装备制造

大规模数值模拟在装备研发和基础研究中扮演越来越重要的角色。重大装备吸能、抗冲击、热管理、轻量化和多功能结构优化设计,大型零件制造过程的数值模拟等离不开大规模数值模拟技术的支撑。计算机仿真技术作为产品研发过程中的重要手段,可大幅缩减产品的设计与研制周期,提高产品的技术性能指标与产品质量,同时节省大量的经费。天河工程设计与仿真云平台满足企业开展仿真计算的软硬件需求,全力支持企业开展产品设计,帮助装备制造企业提升自主创新能力,由“制造”变为“创造”。

目前,天河工程仿真云已为中船重工718所、中国一重、力神电池、天津银泰、丹佛斯、天大内燃机国家重点实验室等企业、高校、研究机构提供高性能仿真计算服务。

 

应用案例:

非能动氢复合器热辐射区仿真——中船重工718所

基于氢气和氧气催化氧化技术开发的非能动氢气复合器(Passive Autocatalytic Recombiner,PAR)可以有效地解决核电厂发生设计基准事故(Design-basis Accident,DBA)中氢气风险问题,缓解严重事故(Severe Accident,SA)的氢气风险。中船重工718所需要对自主研发的非能动氢复合器在稳态运行时的消氢能力、本体、支撑以及周围气流温度分布进行严格测试。该所采用CFD方法对非能动氢复合器进行仿真模拟,然而几何模型网格数量多,采用的数学模型复杂,利用目前先进的个人计算机仍较耗费时间。利用“天河工程仿真云平台” ,利用48 CPU核进行了近百组计算,计算时间少于48小时,取得了丰硕的成果。图1为非能动氢复合器器热辐射区三维仿真结果。

图1 非能动氢复合器热辐射区三维仿真结果

车载锂电池项目开发——力神电池

项目利用 “工程设计与仿真云平台”,使用128核计算400万网格数量,计算电池的固有频率、振动特性,整车工况下的被动安全结构受力、电池总成的安全可靠性。 通过仿真设计,使锂电池系统结构合理、质量可靠、设计研发周期和研发费用明显降低,同时帮助企业培养了一批具备仿真分析能力的技术团队。

图2 力神车载锂电池项目开发

内燃机数值仿真平台——天大内燃机国家重点实验室

与天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室共建内燃机数值仿真平台,结合中心的计算能力及技术和天大内燃机实验室的专业实力共同推进国内内燃机的设计制造水平。内燃机数值仿真平台可进行内燃机缸内瞬态流场、进排气流场、多缸内燃机工作过程等的数值模拟。借助先进内燃机仿真软件简化内燃机的网格划分难度,提高前处理效率;利用中心强大的计算能力可有效缩短计算时间,显著提高计算效率。

整体侧围外板仿真

图3 内燃机仿真结果

RBCC模型发动机内流场大涡模拟计算——西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家重点实验室

火箭基组合循环(RBCC, Rocket-Based Combined-Cycle)推进系统有机组合了火箭发动机和冲压发动机,实现宽范围和多模态高效工作,兼具加速和巡航的优点。RBCC发动机在同一流道内集成了引射、亚燃、超燃和火箭模态,能够实现从地面零速启动、高空高超声速巡航和入轨的宽包线、大空域机动飞行任务。高度集成化设计和全弹道相对较优的性能,成为天地往返运输和临近空间飞行器最具潜力的组合动力方案之一。

西北工业大学燃烧、热结构与内流场国家级重点实验室基于天津超算中心的“天河仿真云平台”,针对RBCC模型发动机在宽范围和多模态工作的动态燃烧过程,采用大涡模拟计算的手段开展了深入研究,仿真规模庞大、过程复杂(大涡模拟,时间步长1e-6,共200万步)。通过本次模拟,显著提高计算效率;揭示了发动机燃烧室内流动、掺混和燃烧过程的动态特性,为RBCC发动机结构设计、参数合理选择、燃烧高效组织和性能总体优化提供有效支撑。

表1为用户应用个人PC机与天河仿真云平台的测试结果对比。图4为利用RBCC地面直连实验系统与大涡模拟结果对比图,右图可知,仿真结果与实验吻合较好;图5为RBCC模型发动机内流场大涡模拟结果。

图4 利用RBCC地面直连实验系统与大涡模拟结果对比图

图5 RBCC模型发动机燃烧室大涡模拟结果

过滤器流场仿真计算——中船重工718所

目前,全球环境日益恶化,与人类息息相关的空气环境更是如此,已经严重危及到人类的健康。由中船重工718所委托天津超算中心,利用“工程设计与仿真云平台”,对空气过滤装置结构内流场进行CFD仿真计算,以期得到最优结构,保证过滤器进口处的质量流量趋于均衡,以达到实际工程应用的要求。本次仿真过程复杂(工况较多)、计算精度要求高、任务时间紧迫;应用天河仿真云平台,大大缩短了项目计算时间,同时保证了计算精度,为结构实际设计制造提供了理论依据,对实际生产设计具有很大的指导意义。

表2为天河仿真云平台的测试结果。图6为过滤器内部流场分布图。

图6 过滤器内部流场分布图

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