CFD熱流體分析軟件Simerics-MP/MP+
更新時間：2025-05-27 發(fā)布人：海基科技
1. 公司及產(chǎn)品概述
Simerics公司是一家針對于流體機械及相關(guān)系統(tǒng)級虛擬仿真的CFD軟件研發(fā)、市場推廣以及技術(shù)支持的公司，專注于向各領(lǐng)域制造商提供能夠幫助減少實際物理實驗成本并增強對自身產(chǎn)品深度認(rèn)識的工程化CFD仿真工具的技術(shù)研發(fā)。
Simerics公司的旗艦產(chǎn)品包括Simerics-MP和Simerics-MP+。
Simerics-MP作為一個通用的CFD仿真軟件，集核心CFD仿真功能與豐富物理模型于一體，可對包括層流、湍流、空化、VOF、熱對流/傳導(dǎo)/輻射、多組分、非牛頓流、顆粒流與熱固耦合、聲學(xué)、優(yōu)化等在內(nèi)的多個物理過程進(jìn)行準(zhǔn)確高效的數(shù)值模擬。
Simerics-MP+作為Simerics-MP的更高級版本，不僅具備Simerics-MP的各項功能，同時還具備包括船舶、車輛、葉輪機械、容積泵、閥門以及系統(tǒng)仿真等在內(nèi)的多個專業(yè)模板，可針對不同的領(lǐng)域分析特點準(zhǔn)確高效的完成網(wǎng)格劃分、模型設(shè)置計算以及后處理等工作。其具體模板如下：
Simerics-MP+ for Marine 船舶模板
Simerics-MP+ for Turbo 葉輪機械模板
Simerics-MP+ for PD 容積式機械模板
Simerics-MP+ for Valves 閥門模板
Simerics-MP+ for Piston Cooling 活塞冷卻模板
Simerics-MP+ for Fuel Tank 油箱模板
Simerics-MP+ for Systems 系統(tǒng)級分析模板
Simerics-MP+ for GT Coupling GT Suite一三維耦合接口
Simerics-MP+ PID Controller PID控制器模板
2. 軟件功能特點
2.1. 完備的流動傳熱求解功能
Simerics-MP求解器利用RANS有限體積方法求解包括可壓流/不可壓流、層流/湍流、亞音速/超音速、導(dǎo)熱/對流傳熱/輻射、內(nèi)流/外流、穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)、空化/氣蝕、多相流（VOF、顆粒流）、多孔介質(zhì)、浮力驅(qū)動流（重力效應(yīng)），旋轉(zhuǎn)/平動等的各種流動問題，可求解從蠕動流至超聲速流問題，同樣也可求解非牛頓流體以及真實氣體等可變屬性的流體問題。
圖 2?1散熱器的流動換熱求解
2.2. 穩(wěn)健而精確的全空化模型
Simerics-MP擁有工業(yè)界獨一無二的空化（汽蝕）模型，該模型基于A shok.Singhal 和Jiang Yu等人提出的全空化模型，基于兩相流的模型思想，用Rayleigh-plesset方程求解氣泡變化的動態(tài)過程，引入了混合密度的概念，并綜合考慮了液體的可壓縮性以及蒸汽的蒸發(fā)和凝結(jié)過程。對于非凝結(jié)氣，Simerics-MP也提供了不同的子模型供用戶選擇，如：
– 固定氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)
– 可變氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)等
– 平衡態(tài)氣體溶解，揮發(fā)模型；
– 有限速率氣體溶解，揮發(fā)模型；
– 全空化氣體模型，結(jié)合有限速率溶解氣體模型和可變氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)
圖 2?2 汽蝕損害模擬區(qū)域與試驗的對比
2.3. 高魯棒性的VOF多相流模型
Simerics-MP VOF多相流分析模型利用高精度液面捕捉算法可求解具有明顯自由液面的多相流流動與傳熱問題，其隱式和顯式算法均具有求解快速和高魯棒性特點。模型功能特點：
? 嚴(yán)格遵守質(zhì)量守恒及不可壓縮項的體積守恒
? 可考慮任意項的可壓/不可壓特性
? 高分辨率的交互面捕捉方法
? 表面張力
? 壁面接觸角
? 適用于復(fù)雜設(shè)備的多相流模擬，如汽車涉水、齒輪箱油液潤滑、油泵自吸、液環(huán)泵、油冷電機冷卻、潰壩等的多相流仿真
圖 2?3 油冷電機流固共軛傳熱仿真
圖 2?4 液環(huán)泵模擬對比
2.4. 計算聲學(xué)分析技術(shù)
SimericsMP的計算聲學(xué)求解器，采用聲類比方法，對流場結(jié)果進(jìn)行后處理以實現(xiàn)聲學(xué)預(yù)測，支持并行求解。軟件支持的聲學(xué)計算模型包含：
源模型
– 寬帶源模型（Broadband Source Models）
– Lighthill應(yīng)力模型（Lighthill Stress Model）
源與傳播模型
– FW-H模型（Ffowcs Williams – Hawkings Model）
圖 2?5 風(fēng)扇的氣動噪聲分析（聲功率級）
圖 2?6 風(fēng)扇的功率譜密度對比
2.5. 貝葉斯優(yōu)化分析技術(shù)
SimericsMP內(nèi)置貝葉斯優(yōu)化求解器，貝葉斯優(yōu)化（Bayesian Optimization） 是一種基于概率模型的全局優(yōu)化方法，主要用于高效搜索黑箱函數(shù)（Black-Box Function）的最優(yōu)解，尤其適用于目標(biāo)函數(shù)計算代價高、導(dǎo)數(shù)不可用或未知的場景（如超參數(shù)調(diào)優(yōu)、實驗設(shè)計等）。SimericsMP的優(yōu)化求解作為一個單獨的模塊內(nèi)置與軟件中，與SimericsMP的CFD求解器完全集成，設(shè)置簡便快速，大大簡化了用戶進(jìn)行優(yōu)化求解的流程。在CAD接口方面，SimericsMP的優(yōu)化求解器支持類型如下：
– 葉輪機械參數(shù)化設(shè)計工具CFturbo
– 其他參數(shù)化CAD通用接口
– SimericsMP內(nèi)置的網(wǎng)格/幾何工具
如下案例所示，利用50次DOE運行和110次優(yōu)化運行，每個case運行時間約15分鐘，最終獲得優(yōu)化結(jié)果如下：
圖 2?7 SimericsMP軸流泵優(yōu)化應(yīng)用
2.6. 高度自適應(yīng)的網(wǎng)格建模功能
Simerics-MP高度自適應(yīng)的二叉樹笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)可以便利的生成CFD求解器可以高效求解的高質(zhì)量網(wǎng)格，采用專有的幾何等角自適應(yīng)二元樹（geometry Conformal Adaptative Binary-tree）算法在由封閉表面構(gòu)成的體域生成迪卡爾網(wǎng)格。在靠近幾何邊界，CAB自動調(diào)整網(wǎng)格來適應(yīng)幾何曲面和幾何邊界線。
圖 2?8 Simerics-MP通用笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)
Simerics-MP內(nèi)置通用的網(wǎng)格模板技術(shù)，可參數(shù)化生成棱柱體、六面體、圓柱體等的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。
圖 2?9 Simerics-MP通用模板網(wǎng)格技術(shù)
2.7. 高效的同步CFD分析功能
Simerics-MP可無縫集成在Creo、Catia等主流CAD環(huán)境中，所有設(shè)計-仿真-結(jié)果-改進(jìn)設(shè)計過程都在CAD環(huán)境中完成。針對改進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計，可一鍵式更新CFD模型，無需重復(fù)抽取流體域、網(wǎng)格劃分等操作，效率極高。使工程師能夠集中精力處理產(chǎn)品設(shè)計，探索眾多設(shè)計選項的可行性。
圖 2?10嵌入至CREO里的Simerics-MP
2.8. Simerics-MP+運動機械網(wǎng)格模板技術(shù)
針對不同的運動機械模型，提供了一個模板化的網(wǎng)格生成器，通過一鍵式的操作專門生成運動機械轉(zhuǎn)子部分的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。
網(wǎng)格模板類型：
? 齒輪泵（外嚙合齒輪泵、擺線內(nèi)嚙合、新月形內(nèi)嚙合齒輪泵）
? 葉片泵（定排量/變排量）
? 柱塞泵（斜盤式柱塞泵、斜軸式柱塞泵、徑向式柱塞泵）
? 渦旋壓縮機
? 滾動轉(zhuǎn)子壓縮機
? 螺桿泵/壓縮機
圖 2?11 Simerics-MP+運動機械網(wǎng)格模板技術(shù)
2.9. Simerics-MP+ for Vehicle整車模板
可精確模擬車輛發(fā)動機外氣動、前艙通風(fēng)、整車熱管理、車窗水管理、汽車涉水、擋風(fēng)玻璃除霜除霧、白車身等等多方面的熱流體問題。Simerics-MP+結(jié)合了領(lǐng)先的CFD架構(gòu)與Simerics公司先進(jìn)的算法和物理模型，可幫助客戶快速建模并獲得可靠的計算結(jié)果。
功能特點：
? 無需繁瑣的幾何清理，幾何模型直接可用；
? 網(wǎng)格生成模板化，一鍵式網(wǎng)格生成，自動多區(qū)塊網(wǎng)格加密；
? 模型設(shè)置模板化，包括多孔介質(zhì)，風(fēng)扇模型設(shè)置，邊界條件的自動設(shè)置等；
? 超快的建模能力，可節(jié)約3/4的建模時間；
? 精確的計算結(jié)果，多個車型的試驗驗證。
整車結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格精確解析
圖 2?12 整車發(fā)動機前艙氣動分析
2.10. Simerics-MP+ for Marine船舶模板
可對船體設(shè)計、摩阻/波阻、有效馬力、推進(jìn)速度/加速度、船體浮沉，以及船舶操縱/適航/推進(jìn)系統(tǒng)等進(jìn)行精確模擬并提供有效的性能預(yù)測，也可與專業(yè)的船型設(shè)計軟件進(jìn)行無縫集成，實現(xiàn)從船體設(shè)計到性能仿真的一鍵式操作。
功能特點：
? 網(wǎng)格生成模板化，一鍵式網(wǎng)格生成，自動多區(qū)塊網(wǎng)格加密
? 模型設(shè)置模板化，包括對自由度模型（如俯仰、沉降、回轉(zhuǎn)等）、非慣性坐標(biāo)系以及動網(wǎng)格的設(shè)置等
? 超快的建模能力， 2mins內(nèi)完成網(wǎng)格建模， 5mins內(nèi)完成模型設(shè)置
? 穩(wěn)健而先進(jìn)的VOF物理模型，精確捕捉氣液界面
? 精確的計算結(jié)果，多個船型數(shù)據(jù)的結(jié)果驗證
圖 2?13模板自動多區(qū)塊網(wǎng)格加密
圖 2?14 船舶旋回圈模擬
2.11. Simerics-MP+ for Turbo葉輪機械模板
可對包含離心/混流/軸流式泵/風(fēng)機/壓縮機/渦輪/水輪機/螺旋槳等在內(nèi)的葉輪機械進(jìn)行精確模擬并提供有效的性能預(yù)測。葉輪機械流體仿真的功能特點有：
? 高度自適應(yīng)的網(wǎng)格生成能力
? 葉輪機械仿真模板指導(dǎo)計算模型設(shè)置，專業(yè)葉輪機械后處理功能
? 穩(wěn)定而精確的全空化數(shù)值模型
? 高效的求解能力
圖 2?15 多級離心泵仿真
圖 2?16 液力緩速器模擬
2.12. Simerics-MP+ for PD容積式機械模板
可對包含齒輪泵（外嚙合齒輪泵、擺線內(nèi)嚙合、新月形內(nèi)嚙合齒輪泵）、葉片泵（定排量/變排量）、柱塞泵（斜盤式柱塞泵、斜軸式柱塞泵、徑向式柱塞泵）、滾柱泵、渦旋壓縮機、滾動轉(zhuǎn)子壓縮機、螺桿泵/壓縮機等在內(nèi)的容積式機械及相關(guān)流體系統(tǒng)進(jìn)行精確模擬，并提供有效的性能預(yù)測。容積式機械流體仿真的功能特點有：
? 模板式轉(zhuǎn)子區(qū)域結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成
? 模板式轉(zhuǎn)子區(qū)域動網(wǎng)格變形設(shè)置
? 高效的求解能力
圖 2?17 微米級間隙的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成
圖 2?18 柱塞泵摩擦副流場模擬
圖 2?19 精確的壓力脈動預(yù)測
2.13. Simerics-MP+ for Valve閥門模板
可對往復(fù)式（滑閥、球閥、釋壓閥、截止閥、閘閥等）和旋擺式（旋啟式止回閥、旋擺閥等）運動形式的閥門、活塞及相關(guān)流體系統(tǒng)進(jìn)行精確模擬，并提供有效的性能預(yù)測。支持閥門/活塞從關(guān)閉至開啟整個運動過程的瞬態(tài)模擬，支持閥門全關(guān)模擬。閥門仿真的功能特點有：
? 模板式閥門運動區(qū)域網(wǎng)格劃分
? 模板式閥門運動區(qū)域動網(wǎng)格設(shè)置
? 模板式閥門運動動力學(xué)設(shè)置
? 穩(wěn)定而精確的全空化數(shù)值模型
? 高效的求解能力
圖 2?20 多閥門聯(lián)合仿真分析
2.14. Simerics-MP+ for Piston Cooling活塞冷卻模板
可對不同活塞噴油冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行VOF多相流仿真分析，通過時間異步的流固共軛傳熱技術(shù)快速完成活塞冷卻的熱平衡計算?；钊鋮s模擬的功能特點有：
? 模板式活塞關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分
? 模板式活塞運動網(wǎng)格設(shè)置
? 模板式時間異步共軛傳熱計算設(shè)置
? 穩(wěn)定而精確的VOF多相流模型
? 高效的求解能力
圖 2?21 活塞噴油冷卻模擬
2.15. Simerics-MP+ for Fuel Tank油箱模板
對包含閥門和浮子的油箱加注和晃蕩過程進(jìn)行VOF多相流仿真分析，并提供有效的性能預(yù)測。油箱仿真的功能特點有：
? 模板式油箱的網(wǎng)格劃分，包含閥門和浮子結(jié)構(gòu)
? 模板式閥門和浮子結(jié)構(gòu)的動網(wǎng)格設(shè)置
? 模板式閥門和浮子運動的動力學(xué)模型設(shè)置
? 穩(wěn)定而精確的VOF多相流分析模型
? 高效的求解能力
圖 2?22 帶浮子結(jié)構(gòu)的油箱晃蕩模擬
圖 2?23 帶閥門結(jié)構(gòu)的油箱加注過程仿真分析
2.16. Simerics-MP+ for General Gear通用齒輪模板
對包含多個齒輪的機械設(shè)備進(jìn)行流場仿真分析，并提供有效的性能預(yù)測，如行星齒輪、斜齒輪、外嚙合齒輪（兩個或三個齒輪嚙合）、新月形內(nèi)嚙合齒輪、螺桿壓縮機/泵、齒輪箱等的仿真分析。通用齒輪仿真的功能特點有：
? 模板式齒輪區(qū)域的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，齒輪邊界層網(wǎng)格建模，不限齒輪數(shù)，支持斜齒和直齒
? 模板式齒輪區(qū)域的動網(wǎng)格設(shè)置
? 真實嚙合間隙的模擬
? 穩(wěn)健而精確的VOF多相流分析模型
? 高效的求解能力
圖 2?24 外嚙合齒輪泵仿真
圖 2?25 行星齒輪仿真
2.17. Simerics-MP+ for system流體系統(tǒng)仿真
結(jié)合了Simerics-MP+基本包、葉輪機械模板、容積式機械模板、閥門模板、并行求解的所有功能，可對復(fù)雜的流體系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真分析，提供有效的性能預(yù)測。
圖 2?26 冷卻系統(tǒng)加注與排氣過程仿真
圖 2?27 潤滑系統(tǒng)仿真
2.18. Simerics-MP+一三維耦合接口
可實現(xiàn)與GT-Suite的聯(lián)合仿真功能，通過對數(shù)據(jù)交互的邊界面和參數(shù)進(jìn)行定義，實現(xiàn)與GT-Suite的一三維聯(lián)合仿真。
圖 2?28 Simerics-MP+一三維聯(lián)合仿真
2.19. Simerics-MP+ PID控制器功能
軟件的控制器模塊可對PID控制器的行為進(jìn)行建模，優(yōu)化控制器參數(shù)，幫助用戶調(diào)整輸入以獲得所需輸出。
圖 2?29 基于PID控制器的流量計算
2.20. Simerics-MP+高效的求解器
Simerics-MP/MP+求解器是在傳統(tǒng)的CFD求解器基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)和改進(jìn)，將其最新的數(shù)值技術(shù)與Simerics-MP專有算法相結(jié)合，建立了一個比其它競爭對手更快速、更穩(wěn)健的數(shù)值模擬工具。
Simerics-MP/MP+具備8/32/128/256及以上無限核的并行版本，并行效率隨并行核數(shù)的線性化趨勢良好，最大限度的使用了計算資源。強大的并行計算功能可協(xié)助用戶快速進(jìn)行復(fù)雜模型乃至系統(tǒng)級模型的CFD分析工作。
2.21. 可靠的計算結(jié)果
Simerics-MP計算結(jié)果的可靠性已經(jīng)得到眾多工程實例的驗證。
1）經(jīng)典物理實驗驗證
Simerics-MP卡門渦街模擬驗證
Simerics-MP漩渦蛙跳模擬驗證
Simerics-MP自然對流模擬驗證
滑片泵性能預(yù)測驗證
