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)濟的飛速發(fā)展，工業(yè)由原來的簡單機械運動進入到了智能化自動化大規(guī)模高精度生產(chǎn)的時代。同時伴隨著計算機軟硬件的提升和互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，工業(yè)制造對材料噴涂、液滴流固耦合及粉末等離子耦合的需求也提高了。因此人們借助先進的技術手段，運用先進的材料噴涂與液滴耦合仿真分析軟件Simulent進行虛擬預測，優(yōu)化噴涂設計，最終達到提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效益。中仿科技依托中仿FEMAG研發(fā)中心，將國際一流的數(shù)值算法及數(shù)字仿真技術引入中國。其中Simulent系列軟件產(chǎn)品在研發(fā)中心廣泛應用于材

2、料科學領域，讓高端設備、材料科學及科學研究更富有競爭力，提供了中國領先的材料科學數(shù)值模擬分析軟件和系統(tǒng)解決方案。Simulent是國際上領先的計算流體動力學(CFD)軟件開發(fā)和工程咨詢公司,為熱流體系統(tǒng)的工程設計優(yōu)化提供最專業(yè)的解決方案。中仿科技公司與加拿大Simulent 軟件公司達成戰(zhàn)略合作伙伴關系，成為其在中國區(qū)的戰(zhàn)略伙伴，負責CAE仿真軟件Simulent在中國區(qū)的業(yè)務。Simulent提供核心軟件和特定的模塊來滿足行業(yè)最復雜的熱流體問題，可模擬各種流體噴霧仿真和液滴耦合運動。廣泛應用于能源采礦、航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)藥以及科學研究等各個領域。中仿科技和Simulent公司攜手為我

3、國的企業(yè)和科研用戶提供全球最先進的數(shù)值模擬產(chǎn)品和服務。Simulent是一款材料噴涂與自由表面流模擬仿真分析的計算流體動力學（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構圖如圖1.1所示。 圖1.1 材料噴涂與自由表面流仿真分析軟件結構圖目前Simulent軟件包括下列產(chǎn)品：SimSpray噴霧及霧化動力學仿真分析軟件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，有力地促進了材料噴涂與液滴耦合技術的相關生產(chǎn)與研發(fā)工作。Simulent可以解決復雜的材料噴涂與自由表面流的相關的動力學問題，優(yōu)化不同設計性能，降低原型設計的時間、成本費用和風險。二、Simulent軟件產(chǎn)品2.1 SimSpray軟件SimSpray是一款在虛擬環(huán)境中用于設計和測試噴霧嘴的噴霧及霧化動力學仿真分析軟件。對各種流體（含化學反應流）的噴霧過程及噴嘴進行模擬仿真，精確預測噴嘴霧化結果。由于噴霧系統(tǒng)里復雜的流動，目前還沒有精確的技術能夠實現(xiàn)噴嘴噴霧的特性。當前噴霧嘴的設計都是基于試驗性測量，這個過程消耗了

5、大量的時間，也付出了昂貴的代價。這個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合，實現(xiàn)了對復雜形狀自由面的跟蹤，也能夠精確地預測所得到的噴嘴使用流量的噴霧模擬情況。圖2.1是計算機模擬的關于Kraft在余熱回收方面的一個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軟件應用及特征 SimSpray軟件應用于：·設計新的噴嘴   ·改善目前的噴嘴設計 圖2.2 應用SimSpray軟件設計新噴嘴和優(yōu)化設計的噴嘴·模擬噴嘴的流動特性·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)應用主要有：噴霧燃燒爐中，燃氣渦輪機，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)健和有效的促進了連接接口直接向預處理器（ICEM-CFD）導入形狀復雜的噴嘴，建設正確的網(wǎng)格，并輸入初始和邊界條件，輸出文件用Tecplot軟件進行后處理。2.1.2 SimSpray軟件優(yōu)勢·SimSpray是國際上模擬分解和霧化過程的最專業(yè)軟件·基于每個客戶的應用簡化了用戶界面和數(shù)據(jù)輸入頁面¾

7、83;針對準確實驗結果進行測試和驗證¾·使用有效數(shù)值和實證模型¾·Simulent在處理噴霧霧化問題上有超過20年的專業(yè)知識和經(jīng)驗 2.1.3 SimSpray模塊SimSpray包括幾個模塊:·對噴嘴內(nèi)部流模塊設計·初步分解模塊:統(tǒng)計模塊·霧化模塊噴嘴設計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，可以計算出算出被覆層厚度，粗糙度和固定或移動的基片上的任何期望位置的孔隙率，無論使用固定或是移動的噴槍，可以計算出每一個注射質點的初始速率，直徑和溫度，并對這些數(shù)據(jù)計算出平均差和標準差。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計算初始速度，直徑和溫度對每個注入的粒子，給出的平均和標準偏差等這些參數(shù)。 SimCoat基于笛卡爾網(wǎng)格定義計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國家科技部創(chuàng)新基金項目，其中在材料科學計算領域與中航工業(yè)北京航空材料研究院在高端設備的涂料研制、性能測試及應用中仿CAE仿真軟件進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、填料設計及改進工藝設計方面的顯著成果，技術處于國內(nèi)領先水平。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移動形成的效果2.2.1 SimCoat軟件應用SimCoat軟件應用于：· 開發(fā)多種類型的液體和金屬熔液的涂覆應用· 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基于流體體積法對各種單一及多液滴與壁面撞擊進行模擬仿真，這個應用程序也解決了傳熱方程,模擬了熔融材料的凝固問題。SimDrop基于一個強健的、自由表面建模技術,稱為體積流體技術。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軟件應用·找到基片上凝固液體的厚度·設計新的農(nóng)業(yè)噴淋系統(tǒng)·涂層、冷卻系統(tǒng)涂裝系統(tǒng)和其他涂料應用2.3.2 SimDr

11、op軟件特點·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·允許用戶創(chuàng)建自己的屬性文件庫圖2.7 熱梯度下的3D電影的實驗結果。2.3.3 SimDrop軟件優(yōu)點·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)省時間和試驗成本·模擬整個下落撞擊過程（包括沉積和單個或多個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分析模擬動態(tài)運動和容器中的液體晃動仿真分析軟件。SimSlosh模擬運動液體容器的流固耦合（晃蕩）問題，耦合處理容器中的動力運動與流體晃蕩。例如為了設計更安全的油罐卡車和機動車油箱進行仿真分析?；蝿訒е?·攜帶液體的油輪晃動·在嚴重情況下車輛的翻轉·汽車油箱里生產(chǎn)噪聲·在微重力情況下航天器推進劑的安全問題·在地震條件下核反應堆的安全問題圖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，圖2.9是模擬汽車燃料箱的燃料晃動。 圖2.8模擬微重力環(huán)境下球形容器

13、的液體晃動 圖2.9 模擬汽車燃料箱的燃料晃動。 2.4.1 SimSlosh軟件應用SimSlosh主要應用在：·確定晃動容器壁上力和力矩·研究固定和移動容器內(nèi)液體的晃動（如海上結構物、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)出所有結構上的能量分布·研究不同擋板設計減少晃動效果的有效性·通過模擬晃動條件設計更有效的控制系統(tǒng) 圖2.10 海上結構物航行中在晃動 圖2.11 油罐車行駛中晃動 圖2.12 汽車油箱的晃動2.4.2 SimSlosh軟件優(yōu)點·在不同的條件下，對任何復雜的形狀都可以模擬容器內(nèi)的液體晃動

14、3;在運動系統(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·使用一個動態(tài)模塊耦合液體的模塊模擬實際路況·分析和消除汽車油箱晃動產(chǎn)生的噪音·節(jié)省時間和原型實驗設計或容器應用上的成本圖2.13是模擬在同時刻一輛坦克車容器中液體以加速度9.8m/s2在x方向上行駛時發(fā)生晃動的情況。（左圖為無擋板，右圖為有擋板），圖2.14 是用SimSlosh軟件模擬動能和力的晃動效果圖（上圖為動能模擬，下圖為力模擬） 無擋板 有擋板圖2.13 模擬坦克車在行駛時容器中液體 圖2.14 SimSlosh軟件模擬動能和力的晃動發(fā)生晃動的情況。 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，等離子體與外部氣體的質量流動率，反應堆內(nèi)部的溫度、壓力與速度分布。SimPlasma解決了方程的運輸質量、動量和能量以及麥克斯韋方程。SimPlasma應用于:·薄膜化學氣相淀積·分析化學·噴涂層·危險廢物銷毀·粉末處理等工業(yè)領域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或搖動，可以用于優(yōu)化灌裝噴嘴設計。SimFill是一個非常有價值的工具。Sim

16、Fill能夠建立灌裝過程模型，對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。SimFill廣泛應用于：·制藥工業(yè)·包裝工業(yè)·容器灌裝的機械設計圖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應用Simulent軟件已在以下領域中得到了廣泛的應用： 石油天然氣工業(yè) 工業(yè)過程·通風設備建模 ·熱等離子體·氣體擴散仿真 ·熱噴涂層·空氣動力學建模 ·混合、油/水分離·海上平臺液體晃動的建模 ·流體系統(tǒng)實時仿真·

17、噴嘴、閥門設計汽車工業(yè) 生物醫(yī)藥·發(fā)動機傳熱分析 · 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 ·藥用設備中的微流體分析·燃油晃動建模 典型應用： 圖3.1 模擬一維流動的水滴 圖3.2 模擬二維流動的水滴材料噴涂與自由表面流模型的驗證： 圖3.3 用Simulent的模擬仿真圖與實驗圖 另外還包括一些工業(yè)應用：爐內(nèi)霧化燃燒、汽輪機、火箭；噴霧冷卻；粉末冶金術；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)的應用。圖3.4是應用軟件對閥門設計改進，圖3.5是用模擬的方法分析風力的影響自然通風冷卻塔的性能。 圖3.4 閥門設計改

18、進 圖3.5 分析風力的影響自然通風冷卻塔的性能Simulent軟件使用客戶部分列表：全國統(tǒng)一客戶服務熱線：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) ·中國航天科技