SINDA/FLUINT--航空航天工业中的热流分析标准 - 文章

SINDA/FLUINT--航空航天工业中的热流分析标准

作者：CULLIMORE & RING

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SINDA/FLUINT 是一个应用于复杂系统热设计分析和流体流动分析的综合性有限差分、集总参数软件。在全球有超过 25 个国家、500 的正版用户。应用领域包括航空航天、电子、石油化工、生物医药、汽车等行业。

多年以来，SINDA/FLUINT 已经在航空航天业界提供给用户最可靠的传热与流体流动设计分析服务，所有参与 NASA 国际空间站合作项目的客户都必须使用 SINDA/FLUINT 软件进行热设计。SINDA/FLUINT 软件是一个综合性的、通用的设计与分析工具，能够模拟电子、汽车、石油化工、航空航天等领域内存在的复杂的热/流体系统的传热过程。几十年来，软件的能力和可靠性一次次被证明。

SINDA/FLUINT在行业中的杰出表现使它于1991年被授予 NASA Space Act Award（美国航空航天贡献奖）。2005 年，NASA 全机构推广了 SINDA/FLUINT 软件理论与技术成果，并有史以来首次全机构集体购买了整套软件——SINDA/FLUINT 软件。

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空间站模拟

SINDA/FLUINT 基于有限差分法，集总参数理论，离散化的经验公式，由 CULLIMORE & RING 公司开发出的强大的求解器 SINDA/FLUINT 和一个功能完善的 3D 前后处理器Thermal Desktop所组成。应用领域包括热辐射、流固耦合传热分析、复杂管网及水力件、热管、压缩循环，多相/多组分流动（自动判别流域变化/临界热流/临界流）、旋转机械、水锤、线面接触热阻、隔热绝热材料、导热强化措施、多轴旋转或多自由度平移辐射、翅片/泵/压力损失件模拟、物理化学反应热（相变与热烧蚀）分析，半导体制冷等，涵盖了热流工程应用的方方面面。

SINDA/FLUINT 软件提供的是一个强大的离散工具，工程系统通过它可以完成由几个节点到百万级节点的转换，使用者的角色可在系统设计师和部件分析师之间随时转换；SINDA/FLUINT 提供的是一个强大的求解工具，它具有简洁的理论基础和开放的用户界面，能让用户处理崭新的工程课题；SINDA/FLUINT 还是一个智能机，它有内嵌的函数，也有开放的接口，全参数建模、多变量约束、能实现在指定目标和约束下的自动优化。SINDA/FLUINT 智能分析已经实现工程化应用。软件所基于的理论和技术支持使得模型缩放不影响计算准确度，这也使得 SINDA/FLUINT 可以不对硬件提过高要求，而完成工程急需的设计优化工作。

SINDA/FLUIN提供先进的软件工具，帮助热/流体工程师不仅能得到问题的答案，而且能快速、准确、智能地为产品提供系统的解决方案。无论是使用的是非几何界面的分析器，还是基于CAD的几何界面的分析器，都可以在设计和分析中引入传统的稳态和瞬态模拟所未曾有过的先进技术，实现系统设计的最佳化。

SINDA/FLUINT是世界上将软件设计的“智能性”发挥得最好的一款软件。在用户手中，热分析和热设计不再是“一问一答”机械性的唱和，软件能自动帮您完成尺寸和布局优化、能让您在参数尚未完全确定前即可开始分析，并能在您指定的众多变量的可变动范围内，找出系统最优的解答，找出极端工况（设计工况），进行可靠度、敏感性分析等。[1]

实例1、追踪红外和太阳阴影案例

在Texas A&M University 空间飞行器技术中心，工程师利用的SINDA/FLUINT 产品的蒙特卡罗光线追踪能力,在此基础上给出了国际空间站（ISS）对航天飞机腹部遮挡的动态显示。两者的空间位置关系是：航天飞机有效载荷舱门对地，同速飞行的国际空间站位于航天飞机上方，遮挡住投射到航天飞机腹部的阳光。

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实例2、火星探测器流浪者号的设计

火星探测器流浪者号Mars Exploration Rover (MER)于2004年一月在火星着陆，在之前的设计的时候，加州工程学院（California Institute of Technology）的研究人员Daniel P. Thunnissen和Glenn T. Tsuyuki对极端工况下的飞船中的每个部件进行了模拟。针对探测车的SINDA模型，采用了将近900个节点。模型采用蒙特卡罗光线追踪能力，对火星探测器的4个主要部件的温度分布进行预测。分别是：电力模块(REM)，电池模块，太空雷达收发机 (SDST)和固态电力功率放大器(SSPA)。模型成功帮助设计人员对热控系统进行了改进，模拟的结果和实际检测的结果非常接近。[2]

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实例3、低温热/流体模拟

在 SINDA/FLUINT 中提供了多种通用热/流体模拟工具以满足低温流体系统设计与分析的特殊需求。这些工具独一无二地提供了整个低温容器系统（含压力系统）的集成模拟能力。这些模型能与结构和环境的热模型建立内在联系。这个案例对比了SINDA/FLUINT计算结果与1966年美国国家标准局的实验数据（现在的国家标准技术研究所 NIST），同时使用了C&R公司的Thermal Desktop和FloCAD，用于建模和后处理。

在国家标准局的实验中，使用了300升容积的压力箱提供近乎常温常压的液氢。压力箱与大气环境间通过装有一系列阀门的空管线隔离。管线为真空隔离的3/4英寸铜管。在起始时刻，打开一个阀门（假定是最下游处），使得液氢流动起来并充满整个管线，然后在出口处排放。

下面给出的瞬态变化规律代表了这次研究的主要内容——计算结果和国家标准局的实验数据对比。数据表明：计算得到的管线进口端注入速度稍稍快于实验结果，但在整体上，计算结果与实验数据符合程度很好，尤其对最重要的参数——管线完全冷却下来的时间（液氢消耗时间），模拟的非常准确。

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低温推进剂在热力学研究在发动机的启动阶段是非常有用的。这项研究包括预测热辐射、热传导、热对流、蒸发，热传唤以及混合。许多时候，这需要相当多的软件，如果热力学分析软件，计算流体分析软件等等，这种做法的缺陷就是几种软件之间的数据传送，这使得仿真的结果产生比较大的误差。

肯尼迪航天中心的（National Aeronautics and Space Administration Kennedy Space Center）中的工程师Paul Schallhorn采用SINDA/FLUINT对推进设备中的液体进行了模拟，分析的事件包括了分层、旋转和晃动。这避免了使用多个分析工具，将所有的分析集成在一个软件内，结果非常理想。[3]

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节点晃动顺序

实例4、透平机械（涡轮机组）组件

热力循环分析，包括喷气式与火箭助推式发动机，动力循环，热泵和制冷循环等，已经可以通过基于性能图（Performance map）的单级或多级泵、风扇、涡轮、压缩机的模型参数定义功能在仿真中完整实现。这有助于预估流量与压降—或者基于直接输入的流量—压降图（单一轴速下的单条或多条曲线），或者使用等价状态、参考状态、压头与流量系数等定义的参照图。可以指定等墒系数以计算轴功与水力学扭矩。输入一般采用流量与效率关系表，但也提供了拟合函数或代数式输入选项，此外也提供了与涡轮设计软件的链接。

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实例5热管、回路热管、热虹吸设备模拟

C&R工具软件通常都是用来模拟复杂的两相传输设备的，这些设备包括回路热管（LHP）、毛细泵回路（CPL）、热管、蒸汽室翅片（Vapor Chamber fins）、热虹吸、回路热虹吸（LTS）。在过去的15年里，SINDA/FLUINT已经为模拟这些复杂的设备做了专门的功能加强，并且程序已经被用于模拟各式各样的复杂任务，包括两相设备稳态系统级效应捕获到应用于组件级设计和尺寸优化的启动瞬态细节模拟。SINDA/FLUINT 是世界上独一无二的应用完整的两相流动热力学的热/流体耦合计算软件。

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Lockheed Martin公司的工程师Boris Yendler 和 Eva Buchan利用SINDA/FLUINT对回路热管的最低启动功率进行了预测，并成功的应用试验进行了验证。[4]

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实例6 烧蚀、除霜、升华等热致质量流失过程模拟

热保护系统（Thermal Protection Systems）通常用于燃烧室高热流密度隔热、航天器和空间科学实验样品返回舱再入过程的热防护。TPS一般采用烧蚀材料作为可消耗性的热控隔热保护层，此类热防护系统在早期的载人航天工程（Mercury、Gemini和Apollo项目）已经采用，并且在许多行星探测任务（降落于火星上的探测器 Athena Rovers、 Stardust和 Genesis）得到续用。在极高外热流加热条件下，烧蚀材料或者利用相变潜热、或者利用化学反应（Charring）过程大量吸收外加热量。由于烧蚀材料具有高热容、低导热特点，所以能有效避免内壁温度过高，从而实现热防护功能。

SINDA/FLUINT 提供了不考虑化学反应过程的烧蚀模拟工具（请注意：含化学反应过程的烧蚀模拟将在新版本中提供）。用户能利用 ABLATE 子函数建立 1-D 烧蚀模型，并自定义烧蚀材料属性、总厚度、烧蚀材料分层数目等参数。在 Thermal Desktop 图形界面环境下烧蚀模拟可通过设定烧蚀材料属性、然后选择受保护的曲面而方便快捷地完成。

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在 SINDA/FLUINT中直接模拟烧蚀过程的优点在于软件提供的优化功能，如烧蚀材料选择、厚度尺寸设置、能直接提供给 NASATRAN 和 ANSYS 使用的热分布图以及后处理功能等。上面是用 Thermal Desktop 模拟的简单返回舱的烧蚀模型。温度、热流密度、烧蚀材料厚度等参数能在图形界面环境下实现后处理显示功能，也能绘出各种参数的 XY 坐标图。在这个简单的例子中，热防护材料的剩余厚度分布以色彩差异形式绘出，EZ-XY 软件同时给出了热防护材料温度随时间变化的过程，在分层烧蚀中，下一层烧蚀材料的温度在上一层烧蚀材料已完全烧蚀后持续升高至烧蚀点，吸收相变潜热后，物态变化，开始更深层的烧蚀。

实例7 温控膨胀阀响应模拟

温控膨胀阀(TXV)常用于蒸汽压缩系统。这些阀能微调节流量以获得小过热下的完全蒸发。TXV 阀门能“感知”蒸发器出入口间的温差，但糟糕的是，在感知与做出调整间存在有延迟。SINDA/FLUINT 可以用来分析 TXV 控制系统的动力学稳定性：在出现扰动后守住设定点并提供必要的过热。

例如，假定过热度太高，于是 TXV 打开。除了传感机构的滞后和阀门转动存在的有限耗时外，刚释放出的流体也必须花时间走完蒸发器的长度，完成它所做的“淬火”工作。当较冷的蒸汽到达出口的时候，系统或已超限并开始蹦来跳去地“搜寻”一个稳定设置点了。如此多的时间常数和滞后效应卷入其中，使得我们必须做非常详细的模拟。“搜寻”不让人乐观不仅是因为效率原因，还有就是它会让阀门和压缩机多次磨损。

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此类分析的关键是计算施加在TXV阀门转动针脚上的力，这些力不仅包括隔膜两端的压差，而且还有弹簧和摩擦力，转动针脚的惯性也很重要。SINDA/FLUINT的常微分方程求解器允许运动方程和热力学模型一同求解以确定转动针脚的位置。一旦知道了位置，TXV阀门相应阻力能由给定的压差－质量流率表内查得到。

下图给出了阀门位置和此分析得到的温度响应曲线。

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参考文献：

[1] Thermal Desktop user guidance http://www.crtech.com
[2] Daniel P. Thunnissen, Margin Determination in the Design and Development of a Thermal Control System， SAE 04ICES-239
[3] Paul Schallhorn, Upper Stage Tank Thermodynamic Modeling Using SINDA/FLUINT，AIAA-2006-50513
[4] Jane Baumann , Brent Cullimore, Noncondensible Gas, Mass, and Adverse Tilt Effects on the Start-up of Loop Heat Pipes，1998 Society of Automotive Engineers

关于CULLIMORE & RING

CULLIMORE & RING公司提供了一系列软件工具，能够处理所有传热和流体流动的模拟问题。以核心求解器——SINDA/FLUINT为基础，提供了基于几何体（Thermal Desktop，FloCAD，RadCAD）和非几何体的（SinapsPlus）用户图形界面工具软件，它们能够建立和分析任何热/流体系统。

CULLIMORE & RING致力于提供软件工具——它们不仅能帮助传热和流体流动设计工程师得到分析结果，而且更主要的还要获取整个系统的解决方案。无论采用哪个系列的软件包，都能应用高级应用技巧，从而跳脱传统的稳态和瞬态模拟的“一问一答”的点框架的束缚，进入到真正的设计优化和统计分析的王国。

关于C&R公司的其他信息，可以参见www.crtech.com。

文章内容仅供参考 (投稿) (8/30/2008)


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