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产品技术与算例 · 详解 | TF-QFLUX软件介绍及在叶轮机械领域的应用
文章虽长，却都是干货哦
PART 1
TF-QFLUX 九大核心优势
TF-QFLUX可以根据不同的物理问题，灵活选择对应的动网格处理方法，如滑移网格法、弹簧网格法、嵌套网格法等，其中：
TF-QFLUX包含市场主流的湍流模型，具体包括用于模拟附着流或弱分离流的雷诺平均（RANS）湍流模型，如Standard/Edwards S-A、Standard/Realizable/RNG k-e、Standard/SST k-w等；用于模拟大范围分离流的脱体涡模型，如基于S-A或k-w的DES、DDES、IDDES等；用于模拟复杂湍流分离流的大涡模拟方法（LES），如常系数/动态Smagorinsky、WALE、约束大涡模拟方法（CLES）等；用于湍流转捩过程的转捩模型，如k-kl-w、r-Reθ等。
众所周知，空化会对水力机械叶片或转子等过流部件造成气蚀损伤，导致效率降低，寿命缩短，同时也会产生振动和噪声，这些都是困扰泵等旋转机械水力设计工程师的难题，如何对气蚀现象进行准确预测和评估并做出有效的优化设计显得尤为重要。结合软件的空化模型以及求解器，即使工况非常恶劣，在其他软件都难于收敛的情况下，TF-QFLUX依然具有良好的收敛性。
TF-QFLUX具有强大的后处理功能，在求解过程中或求解结束后都可以分析查看计算结果。求解过程中能实时查看整个流场的压力、速度、温度等分布，显示方式有云图、速度矢量图、流线图、颗粒轨迹图、曲线等；支持基于初等函数和基本运算法则的自定义物理量、面积分、体积分等数据后处理与统计分析功能；同时TF-QFLUX还可快速自行制作各种非稳态动画，真实再现包括叶轮机械、容积泵、阀门、船舶、整车等各类产品的动态变化。
TF-QFLUX采用基于区域分解的方式来进行并行设计，可确保分割至各CPU的网格负载均衡；软件已对并行通讯相关函数进行了封装，可支持OpenMPI、MSMPI等主流MPI库，具备千核千万网格的并行计算能力，具有很高的并行计算效率，并行可扩展性好。
如下为TF-QFLUX计算一个2100万网格的模型的并行计算效果。核数从60到720，并行效率一直维持在理想水平；在1080核，并行效率也达到了近70%。
TF-QFLUX计算结果的可靠性已得到众多实例验证，在基础湍流模型、船舶、航空航天和电子散热等诸多领域的众多案例中得到了实验数据的验证。
PART 2
在叶轮机械领域的三个经典算例
该模型为典型的半开式轴流风扇，叶片采用NACA0010-63翼型设计，具体的设计点参数及模型尺寸如下表所示：
多翼离心风机是离心风机的一种，也是常见的一种通风机，因为该种风机采用的叶轮为多翼式风叶，故而通俗形象地称为多翼离心风机，其应用非常广泛。下图为多翼式离心风机结构模型，主要由集流器、叶轮以及蜗壳等部件组成，为了更好的进行仿真分析，在集流器前端添加半球形进口域，蜗壳出口添加流体域作为出口。
针对于该模型网格技术采用切割体网格，并对叶片进行局部加密，同时为了保证仿真精度，对叶轮及蜗壳等壁面添加边界层，边界层层数为5层，增长率为1.2，边界层总高度为0.7mm，最终网格数量为500万，网格结果如下图所示。
鉴于模型介质以及仿真时间，本案例采用不可压缩流动求解器；压力-速度耦合采用SIMPLE算法；空间离散：梯度项（Green-Gauss）、压力项（Linear）、动量方程（2nd upwind）、湍流方程（1st upwind）；时间模式：定常求解；湍流模型为：SST k-omega，标准壁面函数。
经过仿真计算，最终获得多翼式离心风机的PQ曲线，并与第三方参考值对标，下图为PQ曲线对标结果，小流量区由于严重的流动分离影响计算收敛性，两款软件结果差别相对较大，其余工况点对标结果良好。结合云图可以看出，软件在蜗壳出口段不同位置的速度云图吻合度较高，在隔舌位置的等值面吻合度良好（采用专业后处理软件进行云图分析）。
该模型为典型的单级单吸离心泵，模型主要由吸入口，叶轮以及蜗壳等组成，具体流体域结构如下所示：
网格技术采用多面体网格，为了保证仿真精度，除了交互面以及进出口面，其余壁面均添加了边界层，边界层层数定义为8层，增长比例为1.1，最终网格数量为822万。
兼顾计算时间和仿真精度，本案例采用定常计算；差湍流模型选取的是SST k-omega模型；进口边界条件为压力进口条件，出口采用体积流量出口；固壁边界采用标准壁面函数法，收敛精度为1×10-5。
下图为离心泵外特性曲线，包括流量-扬程曲线、流量-功率曲线以及流量-效率曲线，其中点画线为试验结果，散点为仿真结果，从对比结果可以看出，仿真结果和试验对标良好，满足仿真精度的要求。
从内特性结果可以看出，压力从进口到出口逐渐升高，叶片压力过渡较为光顺，不存在局部高压/低压区。
综上所述，TF-QFLUX作为一款功能强大的通用流体分析工具，基于其完备的网格接口、先进的动网格技术、丰富的湍流模型、稳健而精确的空化模型、完备的求解功能以及高效的并行能力，已可成熟应用于叶轮机械的仿真分析，并在计算精度、计算效率等多方面性能上表现优异。
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