程中的網(wǎng)格離散與分段線性的追蹤算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜形狀自由面的跟蹤，也能夠精確地預(yù)測(cè)所得到的噴嘴使用流量的噴霧模擬情況。圖2.1是計(jì)算機(jī)模擬的關(guān)于Kraft在余熱回收方面的一個(gè)噴霧器的噴霧仿真模擬圖像。 圖2.1 噴霧器的噴霧模擬圖像2.1.1 SimSpray軟件應(yīng)用及特征 SimSpray軟件應(yīng)用于：·設(shè)計(jì)新的噴嘴   ·改善目前的噴嘴設(shè)計(jì) 圖2.2 應(yīng)用SimSpray軟件設(shè)計(jì)新噴嘴和優(yōu)化設(shè)計(jì)的噴嘴·模擬噴嘴的流動(dòng)特性·模擬噴嘴出口處膜厚度和速

6、度分布·建立噴霧角度和噴霧模式在不同的操作條件。一些具體的行業(yè)應(yīng)用主要有：噴霧燃燒爐中，燃?xì)鉁u輪機(jī)，火箭;噴霧冷卻;粉狀冶金;噴漆，農(nóng)業(yè)噴灑;火噴頭。SimSpray能夠模擬各種類型的流動(dòng)和噴霧的噴霧系統(tǒng)，諸如防濺板的噴嘴，旋流噴嘴和加壓噴霧噴嘴。該方案穩(wěn)健和有效的促進(jìn)了連接接口直接向預(yù)處理器（ICEM-CFD）導(dǎo)入形狀復(fù)雜的噴嘴，建設(shè)正確的網(wǎng)格，并輸入初始和邊界條件，輸出文件用Tecplot軟件進(jìn)行后處理。2.1.2 SimSpray軟件優(yōu)勢(shì)·SimSpray是國(guó)際上模擬分解和霧化過程的最專業(yè)軟件·基于每個(gè)客戶的應(yīng)用簡(jiǎn)化了用戶界面和數(shù)據(jù)輸入頁(yè)面¾

7、83;針對(duì)準(zhǔn)確實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證¾·使用有效數(shù)值和實(shí)證模型¾·Simulent在處理噴霧霧化問題上有超過20年的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn) 2.1.3 SimSpray模塊SimSpray包括幾個(gè)模塊:·對(duì)噴嘴內(nèi)部流模塊設(shè)計(jì)·初步分解模塊:統(tǒng)計(jì)模塊·霧化模塊噴嘴設(shè)計(jì)使用流體體積算法在噴嘴口處建模。初步分解模塊確定噴霧液滴尺寸和出口速度分布。噴霧模塊確定噴霧分散、液滴尺寸和速度分布圖2.3 SimSpray軟件模塊分布圖2.2 SimCoat軟件 SimCoat是一款對(duì)材料表面噴涂的仿真分析軟件。諸如厚度，粗糙度以及孔隙率，幫助用戶制

8、定合理的噴射涂層的工藝，可以計(jì)算出算出被覆層厚度，粗糙度和固定或移動(dòng)的基片上的任何期望位置的孔隙率，無(wú)論使用固定或是移動(dòng)的噴槍，可以計(jì)算出每一個(gè)注射質(zhì)點(diǎn)的初始速率，直徑和溫度，并對(duì)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出平均差和標(biāo)準(zhǔn)差。適用于分析和開發(fā)不同種類的液體以及熔化的金屬用于噴射涂層。SimCoat計(jì)算初始速度，直徑和溫度對(duì)每個(gè)注入的粒子，給出的平均和標(biāo)準(zhǔn)偏差等這些參數(shù)。 SimCoat基于笛卡爾網(wǎng)格定義計(jì)算域和追蹤的形狀和位置的涂層表面。中仿科技公司曾多次承擔(dān)國(guó)家科技部創(chuàng)新基金項(xiàng)目，其中在材料科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域與中航工業(yè)北京航空材料研究院在高端設(shè)備的涂料研制、性能測(cè)試及應(yīng)用中仿CAE仿真軟件進(jìn)行表面噴涂過程模擬等合

9、作。獲得了各類普通涂料與功能涂料在噴涂模擬、填料設(shè)計(jì)及改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)方面的顯著成果，技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。用SimCoat軟件模擬1000 x 500微米鎳噴槍以x恒定速度為0.2米/秒移動(dòng)形成效果圖如圖2.4 所示. 圖2.4 模擬1000 x 500微米鎳噴槍在x方向上以恒定速度0.2m/s移動(dòng)形成的效果2.2.1 SimCoat軟件應(yīng)用SimCoat軟件應(yīng)用于：· 開發(fā)多種類型的液體和金屬熔液的涂覆應(yīng)用· 確定最佳的參數(shù)和特性（如液滴速度，粒徑分布，液體和基片的溫度）· 用于確定涂層中的熱應(yīng)力· 建模金屬和陶瓷涂層(a) SimCoat模擬圖像 (b

10、)顯微照片圖像圖2.5等離子噴槍中的鎳粒子沉積固定在基片上2.3 SimDrop軟件SimDrop是一款專門的用于分析各種液滴碰撞情景仿真分析軟件工具。SimDrop基于流體體積法對(duì)各種單一及多液滴與壁面撞擊進(jìn)行模擬仿真，這個(gè)應(yīng)用程序也解決了傳熱方程,模擬了熔融材料的凝固問題。SimDrop基于一個(gè)強(qiáng)健的、自由表面建模技術(shù),稱為體積流體技術(shù)。用SimDrop模擬熔鎳液滴如圖2.6所示。 圖2.6 模擬熔鎳液滴在熱表面上的影響2.3.1 SimDrop軟件應(yīng)用·找到基片上凝固液體的厚度·設(shè)計(jì)新的農(nóng)業(yè)噴淋系統(tǒng)·涂層、冷卻系統(tǒng)涂裝系統(tǒng)和其他涂料應(yīng)用2.3.2 SimDr

11、op軟件特點(diǎn)·分析各種液體的影響 錫滴的傳熱與凝固影響 水滴的傳熱影響 ·確定最佳的噴嘴參數(shù)和特性，如液滴速度大小分布和理想的液體溫度·包含不同的液體和基片材料的文庫(kù)·允許用戶創(chuàng)建自己的屬性文件庫(kù)圖2.7 熱梯度下的3D電影的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2.3.3 SimDrop軟件優(yōu)點(diǎn)·可以模擬任何類型的液滴撞擊和固化的情況以及任何類型角度的表面。·節(jié)省時(shí)間和試驗(yàn)成本·模擬整個(gè)下落撞擊過程（包括沉積和單個(gè)或多個(gè)液滴凝固成角度的基片上）·自由表面流分析·液體飛濺的建模·衛(wèi)星滴的形成·傳熱·相變

12、2.4 SimSlosh軟件 SimSlosh是一款使用耦合技術(shù)分析模擬動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)和容器中的液體晃動(dòng)仿真分析軟件。SimSlosh模擬運(yùn)動(dòng)液體容器的流固耦合（晃蕩）問題，耦合處理容器中的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)與流體晃蕩。例如為了設(shè)計(jì)更安全的油罐卡車和機(jī)動(dòng)車油箱進(jìn)行仿真分析?；蝿?dòng)會(huì)導(dǎo)致:·攜帶液體的油輪晃動(dòng)·在嚴(yán)重情況下車輛的翻轉(zhuǎn)·汽車油箱里生產(chǎn)噪聲·在微重力情況下航天器推進(jìn)劑的安全問題·在地震條件下核反應(yīng)堆的安全問題圖2.8是模擬微重力環(huán)境下球形容器減速度為0.01 m/s2 下的液體晃動(dòng)，圖2.9是模擬汽車燃料箱的燃料晃動(dòng)。 圖2.8模擬微重力環(huán)境下球形容器

13、的液體晃動(dòng) 圖2.9 模擬汽車燃料箱的燃料晃動(dòng)。 2.4.1 SimSlosh軟件應(yīng)用SimSlosh主要應(yīng)用在：·確定晃動(dòng)容器壁上力和力矩·研究固定和移動(dòng)容器內(nèi)液體的晃動(dòng)（如海上結(jié)構(gòu)物、道路油輪和汽車油箱）·模擬容器內(nèi)液體波的3D圖像,并呈現(xiàn)出所有結(jié)構(gòu)上的能量分布·研究不同擋板設(shè)計(jì)減少晃動(dòng)效果的有效性·通過模擬晃動(dòng)條件設(shè)計(jì)更有效的控制系統(tǒng) 圖2.10 海上結(jié)構(gòu)物航行中在晃動(dòng) 圖2.11 油罐車行駛中晃動(dòng) 圖2.12 汽車油箱的晃動(dòng)2.4.2 SimSlosh軟件優(yōu)點(diǎn)·在不同的條件下，對(duì)任何復(fù)雜的形狀都可以模擬容器內(nèi)的液體晃動(dòng)

14、3;在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的參考下SimSlosh具備自由表面流算法和提供解決方案的能力·使用一個(gè)動(dòng)態(tài)模塊耦合液體的模塊模擬實(shí)際路況·分析和消除汽車油箱晃動(dòng)產(chǎn)生的噪音·節(jié)省時(shí)間和原型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或容器應(yīng)用上的成本圖2.13是模擬在同時(shí)刻一輛坦克車容器中液體以加速度9.8m/s2在x方向上行駛時(shí)發(fā)生晃動(dòng)的情況。（左圖為無(wú)擋板，右圖為有擋板），圖2.14 是用SimSlosh軟件模擬動(dòng)能和力的晃動(dòng)效果圖（上圖為動(dòng)能模擬，下圖為力模擬） 無(wú)擋板 有擋板圖2.13 模擬坦克車在行駛時(shí)容器中液體 圖2.14 SimSlosh軟件模擬動(dòng)能和力的晃動(dòng)發(fā)生晃動(dòng)的情況。 2.5 SimPlasma

15、軟件SimPlasma是一款等離子體噴涂的仿真分析軟件?？梢阅MDC（直流）與RF（射頻）激勵(lì)，等離子體與外部氣體的質(zhì)量流動(dòng)率，反應(yīng)堆內(nèi)部的溫度、壓力與速度分布。SimPlasma解決了方程的運(yùn)輸質(zhì)量、動(dòng)量和能量以及麥克斯韋方程。SimPlasma應(yīng)用于:·薄膜化學(xué)氣相淀積·分析化學(xué)·噴涂層·危險(xiǎn)廢物銷毀·粉末處理等工業(yè)領(lǐng)域2.6 SimFill軟件SimFill是一款模擬容器中液體或粉末填充噴淋的仿真分析軟件，能夠捕捉泡沫并截留,可以模擬仿真灌裝過程中的容器任何振動(dòng)或搖動(dòng)，可以用于優(yōu)化灌裝噴嘴設(shè)計(jì)。SimFill是一個(gè)非常有價(jià)值的工具。Sim

16、Fill能夠建立灌裝過程模型，對(duì)任何特定的容器都可以找到最優(yōu)速度,確定的流體的性質(zhì)。SimFill廣泛應(yīng)用于：·制藥工業(yè)·包裝工業(yè)·容器灌裝的機(jī)械設(shè)計(jì)圖2.15是用SimFill軟件模擬仿真容器灌裝水的過程 圖2.15 模擬仿真容器灌裝水的過程三Simulent應(yīng)用Simulent軟件已在以下領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用： 石油天然氣工業(yè) 工業(yè)過程·通風(fēng)設(shè)備建模 ·熱等離子體·氣體擴(kuò)散仿真 ·熱噴涂層·空氣動(dòng)力學(xué)建模 ·混合、油/水分離·海上平臺(tái)液體晃動(dòng)的建模 ·流體系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真·

17、噴嘴、閥門設(shè)計(jì)汽車工業(yè) 生物醫(yī)藥·發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱分析 · 混合、填充及噴涂過程中的自由面建模·油箱內(nèi)噪音生成分析 ·藥用設(shè)備中的微流體分析·燃油晃動(dòng)建模 典型應(yīng)用： 圖3.1 模擬一維流動(dòng)的水滴 圖3.2 模擬二維流動(dòng)的水滴材料噴涂與自由表面流模型的驗(yàn)證： 圖3.3 用Simulent的模擬仿真圖與實(shí)驗(yàn)圖 另外還包括一些工業(yè)應(yīng)用：爐內(nèi)霧化燃燒、汽輪機(jī)、火箭；噴霧冷卻；粉末冶金術(shù)；霧化噴涂；農(nóng)業(yè)噴灑；噴霧滅火器以及在能源和氣象行業(yè)的應(yīng)用。圖3.4是應(yīng)用軟件對(duì)閥門設(shè)計(jì)改進(jìn)，圖3.5是用模擬的方法分析風(fēng)力的影響自然通風(fēng)冷卻塔的性能。 圖3.4 閥門設(shè)計(jì)改

18、進(jìn) 圖3.5 分析風(fēng)力的影響自然通風(fēng)冷卻塔的性能Simulent軟件使用客戶部分列表：全國(guó)統(tǒng)一客戶服務(wù)熱線：400 888 5100網(wǎng)址:www.CnT 郵箱:info·US Department of Energy ·UT-Battelle (Oakridge National Lab) (US) ·Alstom Power (ON) ·General Electric Global Research (NY) ·Japan Fine Ceramic Centre (JFCC) ·Candu Owner Group (CA) ·中國(guó)航天科技