流体多物理场数值计算软件shonDy介绍

由德国shonDynamics GmbH开发的shonDy软件是一款基于运动粒子法的三维高性能数值计算软件。该软件采用C++语言开发，支持分布式并行计算。使用该软件，用户只需要将指定格式的CAD几何模型导入该软件便可轻松启动计算。无需复杂的网格划分，为工程师的仿真建模节约了大量的时间。在该软件中，需要模拟的流体域或者固体会被离散为可以运动的粒子，包括压力，速度和温度等物理量存储在运动的粒子上，因此这些关键的物理量是随流体或固体单元一起运动的。由于固体粒子和流体粒子的压力是在一个线性代数方程组里求解的，shonDy软件最大的特点是流体和固体的运动从本质上内在“耦合”，这一点是传统有限体积法无法实现的。另外，粒子法可以模拟复杂运动条件下的流体自由界面，包括溅射现象。该软件在工程与工业领域有很广阔的应用前景。

主要功能

1. 粘性与无粘性流体的流动；

2. 自由界面与溅射；

3. 流体与固体相互作用；

4. 自由运动体，旋转体和定义路径刚体的运动；

5. 传热，熔化与凝固；

6. 多相流；

7. 表面张力；

8. 混合并行计算等。

应用领域

shonDy的主要应用领域包括能源，旋转机械，海洋工程，制造业，以及医用设备研发等。以下列举一些典型的应用案例：

1. 汽车工程领域：分析高速转动的变速箱内润滑油的空间分布；计算不同润滑油装量对齿轮箱功率损失的影响；分析汽车涉水产生的溅射现象等。

2. 热能与核能工程领域：核电厂安全壳蓄水箱晃动模拟；液态金属反应堆海洋条件下的摇摆；熔融材料的流动与凝固等。

3. 海洋与船舶工程领域：海洋条件下船体的运动；LNG船运输液体的晃动；Hydro foil的设计优化等。

4. 机械与制造领域：旋转叶片几何形状优化；汽车与列车的自动清洗模拟；玻璃成型过程分析等。

5. 化工与医疗科技：多种流体的混合；液体电池内气泡的清除；血管内血液的流动等。

6. 学术与研究领域：卡门涡街；上升气泡的变形；多相流等。

作为一个创新的前沿仿真技术，我们希望能够与您合作应用该技术推动您的产品创新。

无网格技术的优势

作为一个无网格流体仿真软件shonDy，复杂几何形状CAD文件可以直接导入该软件，然后定义边界条件和给定材料物性后即可启动计算。在传统的CFD技术中，网格的划分大概占用了整个模拟分析过程70%的劳动时间。采用无网格技术，可以加速您的产品研发。

shonDy桌面版图形界面介绍

类似于传统软件，我们同时也提供桌面版的图形用户界面。该界面应用同时集成了前处理与后处理的功能，操作简便，容易上手。用户可以将不同流体或固体的区域导入该软件，然后输入流体物性参数，并配置控制参数后，便可以生成求解器所需的输入文件。该用户界面对于针对特定的行业应用添加了一些特殊功能，例如在对齿轮箱进行前处理建模的过程中，可以设置润滑油液位等。在使用求解器完成仿真计算后，可以使用该界面软件加载计算结果，完成云图和曲线图等后处理操作。

云计算平台shonCloud介绍

shonCloud是计算软件shonDy的一款基于网页技术的用户界面。该平台方便用户随时随地管理自己的计算项目，并且界面友好，操作简单。该系统无需安装和license，打开网页即可使用。您可以使用任何设备和操作系统登录该平台，然后打开或新建计算项目，只需要点击“运行”按钮，计算立即在远端服务器启动，不占用本地CPU资源。该平台将刷新您使用大规模计算资源的体验。

什么是运动粒子法？

运动粒子法（Moving particle simulation method）是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）的发展方向之一，其最大的特点是不需要网格，能够更自然地模拟复杂的自由界面运动和多相流。计算流体力学分为欧拉和拉格朗日两大体系。在欧拉体系下，流体经过的空间被离散为若干单元，所有物理量存储在不会移动的空间位置上。在拉格朗日体系下，流体物质本身会被离散为若干运动的单元，速度，温度和压力等物理量存储在运动的流体物质点上。在欧拉体系中，最经典的算法是有限体积法（Finite volume method），该方法是将流体域离散为网格控制体，该方法已被广泛应用于工程问题，该算法已经被CFX，FLUENT等大量商业软件采用。在液态金属冷却反应堆研究领域，经常会遇到自由界面问题，传统的有限体积法采用了VOF(Volume of fluid)模型跟踪流体的自由界面，这种方法需要基于网格的界面重构技术。运动粒子法是基于拉格朗日体系的最有代表性的流体计算方法，目前最经典的方法包括光滑粒子法（Smoothed particle method）[Monaghan 1992]和半隐式运动粒子法（Moving Partiicle Semi-implicite method）[Koshizuka 1996]。其中光滑粒子法采用了显式的代数方法计算流体压力场，优点是计算量小，但是缺点是需要输入很多经验参数，计算结果对于人工修正参数过于敏感。半隐式运动粒子法需要通过求解泊松方程获得流体的压力场，虽然计算量大，但是不依赖于人工参数。半隐式运动粒子法在刚刚提出的时候，由于存在数值稳定性和精度的问题，一直没有被广泛应用于工程问题，但是近年来该算法发展迅速，得到了大幅的改进。这些改进中包括Khayyer(2009)和Gotoh(2016)提出的高阶源项模型和改进的压力梯度模型等。基于学术界的大量算法改进的提出，运动粒子法的成熟度逐渐满足工程计算需求。对于核能领域流体自由界面问题，粒子法可以天然地获得流体的自由表面，无需VOF等模型。

shonDy软件主要的技术优势

（1）无需网格划分，导入CAD文件即可启动计算

传统的CFD方法依赖于网格划分技术，甚至将画网格这种机械的工作职业化，这种网格划分占据了CAE工程师70%的劳动时间。shonDy软件只需要将工程设计或产品的CAD模型和流体域几何导入软件，即可轻松启动计算。shonDy软件具备下一代CFD技术的理念，将很多传统工程问题的模拟从不可能变为了可能。

（2）不需要借助VOF等模型，就可以本质地模拟流体的自由表面

传统的网格方法需要计算流体不同组分的体积份额输运方程，并使用Volume Of Fluid模型以获得流体界面的法向方向，并通过流体的单相速度和界面法向方向计算流体在网格控制体前进的距离，并判断流体的界面是否超过当前网格的控制体，最后还需要进行界面重构以获得自由界面。这种数值方法不仅繁琐，而且依赖于网格的划分，对界面的法向方向计算也只是近似，不适合于复杂的自由表面流动。基于无网格方法shonDy软件是将每一相的流体物质进行离散，将流体抽象为运动的物质点的集合，因此流体的自由表面是自然存在的。shonDy软件采用了Virtual particle模型，用于模拟压力边界条件，虚拟粒子的压力是环境压力，该模型优化了粒子法近自由界面的压力场和粒子分布。另外，shonDy的流体张力模型可以很好地计算流体表面张力的作用。

（3）可以模拟激烈晃荡条件下，流体撞击壁面产生的碎化和喷溅

传统的有限体积法可以使用VOF模型跟踪流体自由界面，但是自由界面的捕捉是需要相邻的网格控制体的物理量进行计算得到，这一点限制了传统方法对于溅射问题的模拟。因此传统的网格方法无法计算得到流体的喷溅液滴分布。shonDy软件基于拉格朗日体系，离散的流体物质点单元随着流体运动，在流体撞击壁面的情况下，流体会出现碎化和溅射的效果。齿轮箱的飞溅润滑模拟，以及高速舰艇船首海浪喷溅的模拟都会涉及到这种现象。使用shonDy可以轻松模拟齿轮箱润滑油分布，以及船首海浪喷溅等现象。

（4）流体和固体的压力场在一个线性方程组内求解，从本质上实现了流固耦合

传统CFD软件的流固耦合计算多采用单向耦合方法，流场和结构力学的计算是两个求解器完成，中间通过压力和位移进行而边界条件的传递。由于网格的存在，固体的一位或变形必须是在有限的范围内，否则会造成网格变形过大计算发散。另外，传统的CFD耦合计算中流体与固体之间的作用力与反作用力并不相等。shonDy软件是将流体域和固体统一离散为粒子，由于采用了拉格朗日体系，刚体和流体的运动没有任何自由度和幅度限制，打破了传统方法的网格束缚。

（5）更加自然地模拟多相混合流动

采用传统的CFD方法，对于不相混合的多相流计算非常困难，尤其是流体多余3中的情况下，需要对每一种流体建立控制方程，计算该流体的体积份额，并保证每个网格控制体内的流体体积份额总和为1。因此传统的CFD方法很少应用于3种以上的不相容流体的混合计算。严重事故下，轻金属层，氧化层和重金属层会在重力的作用下分离，这一现象很难用传统CFD方法模拟，但是粒子法的出现使这一工程问题的仿真变得简单。shonDy软件理论上可以定义无限多种流体在一个流场内进行计算，适合于多种不相容材料熔化后的行为模拟。

（6）流体物理量随流体质点运动

在核能领域的严重事故研究中，经常会碰到熔融物迁移的问题，例如燃料棒的熔化，熔融物落入下封头，甚至熔融物进入安全壳内。这种熔融物的运动必然会伴随着核素的迁移，以及衰变热随熔融物的运动。这种衰变热可以作为一种体积内热源。在传统的CFD方法中，内热源的定义只能定义在空间位置上，不能定于在预先未知的熔融物迁移轨迹上。采用传统的方法难以模拟带内热源的熔融物在空间上的迁移运动。shonDy的计算中，所有的物理量是存储在流体或固体的质点上的，内热源Q也是存储在每个质点上，那么流体的迁移的过程中，无论运动多么复杂，或者产生了混合，内热源都是紧紧跟随物质运动的，非常接近真实的物理现象。

（7）支持分布式大规模并行计算

shonDy软件基于C++/OpenMPI开发完成，在大规模计算中，将大量的流体粒子分散到不同计算机节点进行存储，这是一种技术上非常具有挑战性的分布式并行方法。传统的CFD的计算是将物理量存储于网格上，因此非常容易对网格进行分解，并实现分布式存储。然而在粒子法中，所有的流体或固体的离散单元会在空间上产生复杂的运动和交混，为了保证不同计算机节点的数据交换量最小化，shonDy采用了数据迁移技术，也就是在空间上对流体域进行分解，然后不同计算机存储的粒子可以发生迁移，从一个节点迁移到另外一个节点上。shonDy的并行计算结果与串行计算结果完全一致。