一維熱流體系統(tǒng)仿真軟件Flownex建模和仿真高級技巧應用

導讀：Flownex是一款符合ISO 9001:2008標準和核電設施質量保證要求（NQA1）的系統(tǒng)級熱流體仿真軟件，能快速、準確、高效地模擬復雜的熱流動環(huán)境，并對復雜的熱流系統(tǒng)進行設計和優(yōu)化。

當前，Flownex具有強大的仿真能力，可以計算氣體、液體、氣體混合物以及均勻兩相流的流動；它能夠模擬分析快速變化及慢速變化的動態(tài)過程；還能夠計算流體和固體之間的熱交換，計算系統(tǒng)各元件的壓力變化和換熱情況；并且能夠在仿真系統(tǒng)中添加各種控制元件，對控制過程進行瞬態(tài)仿真；還具有強大的用戶圖形界面和輸出能力，能與Excel、Ansys、MATLAB、Simulink、Labview等軟件進行數據交換或交互計算；在核工業(yè)、石油化工、能源電力系統(tǒng)、航空航天以及暖通空調等方面均有廣泛的應用。

一、Flownex特色功能

1、豐富的元件庫和材料庫

作為系統(tǒng)級熱流體仿真軟件，Flownex提供了豐富的元件庫，包括管、閥、容器、旋轉機械（泵和渦輪等）、熱交換器以及機械結構等大量的基本元件，用戶可以利用各種元件搭建理想的仿真模型；同時，Flownex還提供了大量的材料庫，包含了大量的氣體、液體、兩相流體以及其它材料（如金屬）的屬性，用戶可以選擇相應的工質，保證仿真結果的可靠性；此外，Flownex還提供了大量的閥、泵、壓縮機和渦輪的特性曲線，用戶也可以添加實際的自定義特性曲線，使仿真結果更為準確。

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2、快速高效的求解算法

Flownex采用隱式壓力校正算法（IPCM），無論是計算穩(wěn)態(tài)過程還是瞬態(tài)過程，具有非常高的計算效率以及數值穩(wěn)定性。

3、多種換熱模型

Flownex提供了多種換熱模型，用戶可以根據需求選用熱交換器元件，例如蒸發(fā)器、翅片式換熱器、管殼式換熱器、同流式換熱器等，確保仿真模型接近于實際工況；另外，用戶還可以采用換熱模型計算換熱量，包括熱傳導、對流換熱、輻射換熱以及氣膜冷卻等，尤其是氣膜冷卻，對于計算燃燒室冷卻和渦輪冷卻計算是十分重要的。

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4、控制過程仿真

Flownex提供了控制模塊，用戶可以在仿真系統(tǒng)中添加各種控制元件，如控制器、濾波器、開關等模擬元件；計算器、邏輯門、定時器等數字組件；以及模數轉換、數模轉換等轉換器。根據需求設定控制目標和控制策略，利用Flownex對控制過程中系統(tǒng)的瞬態(tài)響應進行模擬。

5、分析、設計和優(yōu)化功能

Flownex在仿真的基礎上，還提供了分析、設計和優(yōu)化的功能。用戶可以對系統(tǒng)的參數進行敏感性分析，可以設定具體目標（如流量）、設計相關參數（如閥門開度），也可以進行壓氣機和渦輪的功率匹配，還可以給定目標（如最大值或最小值），確定最佳工作點或控制策略。

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6、第三方軟件交互計算

Flownex具有很強的可擴展性，可以通過建立子系統(tǒng)來模擬復雜的系統(tǒng)；可以與Excel、ANSYS Mechanical、ANSYS Fluent、MATLAB、Simulink、Labview等軟件進行數據交換或交互計算。

7、實用的后處理技術

Flownex提供了強大的后處理功能，不僅提供了柱狀圖、折線圖、餅圖等常規(guī)的可視化功能，還提供了儀表、開關、進度條等簡單實用的操作可視化元件。用戶可以利用開關控制泵的啟動和關閉，通過進度條控制閥門的開度等。Flownex還提供了三維視圖，可以更加直觀的感受管網系統(tǒng)的分布，另外，還可以借助Google map地理信息，快速建立石油天然氣等管道運輸系統(tǒng)，提高工作效率。

二、Flownex典型案例應用

Flownex在各行業(yè)都有著廣泛的應用，在核工業(yè)領域，可以對球床模塊高溫氣冷堆（PBMR）、水循環(huán)、蒸汽渦輪循環(huán)系統(tǒng)進行仿真和分析；在航空航天領域，可以計算燃燒火焰溫度，換熱以及氣膜冷卻過程、壓氣機-渦輪性能匹配、噴管流動、空中加油系統(tǒng)等；在能源動力領域，可以模擬蒸汽余熱發(fā)生器、換熱器、鍋爐、蒸汽渦輪系統(tǒng)；在石油化工領域，可以模擬管路系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)過程以及熱管破裂問題；在暖通空調領域，可以模擬建筑物空氣系統(tǒng)、制冷機組以及熱交換器等。

（1）空調制冷系統(tǒng)仿真計算

空調系統(tǒng)仿真計算

（2）采礦作業(yè)井下通風/給水系統(tǒng)設計

給水系統(tǒng)的設計

（3）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設計

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)仿真模型

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運行結果

（4）火電廠熱平衡計算

燃氣-蒸汽循環(huán)系統(tǒng)仿真

（5）高溫氣冷堆熱力計算

PBMR熱力系統(tǒng)仿真系統(tǒng)圖

球床反應堆計算元件

（6）核電站熱平衡計算

一回路和二回路循環(huán)的熱平衡計算

（7）空氣冷卻器設計

空氣冷卻器仿真圖

各分支流量平衡計算結果

（8）石油管路系統(tǒng)仿真

石油管路系統(tǒng)仿真圖

原油溫度變化時管路系統(tǒng)仿真結果

（9）LNG儲罐存儲與運輸

LNG加氣站加氣過程仿真結果

（10）航空發(fā)動機整機性能分析

發(fā)動機整機性能仿真

地面狀態(tài)發(fā)動機性能仿真

（11）航空發(fā)動機燃燒室換熱計算

燃燒室換熱計算基本元件

發(fā)動機燃燒室火焰筒物理模型

發(fā)動機燃燒室流動與換熱仿真圖

發(fā)動機火焰筒壁面溫度分布（藍色為燃氣溫度，紅色為火焰筒壁面溫度）

E3核心機燃燒室結構圖

E3燃燒室換熱仿真模型

不同工況下E3燃燒室火焰筒壁面溫度分布

（12）二次空氣系統(tǒng)計算

渦輪間隙流動仿真

渦輪內部冷卻氣流流動仿真

（13）汽車熱管理仿真

汽車整車的熱管理仿真

（14）Flownex-ANSYS聯(lián)合仿真

Flownex-ANSYS耦合示意圖

當前，Flownex能夠與Fluent、Mechanical單獨耦合計算，也可以將Flownex與Workbench進行聯(lián)合仿真。

Flownex-Workbench耦合

審核編輯：劉清