Flowmaster软件-技术邻.doc
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Flowmaster软件-技术邻.doc
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FlowmasterV7简介及汽车热管理
系统及空气侧系统解决方案
北京海基科技发展有限责任公司
2009年8月
42
目录
1FlowmasterV7介绍 3
1.1精确预测系统参数 3
1.2完备的分析模块 5
1.3完备的元件库、数据库及用户自定义模型功能 6
1.4流程化的平台界面 9
1.5强大的报表生成工具(CrystalReport) 11
2Flowmaster仿真平台解决方案 12
2.1热流体系统中心数据库的建立 13
2.1.1分布式安装与中心数据库的建立 13
2.1.2专业数据库的定制 13
2.1.3强大的数据管理功能 14
2.2智能建模与专家系统 15
2.3项目成员与角色分工 16
2.4软件集成与半实物仿真 17
2.4.1Flowmaster支持基于COM的开发 17
2.4.2Flowmaster与PLM/PDM/CAD系统的集成 17
2.4.3与三维CFD软件和MATLAB软件的耦合仿真 18
2.4.4与AVLCruise\BOOST的接口 19
2.4.5与AVLEXCITE的接口 20
2.4.6通过MpCCI实现多物理场耦合 22
2.4.7与OFFICE软件的接口 22
2.4.8半实物仿真 23
2.5产品全生命周期的应用与流程自动化 24
2.6决策支持 25
3Flowmaster在汽车热管理系统的应用 26
3.1汽车热管理简介 26
3.2典型部件模型 29
3.2.1管道 29
3.2.2换热器 31
3.2.3节温器模型 33
3.2.4膨胀水箱 33
3.2.5冷却风扇 34
4Flowmaster在汽车空气侧系统的应用 35
4.1AVS模块 35
4.2空气侧系统应用案例介绍 37
5Flowmaster在国内外汽车领域典型客户的应用介绍 41
1FlowmasterV7介绍
Flowmaster是当今全球最为著名的热流体系统仿真分析平台,以其高效的计算效率,精确的求解能力、便捷快速的建模方式及面向能源核电行业的专业性而被许多全球著名的能源领域用户所采用。
Flowmaster是英国FML公司的产品,开发FLOWMSTER的想法来自英国流体力学研究协会的一个关于能源核电的研究项目,此协会在全世界的流体系统研究领域享有很高的声誉。
目前该公司不但提供领先的一维流体系统仿真软件Flowmaster,同时也向客户提供技术咨询,技术合作等服务。
到目前为止,已有1000多家公司购买了Flowmaster,共2000多个使用许可,用户遍布世界上40个国家和地区。
Flowmaster已经通过了ISO9001认证。
Flowmaster的最新版本V7,秉承了旧版本的一贯特点,同时强调多用户环境下的协同性及平台的开放性,非常适合企业级的多用户仿真分析平台的构建,其优势体现在:
1.1精确预测系统参数
Flowmaster是专为流体系统开发设计的仿真工具,可以精确的对流体系统进行压力、流量、流速、温度等参数的分析。
精确预测其稳态工况下及瞬态工况下这些关键参数的变化规律,并帮助工程师理解这些变化对系统性能的影响。
Flowmaster中的元件模型主要基于压力-流量关系,因此对系统压力分布、流量分布及元件流阻、流量及流速进行精确计算是软件的基本功能。
用户对元件进行建模时只需输入能够反映元件流阻特性的数据就可以了。
作为一个开放的仿真平台,Flowmaster支持用户对元件进行几何参数建模、实验数据建模或直接利用Flowmaster的实验数据库进行直接建模等。
对于由多个元件组成的流体系统,Flowmaster的解算器利用迭代求解系数矩阵的方式计算出系统的节点压力,然后根据元件的流阻特性及流量守恒的原理得到主干和分支的流量,进而得到流速、雷诺数、马赫数等参数。
对于热流体系统,F对于由多个元件组成的流体系统,Flowmaster的解算器利用迭代求解系数矩阵的方式计算出系统的节点压力,然后根据元件的流阻特性及流量守恒的原理得到主干和分支的流量,进而得到流速、雷诺数、马赫数等参数。
对于热流体系统,Flowmaster将动量方程、连续性方程和能量方程同时进行耦合求解,根据系统自带或用户输入的元件热性能参数,考虑元件与流体介质及环境的传导换热、对流换热及辐射换热,同时还考虑温度对流体介质(如液压油、滑油等)的动力学粘度、定压比热、密度和热膨胀速率的影响,通过反复迭代得到热流体系统的温度分布,并给出元件的实际换热量、热阻、换热效率及努谢尔数等参数。
精确预测系统参数
此外,FlowmasterV7针对系统参数优化提供了Var.Params.控制面板功能,用户可以设定系统中的某些变量为可变参数,这些参数将集中体现在Var.Params.参数面板中,在这个面板中用户可以设定变量的参数值,从而进行多工况仿真计算并在多工况中寻找最优解。
Var.Params.面板还提供了参数之间的耦合关系,即用函数关系控制各运行变量之间的耦合,以下图为例,【Parameter1】和【Parameter2】为输入可变参数,而【Parameter3】为【Parameter1】和【Parameter2】的函数,此时在【Parameter3】的参数表中即可实现相应的函数控制,其使用的语法规则为C#。
Var.Params.控制面板
1.2完备的分析模块
Flowmaster是面向工程的完备的流体系统仿真软件包。
对于各种复杂的流体管网系统,工程师可以利用Flowmaster快速有效的建立精确的系统模型,并进行完备的分析。
Flowmaster具备的分析模块可以对各种不同类型的流体系统进行任意工况下的稳态、瞬态及传热分析。
完备的稳态及瞬态分析模块
这些分析模块及功能分为以下几个主要的部分:
l不可压流体稳态及瞬态分析模块:
可用于模拟液体流路系统及液压系统,计算系统在不同工况下的压力分布、流量分配,捕捉可能出现的管路压力波动现象。
l不可压流体稳态和瞬态传热分析模块:
可用于考虑热负载对系统温度特性的影响,进而评估流体物性参数随温度变化对系统性能的影响。
l可压缩气体系统稳态及瞬态分析模块:
该模块用于模拟气体流路。
特别对于高马赫数系统内流问题(马赫数>0.3),计算具有很高的精度。
l不可压与可压流体系统配平分析模块:
用于给定不可压或可压缩多支路系统设计流量或流速,提供节流元件参数分析能力。
l相邻元件修正分析及尺寸分析模块:
用于修正由于元件相邻而造成的计算误差;SZ为部件尺寸分析模块,用于针对特定的阻力损失限制,设计并优化部件尺寸,帮助进行部件的选型。
l频域分析模块:
可针对液压系统开展频域特征分析,得到系统的频域特性。
频域分析结果包括频率响应分析、功率谱分析等。
l联合仿真接口模块:
具备与Matlab、Fluent等众多主流CAE软件的联合仿真接口。
l内置功能:
具备单位转换、公式计算、动画显示、流体特性自定义与管理、自动导出仿真报告、优化设计、多用户管理等功能。
l完备的流体元件库及相应的特性数据库:
包含完备的流体元件库,并且具备各类管道、弯管、三通等常用元件的流阻特性数据,这些数据来源于国际权威机构多年的真实物理试验。
1.3完备的元件库、数据库及用户自定义模型功能
Flowmaster拥有丰富完善的元件库,几乎函盖了目前流体系统需要的所有的标准元件。
完善的流体系统元件库
FlowmasterV7汽车工业版本新增部件
工程师可以根据自己的系统物理模型从元件库中选择建立流体系统模型所需要的标准元件。
比如,在泵元件族中,就有齿轮泵、柱塞泵、叶片泵、轴向泵、径向泵、混合泵、射流泵等;在换向阀元件族中,有两位两通,两位三通等多种元件。
除了完备的常用元件之外,针对特定的专有元件,Flowmaster允许用户采用C语言创建系统仿真所需的模型,并采用动态连接库(DLL)形式存贮和调用自定义模型。
自定义元件
在Flowmaster中自定义元件是以元件分析模型CAM为基础开展的,在完成CAM的定义后,可以非常便捷的完成自定义元件的生成工作。
设置完CAM所需参数以及接口数量与类型后,转入VC中编辑代码,将编译所得的DLL文件拷贝至Flowmaster安装目录下,即完成CAM的定制工作。
同时,Flowmaster集成了大量常用元件的流阻特性与工作特性数据,这些数据来源于英国流体力学研究所超过10000个小时的真实物理实验,极具权威性。
各类管道、弯头、三通的流阻特性以及各类泵的标准工作特性曲线等,均包含在数据库之中。
并且,该数据库易于扩展,能够非常便捷的引入用户的已有数据。
常用元件流阻特性、工作特性的完备数据库
1.4流程化的平台界面
FlowmasterV7的操作界面采用了美观且标准化的windows平台软件风格,如图所示,软件的操作界面的布局和主流的CAE、CAD软件相似,整个操作界面分为三个主要部分:
工具栏(左)、建模区域(中)及分析后处理区域(右),构成了一个人性化的从左至右的工作流程。
设计分析人员首先在左边的工具栏新建一个“项目”(project)及“系统模型”(network),接着在建模界面中进行系统模型的搭建和修改,最后在分析后处理区域中进行参数设置,运行分析,读取结果。
整个过程由左至右,条理明晰,即符合工程师的使用习惯,使其易于操作,又满足了系统仿真工作的分析需求。
美观易用的软件界面
和旧版本相比,V7更为紧凑。
在V7中,模型及项目管理、元件库管理、性能参数库管理、流体库管理及用户权限管理都通过层次分明的目录层级加以组织,并且统一到软件的工具栏中,工程师只需要通过鼠标点击就可以很方便的读取各种数据资源,大大提高了工程师的建模效率。
在软件的建模区域,工程师可以通过多图层的建模方式把复杂系统拆分为若干个分属不同图层的子系统,分块进行模型的搭建,同时可以配以相应的背景图片,这使得复杂的系统模型更为直观、易懂,提高了系统模型的可读性和易用性。
1.5强大的报表生成工具(CrystalReport)
内置的元件参数报表生成(CrystalReport)
FlowmasterV7提供的报表功能模块能够以文本形式生成系统元件的关键参数列表,以方便工程师进行关键数据的核对。
V7版本内置了水晶报表功能模块(CrystalReport),用户可以根据需要选择需要出报表的项目,例如元件参数(ComponentData)、节点信息(NodeData)、通用参数(GeneralData)等。
报表文件可以按照一般的rpt格式,也可以按照EDIF(电子数据交换)格式输出。
Rpt文件可由办公软件如Word、Excel打开阅读,而EDIF文件是二进制文件,可以被其他的应用程序访问,实现数据交互。
此外,根据最新的进展,V7的报表还可以生成MPCCI接口数据文件,MPCCI是当前国际最为通用的CAE软件接口平台,基于MPCCI标准的接口数据文件无疑将大大增强用户实现联合仿真的能力。
2Flowmaster仿真平台解决方案
Flowmaster不仅提供了热流体系统仿真的专业技术工具,还提供了完善的管理控制、知识积累等价值环节,具备各方协同、数据管理、软件集成与流程自动化、决策支持等功能元素。
下图所示为Flowmaster仿真平台的基本架构,具体包含以下几个方面的内容:
l核电热流体系统中心数据库
Flowmaster以SQLServer中心数据库为基础,便于进行数据的可控访问与集中管理、搜索。
同时,Flowmaster已经提供了面向核电热流体系统仿真的专业数据库,并且可引入用户的已有数据,进而针对特定需求进行深层次定制。
l智能建模与专家系统
Flowmaster的智能建模系统已经集成了流体系统仿真专家的大量知识,同时易于扩展,能够非常方便地引入客户的现存知识经验与设计规范等相关信息,进而丰富专家系统的知识储备。
l项目成员与角色分工
针对系统仿真项目的需求,Flowmaster可定制不同权限的用户,比如项目管理人员、产品研发人员、分析人员、试验人员等,从而便捷的实现各方协同工作,提高工作效率。
l软件集成与半实物仿真
Flowmaster具备与三维CFD软件、Matlab、iSIGHT、Office等大量软件的直接接口,并且具备开放而多样的联合仿真接口开发能力,易于实现软件集成与半实物仿真。
l产品全生命周期的应用与流程自动化
Flowmaster可应用于产品设计的全生命周期,同时,以专家系统的知识经验、设计规范以及项目成员的角色分工为驱动,可以实现仿真流程的自动化。
l决策支持
Flowmaster拥有强大的数据查证与跟踪功能,能够考查产品设计的所有变更历程及其对系统关键参数的影响,从而提供决策支持。
并且,对于经过确认的设计方案,Flowmaster允许决策人员做出标识并锁定。
Flowmaster仿真平台的基本架构
2.1热流体系统中心数据库的建立
2.1.1分布式安装与中心数据库的建立
Flowmaster支持分布式安装,以此为基础,所有相关的数据均存贮在中心服务器的SQLServer数据库之中,不同权限的客户端可以通过网络在受控的情况下访问同一个中心数据库,从而避免出现独立、分离的数据带来的各类问题,并且为数据的有效管理与搜索打下了坚实的基础。
2.1.2专业数据库的定制
Flowmaster的数据库包含来源于真实物理试验的大量数据,包含各类流阻特性数据及工作特性数据。
同时,Flowmaster的数据库易于扩展,可以非常便捷的将用户的已有仿真、试验数据以表格、曲线、曲面等各类方式引入到系统之中。
此外,针对特定的工业应用,Flowmaster推出了不同的专业数据库,例如已将适用于核电热流体系统仿真的元件放置在相应的文件夹下,便于用户调用,用户也可以根据自身的仿真需求定义专门的文件夹及元件。
专业数据库的定制
2.1.3强大的数据管理功能
FlowmasterV7的全部数据采用微软SQLServer(关系数据库管理器)进行数据管理与搜索,用户只要安装了V7就可以使用其内置的SQLServer。
和其它软件自带的数据库管理器相比,V7所使用的数据库管理工具更为专业和强大,也更为开放。
Flowmaster具备便捷的数据管理与搜索功能
首先,SQLServer是一款非常专业的数据库管理工具,可以对各种数据进行管理与搜索,包括Flowmaster软件中内置的元件模型数据、系统模型数据、系统参数数据、元件参数数据、用户权限数据、部件性能数据、流体物性数据、各种脚本、模版数据等等。
Flowmaster中的所有数据,都在后台采用标准的SQLServer的数据格式进行存储和读写,有SQLServer数据库引擎(DatabaseEngine)的支持,数据的安全性和读取效率都能得到保障和增强。
其次,SQLServer具有很好的开放性。
因此,对于多用户环境,各个用户终端可以安全共享数据库中的各种数据资源,根据需要对数据库进行扩充和自定义。
此外,数据库的开放性还意味着其它软件工具可以通过访问SQLServer实现对Flowmaster内部数据的读写。
这对于数据在各个专业软件之间的交互,以及深入的二次开发和软件功能的客户定制提供了很大的便利。
2.2智能建模与专家系统
Flowmaster具备完善的智能建模与专家系统,内置了大量流体系统仿真专家的知识与经验,能够为工程师提供非常智能的辅助建模手段。
同时,用户可以根据自己的实际情况,将已有的设计经验、知识与规范引入到专家系统之中,为后续软件使用人员提供指导。
有了专家系统作为保障,软件使用经验将存贮于系统之中,易于实现积累和继承。
以部件参数表为例:
Flowmaster的每个部件都包含有大量的参数,依据可压、不可压、传热等分析类型的不同,部件参数的输入要求也大不相同,这就会给初级工程师造成很大的困惑。
有了Flowmaster的智能建模辅助工具,这个难题就迎刃而解了。
如下图所示,红色的参数条目为必须输入的参数,黄色的参数条目则是可选输入的,这样的参数表简单明了,避免了参数输入的错误。
对于很多元件,提供了大量可选参数项,用户可以根据自己掌握的数据,自行设定必填的参数项,从而指导后续仿真人员,提高仿真精度。
此外,Flowmaster具备封装复合元件与子系统的功能,能够将用户常用并且经过验证的各类复合元件与子系统进行自定义,以便在以后的设计工作中重复使用,大量复合元件与自定义子系统建立以后,用户的知识也随之集成在Flowmaster平台之中。
智能化建模示例:
部件参数输入
复合元件与子系统的封装
Flowmaster的智能仿真平台还体现在交互仿真功能上,交互式仿真功能可以在仿真计算时随时改变元件的某个参数,如马达的转速或阀芯的位置等,这些参数的改变对系统的影响会立刻显示出来。
交互仿真对用户非常有帮助,用户可以实时监视输出结果,改变系统参数,当结果不理想时,可以随时停止仿真。
2.3项目成员与角色分工
Flowmaster能够根据项目需求定义不同权限的用户,例如项目管理人员、产品研发人员、分析人员、试验人员等。
不同人员操作软件及访问各类数据的权限均可视情况进行定制。
由于各类人员能够访问同一个数据库,因此给协同工作带来极大的便利。
首先,项目的执行与监控分工明晰,不再依赖于人际协调的原始模式;其次,任何设计改动,都能够通过数据库直接反馈给相关工程师,从而大幅提高工作效率;此外,用户权限的划分还能够进一步提高数据的安全性。
项目成员与角色分工
2.4软件集成与半实物仿真
为了建立有效的数值仿真平台,必须关心不同CAE软件之间的数据交互与联合仿真,在软件集成的基础上深入发挥各类软件的效能。
Flowmaster具备与Fluent、Matlab等大量CAE软件的接口,同时可与任意支持COM(组件对象模型)的软件实现数据交互。
2.4.1Flowmaster支持基于COM的开发
Flowmaster支持基于COM(ComponentObjectModel,组件对象模型)的开发。
COM是微软对网页伺服器与客户端、增益集与Office系列软件之间互动的软件元件技术。
COM自动化(COMAutomation)是指应用程序的COM化(封装成COM组件),以让外部程序调用这些COM组件,实现各种功能。
因此Flowmaster可以与任何第三方软件方便的集成和二次开发。
2.4.2Flowmaster与PLM/PDM/CAD系统的集成
由于FLOWMSTER支持COM化的开发,因此Flowmaster软件能够非常容易地与第三方PLM/PDM/CAD软件集成,这种集成是一种无缝的完美集成。
Flowmaster核电版基于关系数据库系统SQLSERVER,与PLM/PDM系统非常类似,因此可以实现Flowmaster与PLM/PDM/CAD在数据库级的集成和交互,例如Flowmaster可以从BOM表中获取元件参数和尺寸,PDM系统可以从Flowmaster的数据库中获取元件、网络模型、仿真结果等数据。
基于关系数据库的系统是保证Flowmaster与PLM/PDM便利、充分、完美集成的基础。
2.4.3与三维CFD软件和MATLAB软件的耦合仿真
基于COM自动化技术,Flowmaster已经开发了和许多其他知名CAE软件的接口,如CFDLink(FLUENT和Star_CD)、MatlabLink等。
与FLUENT的接口与Matlab的接口
Flowmaster与其它CAE软件的接口
进一步,只要用户所使用的应用软件支持COM技术(一般应用于Windows操作平台的软件都会支持),就能够通过二次开发实现和Flowmaster之间的无缝集成。
这种耦合仿真是完全实时、双向的耦合仿真,实现系统仿真和部件级仿真的完美结合。
2.4.4与AVLCruise\BOOST的接口
Flowmaster与AVLCruise\BOOST的联合仿真
AVL李斯特公司是奥地利著名的车辆发动机设备提供商与专业咨询机构,在发动机设计制造领域享有盛誉。
其仿真软件包BOOST是专业的内燃机气体动力学分析软件。
Flowmaster提供了和AVLBOOST的接口,能够直接从BOOST把发动机的性能数据以4D文件数据格式传递给Flowmaster的BOOSTEngine元件,例如气缸内壁面热流量等。
此外,BOOST的TNG(ThermalNetworkGenerator)模块可以自动生成Flowmaster发动机热阻模型,精确模拟发动机内部热流分布和温度分布。
TNG所提供的建模功能能够根据用户的需要生成不同复杂度的热阻模型。
结合BOOSTTNG和Flowmaster,工程师可以构复杂的发动机热管理系统模型,考察不同流体系统之间的热耦合。
联合仿真模型
联合仿真结果
2.4.5与AVLEXCITE的接口
在内燃机中,轴承是主要的耗油部件。
对轴承流量的精确计算对与获得可信的结果是非常重要的。
这就需要考虑轴承载荷的周期变化,偏心率,及自身的弹性变形造成的影响。
AVLEXCITE提供了对轴承元件的仿真分析功能,能够生成Flowmaster所需要的BearingMap,考虑轴承间隙、滑油粘度、发动机转速及入口与出口油压的影响。
这些数据可以直接通过Flowmaster的AVLEXCITEBearing元件读入,从而实现两者的耦合。
Flowmaster与AVLEXCITE的联合仿真模型
联合仿真结果
2.4.6通过MpCCI实现多物理场耦合
MpCCI是专业的多物理场耦合软件,可以和所有的主流CFD软件和主流的有限元软件动态、双向耦合,实现系统级仿真和多物理场仿真的耦合。
MpCCI的直接接口包括Flowmaster、Fluent、Ansys、Abaqus、MSC.Marc、StarCD、Flux、IcePak、PERMAS、PosRad、RadTherm。
MpCCI还包含一个开放的应用程序接口,通过它可以和具有开放应用程序接口的任何CAE软件连接。
这样Flowmaster就可以和任何CAE软件实现耦合仿真。
Flowmaster通过MpCCI实现多物理场耦合
2.4.7与OFFICE软件的接口
Office系列软件中都支持宏,例如Excel、Word及Access。
Flowmaster的许多功能也封装成了COM组件,这些组件可以通过运用于Windows平台的其他软件如微软的Office系列软件进行调用,实现数据的交互和分析的自动化。
利用Flowmaster和EXCEL实现的热流体系统仿真平台
2.4.8半实物仿真
Flowmaster具备丰富的控制器元件,支持基于COM(ComponentObjectModel,组件对象模型)的开发,能够非常便捷的与外部数据及外部接口进行实时交互,实现控制器与仿真计算机之间的时间同步,从而开展半实物仿真。
除此之外,Flowmaster与Matlab软件有直接的联合仿真接口,而Matlab具备强大的控制系统仿真功能,因此Flowmaster也可与Matlab联合实现半实物仿真。
由于半实物仿真的结果比数学仿真更接近实际,Flowmaster用于半实物仿真将能够更好的应用于产品的修改定型、产品改型和出厂检验等方面。
下图所示为美国海军地面战斗中心(NSWC)利用Flowmaster对某型“智能阀”开展半实物仿真的
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