一、Flowvision發展緣起:
      FlowVision是於1991年在莫斯科皇家物理工程研究院(MIPD)由數十位資深研究員所開發出來，當時是用來作為國家重點科學計畫的主要求解工具之一。隨後於1994年正式推出為商業版套裝軟體，迄今已有近二十年的歷史。目前是一套在歐美等先進國家廣泛使用的全方位模擬系統，專門用來解決各種複雜且實際熱流現象的計算流體力學問題

二、Flowvision的簡介
      FlowVision了採用諸多先進的數值方法，專門用來解決實際且複雜的計算流體力學問題。 FlowVision整合了各種用來描述不同流體中，質量、動量、能量守衡之3D偏微分方程組所構成的統御方程式系統，並允許考慮各種狀態方程式組成來進行真實的求解。用戶可以隨著問題複雜度需求，任意加入適當之物理模組與求解器當中，進行準確的問題解析，FlowVision所能提供的物理模組有如下:
 

• 紊流與層流三維或二維流動模型

• 兩相流流動模型、進階自由液面流動求解(Advanced VOF equation)

• 多組分氣體混和流動模型

• 燃燒模型

• 質傳與熱傳(熱傳導、熱對流、熱輻射)模型

• 微間隙熱傳與流力求解模型

• 非穩態與穩態移動邊界求解模型

• 化學反應流與複雜混合流

• 可壓縮流與不可壓縮流共解法

• 非穩態與穩態Navier-Stroke Equation求解

• 非穩態移動邊界與非線性邊界變形流動問題求解能力

• 時間積分法: Steady state、Transient、Predictor-Corrector、Coupling method

• 多重時間步長(Time step)非穩態問題計算加速能力(CFLconv、 CFLsurf、CFLdiff )

• 與Abaqus(http://www.simutech.com.tw)直接雙向流固耦合能力

• 與最佳化軟體IOSO(http://www.iosotech.com)進行拓墣與參數最佳化能力

• 動態時序邊界模型的暫態流場計算能力

三、Flowvision獨特功能介紹:

• 新一代獨特三維有限體積網格系統:SGGR, Sub-grid-Geometry resolution
  SGGR網格技術可以自動直接將流體區與固體區分開來，對於任何複雜的三維或二維幾何模型，用戶均可採用全自動計算網格生成功能。如下圖所示:

 (i)複雜幾何CAD模型 (ii) SGGR網格技術自動將固體區(solid)與流體區(Fluid)分開生成所需網格
 

• 貼體直角座標網格 (Cartesian Grid)與網格加密技術
  網格類型: 獨特SGGR技術，結構六面體網格混合多面體複雜邊界曲面重建
  生成網格之概念：完全保留最精確的幾何形狀，直接依照邊界特徵生成計算網格，提供二階精度的複雜曲面網格邊界重建能力

全自動複雜之高爾夫球幾何表面網格生成與平行運算子域集分配

 Flowvision網格與傳統網格精度比較分析功能

• 網格加密技術與原理:
  Flowvision採用局部網格加密技術(LDMA, Local Dynamic Mesh adaptation)。其優點有以下兩 點:
  1)可以解析高梯度變化的流動區域，提供更精確的數值預測
  2)可以視情況局佈提升或降低網格加密等級Lv1~4或更高(理論上無最大值限制，端看計算機的處理能力)，加強重點區域網格使用效率，精簡網格使用、減少計算資源、提升計算效率

Flowvision LDMA加密技術示意圖
 

• 動態網格加密技術(dynamic adaptation gird)
  在SGGR網格技術下，Flowvision還進一步提供強大的動態網格加密功能(指定表面/局部區域/指定解)，可以對於複雜邊界的三維運動體的移動邊界進行動態加密，完全克服傳統動網格法(Dynamic grid or deformable grid)的網格過度扭曲與網格重新生成耗時的問題，提供更快速且精確地穩態/非穩態移動邊界問題的分析能力

網格單元建構示意圖

 圖 大功率2MW級風力發電葉片氣動性與轉子運動能力耦合分析(網格邊界指定加密)

• 支援複雜幾何物體全自動高品質網格快速生成
  直接由CAD和有限元素系統輸入表面網格
  -直接輸入CAD/FEM幾何(表面網格):VRML, STL, INP-Abaqus
  -間接輸入CAD/FEM幾何(透過3DTransVidia):DEFORM, Abaqus, ANSYS and NASTRAN, IGES,VDAFS, PARASOLID, CATIA V4/V5, Pro/E, UGS

F1方程式賽車整車快速網格生成案例

高智能網格局部加密技術解析邊界層流動

• 實現直接雙向流固耦合能力 (CFD/FEM)
  FlowVision支援最新的C++語法能為複雜的CFD領域問題，提供了模組化及彈性化的處理方式。獨特的SGGR網格技術(Sub-grid geometry resolution)使其與CAD以及有限元素網格結合都更為容易。下圖為流體(Fluid)流壓於固體(Solid)交界處的負載傳遞示意圖:

       Flowvision能準確的傳遞位於介面上的負載變化 (Fluid system, CFD mesh)到固體區(Solid system,FEM mesh)求解流體對於固體的耦合運動以及應力應變計算。Flowvision無需藉助第三方軟體(如:MPCCI)數據差分與映射，只要透過Flowvision所提供多物理場管理員(MPM, Multi-physic Manager)整合後，便可以與Abaqus作直接數據傳遞，因此Flowvision能快速且準確地處理最複雜的流固耦合問題。

圖1 Flowvision 透過MPM多物理場管理員與有限元結構分析軟體Abaqus進行數據交換的示意圖

圖2. Flowvision與Abaqus 進行雙向流固耦合的計算架構

                   (i)氣室中粒子軌跡追蹤                                                  (2)速度場分佈

車門用橡膠壓縮動態非線性流固耦合數值計算
 

               (i)搖動潑濺液體動態(含自由液面)                                                                (2)橡膠內壁壓力分佈

橡膠容器與搖動潑濺(Sloshing)液體之非線性流固耦合計算

 圖 小型水平軸風力機在風速15m/s下的轉子轉速從啟動到穩定的變化過程

圖 小型水平軸風力機在風速15m/s下的葉片上”P點”負載下的X向位移變化過程

• 全隱性-壓力-速度分離法: 10~1000 CFL計算加速、高穩定性與收斂性
  FlowVision利用有限體積法來針對統御方程式做離散化的動作，而其中使用獨特隱性速度-壓力分離演算法則用來處理Navier-Stokes equations。 有別於常見之半隱性解法(SIMPLE-(C、R)、PISO)全隱性解法可有效抑制數值誤差累積所產生的數值波動問題，可避免過度的人工黏性係數的引入，提供高超求解穩定性與收斂速度。本法完全適用於計算常見之不可壓縮流與可壓縮流，並允許用戶使用極大的時間階距(CFL ~ 10X – 1000X)加速計算速度。

• 可壓縮流與不可壓縮流全馬赫數流共解法
  在目前的計算流體力學方法中，對於可壓縮流通常採用密度基(density based)的解法;而不可壓縮流則是採用壓力基(Pressure based)的解法，因此對於流域中全馬赫數流動求解一直是相當棘手的問題，因為全馬赫數流場同時存在著可壓縮流與不可壓縮流的流動共相的現象。為此Flowvision提供一種獨特的解法，允許求解器可以同時處理全馬赫數流動問題。實際應用例子如下圖所示:

                        (i)Mach number 分佈圖                                       (ii)Flowvision計算結果驗證

• 前處理、求解器、後處理器完全整合多功能應用平台
  FlowVisiong是全方位CFD整合應用平台，軟體直接整合前處理、求解器、與後處理於同一系統。
  使用者不論是設定流體模型，物理和方法的參數，初始與邊界條件等(前處理)；執行和控制計算(解法器)；顯示結果(後處理)都可以同一個視窗完成。使用者能隨時停止計算、改變設定參數，並選擇繼續或重新開始計算。

• 複雜自由液面軌跡網格動態追蹤與計算能力

計算船舶行進時所激起的波浪高度

• 運動物體與流場耦合計算
  -6 DOF 運動體流場耦合模擬能力
  FlowVision 能夠輕易的在計算域內輸入額外的物體輸入於計算域內之物體擁有六個自由度準確且快速的尤拉方法計算物體相對計算域之主動運動(如旋轉機械)或考慮剛體體運動學:由使用者自訂移動規則物體動力學:重力、浮力、流體動力或由使用者自定外力作用。如下之:

圖(1)所示為水上飛機降落的機體動態位移變化與機腹負載計算 (浮力、重力與剛體運動耦合計算)

(1)移動物體貼體網格加密技術                                       (2)複雜物體與自由液面碎滴耦合計算

 圖(2)深海潛艇上浮運動模擬(浮力、重力與剛體運動耦合計算)

 (i)三級蒸氣渦輪實體模型圖                     (ii)渦輪葉柵之壓力分佈圖

(iii)三級蒸氣渦輪速度場分佈 (簡化分析) (iv)三級蒸氣渦輪速度場分佈(考慮內流道流動)

圖(3)三級汽渦輪機流場計算(主動轉動計算)

圖(4)混合軸流式水泵流場計算(主動旋轉)

• 功能強大後處理能力能力
  FlowVision允許你即時顯示求解過程中的流場變化(諸如:溫度、壓力、流速分佈)
  幫助你快速掌握檢視專案求解狀況，達到更快更有效率的模擬作業互動性。

離心風扇流線動態繪製(3000rpm) color by Velocity

                        (i)流場Mach數分佈圖                        (ii)沿著導彈輪廓軌跡的數據可視化能力(Cp值)

 (iii)Flowvision計算結果的驗證

高速(1.5Ma)導彈流場計算

                Time=0.104s (1/8 rev.)              Time=0.833s (1 rev.)                 Time=1.24s (1.5 rev.)

 風力機尾流紊流黏滯係數之三維等值面(Multi-value)動態可視化(72rpm)

                 雨刷啟動                                 雨刷去程排水結果                    雨刷回程排水過程

圖 雨刷動態模擬與排水性分析能力(薄水層三維可視化 )

• 混合解法: 微間隙流動與間隙熱傳模組(Gap flow and Gap conductance )
  -間隙流動(Gap flow)
  間隙流與間隙熱傳問題一直是過去以來數值方法最難解的問題。因為間隙流區的流動特徵長度可達僅為整體計算域的特徵尺寸的萬分之一，甚至是10萬分之一。然而為了精確解析間隙流的流動，必須考慮速度邊界層與溫度邊界層的動量與能量在狹小流道的擴散。因此必須對於近壁區進行足夠密度的網格解析度規劃。由於間隙流道與整體流動空間的網格單元差異相當極端，導致網格畫分作業困難、網格數量使用過於龐大、與數值收斂不易種種問題。

為此FlowVision提供一種Hybrid的解法，將間隙流的區域的直接採用完全發展流的速度場進行處理，而間隙流以外的區域則以N-S方程式求解。再搭配全自動間隙流智慧辨識功能，程式可以快速找出間隙流區域，標示為間隙流動網格單元(Gap cell)，再自動切換用間隙流動模式進行混合求解。(如下圖所示)

• 間隙熱傳處理能力(Gap conductance)
  Flowvision所採用獨特網格技術(SGGR,Sub grid geometry resolution)對於任何高度複雜的幾何模型均能提供相當強大模型適應能力來快速離散所需的計算區域。而對複雜的幾何與組裝構件的電子產品的裝配間隙與考慮真實接觸熱阻的問題 ，Flowvision則更進一步擴充間隙流模組(Clearance module)的能力，進一步提供用戶自由指定間隙間流體的黏滯係數與熱傳率來模擬間隙熱傳的問題。例如:對於完美接觸的傳熱良好裝配介面，用戶可以將間隙區設成高黏滯性(低流動性)與高熱傳導性數(接觸熱阻低)來近似之;相反地，如果試考慮接觸熱阻的界面，用戶則可以直接給定間隙熱傳係數來模擬之。
  下文以國外某家知名高功率(2.5W)LED燈具散熱模組的自然對流熱傳分析問題(模型已作過部分修改)作為Flowvision對具間隙熱傳的處理流程

Step1. LED燈具三維組合件模型(考慮介面為完美接觸熱傳)

Step2. LED燈具三維組合件模型(剖視圖)與元件說明

Step3 計算域網格與局部網格加密

Step4 間隙流網格自動生成:本例指定當間隙距離介於 1μm~0.008m時，Flowvision自動套用成間隙流模型處理之。於本例間隙流網格如下圖紫色網格單元所示

Step5. 自然對流下流場計算結果(重力朝-Y方向)

Step 6 LED燈具內部溫度場分佈

Step7 組裝件之間的溫度場分佈連續性檢視與間隙流網格單元(紫色物件)分佈

• Flowvision 與市售通用大型軟體之比較

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