SINDA_FLUINT航空航天工业中的热流分析标准.docx

SINDA/FLUINT航空航天工业中的热流分析标准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、汽车等行业空间站模拟多年以來，SINDA/FLUINT已经在航空航天业界提供给用户瑕可靠的传热与流体流动设计分析服务，所有参与NASA 悯际空间站合作项日的客户都必须使用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儿十年來，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 Aci 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，并有史以來首次全机构集体购买了整套软件—— SINDA/FLUINT 软件SINDA/FLUINT基于有限差分法，集总参数理论，离散化的经验公式，山CULLIMORE & RING公司开发出的强大的 求解器SINDA/FLUINT和-个功能完善的3D前后处理Thermal Desktop所组成。

应用领域包括热辐射、流I古制合传热 分析、复杂管网及水力件、热管、压缩循环，多相/多组分流动（自动判別流域变化/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、多轴旋转或多自山度平移辐射、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山儿个节点到百力级节点的转换，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；STNDA/FLUTNT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丁程课题：SINDA/FLUINT还是一个智能机，它有内恢的函数，也有开放的 接「I,全参数建模、多变量约朿、能实现在指定H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和缩放不影响讣算准确度，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STNDA/FLUIN提供先进的软件王具，帮助热/流体丁•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,实现系统设计的最住化SINDA/FLUINT是世界上将软件设讣的“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 多变量的可变动范囤内，找出系统最优的解答，找出极端工况（设计工况），进行可皐度、緻感性分析等⑴实例4追踪红外和太阳阴影案例在Tcxns 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）对航天飞机腹部遮撕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，遮扌当住投射到航天飞机腹部的阳光全国统一客户服务热线:400 888 5100 网址：www.CnT 邮箱:info@申（fill技CiTech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)T 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，太空宙达收发机(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I”Cruise Stage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熨能与结构和环境的热模熨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fC&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升容积的圧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),使得液氢流动起來并 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I」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,尤其对址匝要的参数一管 线完全冷却下來的时间(液氢消耗时间)，模拟的非常准确申(fill技CiTechNBS LH2 Cliilldown Predictiontz czxy * (stdtkxisx'ZXY)-JoJjJ■ I刮 xl口 He Edt 如 vwrtow DataSets Dttftey Staosocs Amocaa>n g d a g❷$农Cak 2 Calc 3 Calc 4 Test 1 Test 2 Test 3 Test 4Time (sec)M-N005000502 112) ejnmjadwel WC3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，这使得仿真的结呆产生比较大的误差肯尼迪航夭中心的(National Aeronautics and Space Administration Kennedy Space Center)中的 I-程师 Paul Schall horn 采 用STNDA/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13172xycxl ・LO£J595丄597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，己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一或者基于 宜接输入的流量一圧降图(单一轴速下的单条或多条Illi线)，或者使用等价状态、参考状态、压头与流最系数等定义的参照 图可以指定等埔系数以计算轴功与水力学扭矩输入一般采用流最与效率关系表，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申（fill技CiTech实例5热管、回路热管、热虹吸设备模拟C&R T.具软件通常都是用來模拟复杂的两相传输设备的,这些设备包括冋路热管（LHP）、毛细泵冋路（CPL）、热管、 蒸汽室翅片（Vapor Chamber fins）.热虹吸、冋路热虹吸（LTS）在过去的15年里，SINDA/FLUINT己经为模拟这些复 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 合计算软件恒定热导率热管 气塞热管 冋路热管Lockheed Martin公司的工程师Boris Yendler和Eva Buchan利用SINDA/FLUINT对冋路热管的最低启动功率进行『预 测，并成功的应用试验进行了验证141热分布网络 流体分布网络实例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冋舱再入过 程的热防护"TPS ••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H 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 RoversStardust和Genesis）申(fill技CiTech得到续用在极高外热流加热条件下，烧蚀材料或打利用相变潜热、或者利用化学反应（Charring）过程大戢吸收外加热戢 山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T具（请•注嵐含化学反应过程的烧蚀模拟将在新版木中提供）用户能利用ABLATE子函数建立I-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H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l:V WltMB在SINDA/FLUINT中宜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、能岚接提 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模拟的简单返冋舱的烧蚀模 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己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）常用于蒸汽圧缩系统。

这些阀能微调节流昴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可以用來分析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 须花时间走完憑发器的长度，完成它所做的“淬火”工作当较冷的蒸汽到达出I I的时候，系统或己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，使得我们必须做非布详。