一维热流体系统仿真软件Flownex建模和仿真高级技巧应用

导读：Flownex是一款符合ISO 9001:2008标准和核电设施质量保证要求（NQA1）的系统级热流体仿真软件，能快速、准确、高效地模拟复杂的热流动环境，并对复杂的热流系统进行设计和优化。

当前，Flownex具有强大的仿真能力，可以计算气体、液体、气体混合物以及均匀两相流的流动；它能够模拟分析快速变化及慢速变化的动态过程；还能够计算流体和固体之间的热交换，计算系统各元件的压力变化和换热情况；并且能够在仿真系统中添加各种控制元件，对控制过程进行瞬态仿真；还具有强大的用户图形界面和输出能力，能与Excel、Ansys、MATLAB、Simulink、Labview等软件进行数据交换或交互计算；在核工业、石油化工、能源电力系统、航空航天以及暖通空调等方面均有广泛的应用。

一、Flownex特色功能

1、丰富的元件库和材料库

作为系统级热流体仿真软件，Flownex提供了丰富的元件库，包括管、阀、容器、旋转机械（泵和涡轮等）、热交换器以及机械结构等大量的基本元件，用户可以利用各种元件搭建理想的仿真模型；同时，Flownex还提供了大量的材料库，包含了大量的气体、液体、两相流体以及其它材料（如金属）的属性，用户可以选择相应的工质，保证仿真结果的可靠性；此外，Flownex还提供了大量的阀、泵、压缩机和涡轮的特性曲线，用户也可以添加实际的自定义特性曲线，使仿真结果更为准确。

 

2、快速高效的求解算法

Flownex采用隐式压力校正算法（IPCM），无论是计算稳态过程还是瞬态过程，具有非常高的计算效率以及数值稳定性。

3、多种换热模型

Flownex提供了多种换热模型，用户可以根据需求选用热交换器元件，例如蒸发器、翅片式换热器、管壳式换热器、同流式换热器等，确保仿真模型接近于实际工况；另外，用户还可以采用换热模型计算换热量，包括热传导、对流换热、辐射换热以及气膜冷却等，尤其是气膜冷却，对于计算燃烧室冷却和涡轮冷却计算是十分重要的。

 

4、控制过程仿真

Flownex提供了控制模块，用户可以在仿真系统中添加各种控制元件，如控制器、滤波器、开关等模拟元件；计算器、逻辑门、定时器等数字组件；以及模数转换、数模转换等转换器。根据需求设定控制目标和控制策略，利用Flownex对控制过程中系统的瞬态响应进行模拟。

5、分析、设计和优化功能

Flownex在仿真的基础上，还提供了分析、设计和优化的功能。用户可以对系统的参数进行敏感性分析，可以设定具体目标（如流量）、设计相关参数（如阀门开度），也可以进行压气机和涡轮的功率匹配，还可以给定目标（如最大值或最小值），确定最佳工作点或控制策略。

 

6、第三方软件交互计算

Flownex具有很强的可扩展性，可以通过建立子系统来模拟复杂的系统；可以与Excel、ANSYS Mechanical、ANSYS Fluent、MATLAB、Simulink、Labview等软件进行数据交换或交互计算。

7、实用的后处理技术

Flownex提供了强大的后处理功能，不仅提供了柱状图、折线图、饼图等常规的可视化功能，还提供了仪表、开关、进度条等简单实用的操作可视化元件。用户可以利用开关控制泵的启动和关闭，通过进度条控制阀门的开度等。Flownex还提供了三维视图，可以更加直观的感受管网系统的分布，另外，还可以借助Google map地理信息，快速建立石油天然气等管道运输系统，提高工作效率。

二、Flownex典型案例应用

Flownex在各行业都有着广泛的应用，在核工业领域，可以对球床模块高温气冷堆（PBMR）、水循环、蒸汽涡轮循环系统进行仿真和分析；在航空航天领域，可以计算燃烧火焰温度，换热以及气膜冷却过程、压气机-涡轮性能匹配、喷管流动、空中加油系统等；在能源动力领域，可以模拟蒸汽余热发生器、换热器、锅炉、蒸汽涡轮系统；在石油化工领域，可以模拟管路系统、冷却水循环过程以及热管破裂问题；在暖通空调领域，可以模拟建筑物空气系统、制冷机组以及热交换器等。

（1）空调制冷系统仿真计算

空调系统仿真计算

（2）采矿作业井下通风/给水系统设计

给水系统的设计

（3）循环冷却水系统设计

循环冷却水系统仿真模型

循环冷却水系统运行结果

（4）火电厂热平衡计算

燃气-蒸汽循环系统仿真

（5）高温气冷堆热力计算

PBMR热力系统仿真系统图

球床反应堆计算元件

（6）核电站热平衡计算

一回路和二回路循环的热平衡计算

（7）空气冷却器设计

空气冷却器仿真图

各分支流量平衡计算结果

（8）石油管路系统仿真

石油管路系统仿真图

原油温度变化时管路系统仿真结果

（9）LNG储罐存储与运输

LNG加气站加气过程仿真结果

（10）航空发动机整机性能分析

发动机整机性能仿真

地面状态发动机性能仿真

（11）航空发动机燃烧室换热计算

燃烧室换热计算基本元件

发动机燃烧室火焰筒物理模型

发动机燃烧室流动与换热仿真图

发动机火焰筒壁面温度分布（蓝色为燃气温度，红色为火焰筒壁面温度）

E3核心机燃烧室结构图

E3燃烧室换热仿真模型

不同工况下E3燃烧室火焰筒壁面温度分布

（12）二次空气系统计算

涡轮间隙流动仿真

涡轮内部冷却气流流动仿真

（13）汽车热管理仿真

汽车整车的热管理仿真

（14）Flownex-ANSYS联合仿真

Flownex-ANSYS耦合示意图

当前，Flownex能够与Fluent、Mechanical单独耦合计算，也可以将Flownex与Workbench进行联合仿真。

Flownex-Workbench耦合

审核编辑：刘清