本文转载自“深圳十沣科技有限公司”微信公众号

编者按

随着高性能计算（HPC）、图形处理器（GPU）、云计算等前沿技术的快速发展，以光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)为代表的新一代仿真方法迎来新的发展机遇。SPH在求解大变形、自由表面流、复杂界面运动等过程中具有较大优势。

京津冀国家技术创新中心培育的高科技企业深圳十沣科技有限公司（简称“十沣科技”）在2023年推出光滑粒子法流体仿真软件TF-SPH，成功解决传统网格类算法与粒子类算法在模拟过程中的诸多难题，有效避免算法中断、计算效率低下和计算精度偏低等问题，切实满足新一代流体仿真需求。

SPH是当前商业流体仿真软件中备受关注的方法之一，被广泛应用于船舶海洋工程、汽车工程、航空航天工程、先进制造等众多工程领域。该方法基于拉格朗日的观点，关注每个流体粒子的变化，能够天然地对自由液面和流固耦合界面进行追踪，且粒子之间没有网格拓扑关系的约束，其对于液面翻卷破碎后的演化和液滴的飞溅能够得到较好地捕捉。随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，SPH方法在流体仿真精度和计算效率得到了不断改进和优化，可以处理各种复杂的流动问题，如流固耦合、多相多介质流动、金属熔融凝固等，这使得SPH方法在流体仿真领域具有广泛的应用前景。

相较于传统网格类流体仿真方法，SPH方法具有一些显著的优点：

1、支持大变形自由流动模拟。光滑粒子动力学方法的近似过程是在当前时刻任意分布粒子的基础上进行的，不受粒子分布的随机性所影响，通过追踪物质点的运动轨迹，可以很自然地处理工程大变形问题。

2、描述多介质流动问题。每个物质点代表着一种独立的物质，因此物质交界可以自然且直观地由粒子所代表的物质属性描述跟踪。

3、快速处理复杂几何的问题域。SPH近似计算不需要用给定的网格来为离散物质点之间提供连接信息，对问题域的离散和细化操作更为简便。

十沣科技深入探索了SPH的优势特性，精心打造出TF-SPH软件。这款软件融合了SPH方法的最新技术，包括复杂几何粒子生成、自适应粒子多分辨率算法、高精度离散格式、复杂边界处理算法及数值耗散去除模型等，支持TF-SPH在工程科学领域发挥卓越性能。同时，TF-SPH还支持单相/多相流动、流固耦合及热流固多物理场仿真，并具备完整的前后处理及可视化功能，能够帮助客户更高效地完成仿真任务，提高仿真精度，降低研发成本。

由于SPH具有无网格、拉格朗日及显式计算等特点，能够自然追踪运动界面和变形边界，方便处理极端变形，易于实现高效并行，特别适合极端载荷作用下多介质强耦合问题。TF-SPH是一款功能强大的无网格粒子法流体仿真软件，不需要繁琐耗时的网格剖分，不存在网格方法所固有的网格畸变风险；并支持GPU并行加速计算，为汽车、海洋、航空航天、机械等行业的提供了广阔的应用空间。让我们一起了解这款软件的特点。

●简单、便捷、高效的前处理

TF-SPH软件的前端界面操作简单便捷，不仅能够实现简单模型的创建，还支持多种格式的复杂几何网格模型的导入。同时，TF-SPH还提供几何模型剖面视图、贴体粒子离散以及模型网格细化等功能。

模型剖面视图

贴体粒子高效离散

网格细化

●先进的数值算法

为解决传统SPH方法计算过程中出现的粒子分布高度不均匀、稳定性不足的问题，TF-SPH 软件实现多种先进的高精度算法，包括解耦有限粒子法、核函数修正算法、粒子位移修正算法、张力不稳定修正算法、耗散处理模型等等，显著提升计算精度和稳定性。此外，针对大规模实际工程仿真计算采用单一分辨率导致计算量过大、显存不足的问题，TF-SPH利用粒子自适应加密算法，对关注区域进行高分辨率仿真计算，支持区域多级加密，以及加密区重叠、嵌套、随体移动，极大地提升了其对于大规模复杂流体仿真计算的能力。

●丰富的物理模型

TF-SPH软件具有丰富的物理模型，可以满足不同物理场景的高保真仿真需求。支持多体系统仿真功能，可以模拟复杂的流固耦合问题，并且基于面网格碰撞的检测算法，可以快速、高精度地模拟多刚体之间的接触问题；支持表面张力、润湿力模型，模拟液滴形态变化、以及在结构表面润湿分布；支持非牛顿流体模型，可以精确描述非牛顿流体流动特征，并采用隐式求解高粘流算法提高计算效率；支持曳力模型，实现空气-流体多物理场耦合仿真计算；支持不同类型边界条件，包括滑移/无滑移边界、入口/出口模型、喷淋降雨模型、线性周期性边界、恒温边界/热通量边界等，为用户提供了多样化的选择。

方块碰撞

非牛顿流体搅拌

●多相/多物理场耦合

TF-SPH软件支持复杂气液两相流仿真，能够模拟冲击波传播、脉动气泡形成、破片运动和复杂几何外形结构的毁伤；通过SPH-FEM耦合方式实现海洋系泊缆绳结构模拟，支持用户定义规则波/不规则波输入，实现海浪传播冲击海上风电平台场景分析；具备丰富的传热模型，支持热传导、热对流/辐射、热相变等传热分析，可用于模拟油冷电机、齿轮冷却等复杂的热流固耦合问题。

海浪冲击海上风电平台

齿轮甩油冷却

●高效的GPU并行加速

TF-SPH 软件采用GPU并行架构，高效实现大规模复杂工程仿真计算。单卡最大可实现亿级粒子数工程仿真计算，相较传统CFD方法可达20~100倍加速；支持多GPU并行计算，采用动态负载均衡算法有效提升计算效率

●丰富的数据监测和结果可视化功能

TF-SPH软件具有丰富的数据监测功能，包括受力/位移、流量、润湿、液位监测等；支持不同结果可视化效果，如粒子可视化、云图插值、切平面、等值面、流体/结构材质渲染；支持图表绘制，视频导出等。

船舶漂浮

山谷洪水

油箱晃荡

作为一款功能强大的无网格粒子法仿真软件，TF-SPH软件广泛应用于各个行业，包括海洋工程（船舶水动力学设计、海洋平台冲击动力学设计），汽车/交通（汽车涉水、雨刮），旋转机械（齿轮甩油冷却、油冷电机、冲击水轮机），环境工程（山谷洪水、溃坝、城市内涝），先进制造（铸造/浇铸、注塑成型）等。辅助用户优化工程设计和产品性能，满足行业仿真需求。

案例一：飞机水上迫降仿真

飞机水上迫降是一种高度非线性现象，属于特殊的结构入水冲击问题。与飞机地面着陆相比，水面迫降因水面是易变动的自由液面，不易使飞机结构发生较大变形损伤，可作为飞机应急着陆时一种安全对策。使用TF-SPH软件可以对飞机水上迫降过程进行模拟，分析飞机在水面航行时的受力、速度及俯仰角的变化。

飞机底部压力变化

飞机水平方向受力和扭矩变化

案例二：齿轮甩油冷却仿真

传统网格方法在模拟齿轮啮合的过程中，涉及网格变形、网格重构，可能会出现网格体积过小或比例过大、网格质量差的问题，从而影响计算的收敛。TF-SPH软件具备完善的多体运动模块和热流固耦合模型，可协助用户模拟旋转机械多物理场耦合现象，分析水花形态的演化以及流体与机械设备间的相互作用机制，为器械的结构设计与优化提供参考依据，目前已成功应用于齿轮甩油冷却、冲击水轮机等工程场景。

齿轮甩油冷却仿真

齿轮扭矩大小和表面累计润湿率变化

案例三：汽车水管理仿真

整车防水关乎车辆安全性，车辆水管理性能日益受到车企的重视。传统CFD方法网格剖分复杂耗时，所需的计算资源和代价非常大，对自由面破碎、流体飞溅等大变形特性的计算精度较低。TF-SPH软件能够实现汽车快速建模，无需网格剖分，精准预测车辆零部件进水、结构受力，为车辆优化设计提供参考依据。

汽车涉水仿真采用汽车悬架模型，定义汽车行驶方向、行驶速度，用户可快速实现汽车一体化运动设置。此外，为了实现汽车车头的高精度仿真分析，可对车头区域进行自适应区域加密，准确获得汽车底板压力分布和前挡板格栅累积进水量，避免了单一分辨率计算显存耗费太大的问题，提升计算效率。

汽车涉水仿真

汽车底板压力云图和前格栅进气口流量监测

TF-SPH软件耦合CFD方法实现多相多物理场耦合仿真计算，采用降雨模型，实现汽车雨刮空调管道气液多物理场仿真。采用液膜模型模拟结构表面水膜的附着流动现象，预测水膜厚度变化与水膜分布情况；并对汽车结构高逼真精细化模拟，导入CFD空气场并基于曳力模型分析空调管道流动现象，为汽车空调、冷凝器等结构设计提供依据。

汽车雨刮，车窗液膜分布

汽车空调管道流量监测

作为新一代的通用流体仿真软件，TF-SPH软件的独特之处在于采用了无网格粒子类方法，从而消除了用户剖分网格的困难和痛苦，极大降低了该软件的使用技术门槛。同时，TF-SPH软件的数值求解基于Lagrange描述的粒子流运动，天然具备高效并行计算的能力，尤其在适应GPU等新型高性能计算环境方面表现出色。预计到2023年底，TF-SPH软件的成熟度将媲美国际主流软件的技术水平，具备全面的市场竞争能力。届时，TF-SPH软件将为用户提供更高效、更精准的流体仿真解决方案，为各行各业的应用带来无限可能！

关于十沣科技

深圳十沣科技有限公司（简称“十沣科技”）是京津冀国家技术创新中心培育的工业软件核心企业和计算力学与工程仿真技术实验室依托单位，致力发展具有国际先进水平的工业应用软件（包括流体力学仿真软件/CFD、结构力学仿真软件/CSD、电子系统设计仿真软件/EDA等）、工程仿真云服务平台与数字孪生系统，全力打造能够与国外主流商业软件全面竞争的自主核心软件及技术，服务于国内乃至国际高端装备研发设计与制造的需求。目前，十沣科技已与美的、360智慧生活、中望软件等各领域头部企业达成战略合作；获得国家级科创投资平台国开科创，知名风投基金高瓴等多方资本数亿元融资；2022年获评清科创业、投资界「VENTURE50新芽榜50强」，机器之心「最具潜力创业企业TOP 10］及亿欧「中国新锐智能制造服务商TOP30」等荣誉称号。