油液流动及冷却分析——了解LS-DYNA中的显式SPH求解功能

LSDYNA中的显式SPH求解功能尤其适用于超高速撞击、爆炸等瞬态事件，但处理如水流这样的慢速流体流动问题时，它需要进一步优化。为此，不可压缩SPH（ISPH）功能被设计出来，专为此类问题提供解决方案，特别是在电机冷却、涉水、齿轮润滑等大型不可压缩流体仿真领域效果显著。ISPH法能够允许更大的时间步长，并同时避免了在流体不可压缩性上有所妥协，与传统SPH和其他FVM方法相比，能显著节省仿真计算时间。

在不可压缩SPH（ISPH）中，通过提供特定的案例研究，本文着重介绍其在油液流动冷却分析中的应用与功能。




案例介绍：利用大量油液填充齿轮箱时的情况，当太阳轮旋转时会产生复杂的接触动态。在采用传统CFD方法分析这样的流固耦合问题时，由于难以获取油液流动性能以及几何结构微小变化对流动路径影响极大，分析变得困难重重。ISPH方法的核心价值在于能够实现真正的不可压缩粒子方法，无需频繁的网格划分调整，并提供了相较于传统显式SPH更大的时间步长。该方法能够考虑表面张力、粘性阻力等，更真实地模拟油液如何粘附到不同的结构部分以及和结构其他部分的交互。例如通过追踪某些流体的运动路径来监测与结构组件的交互，或是编码传热相关的HTC用于后续电机/变速箱冷却仿真。

ISPH工作原理：ISPH作为一种显式预测方法，能够预测所有非内部压力因素对系统的影响，如重力、表面张力、粘性等。通过对系统获得速度场，进而计算密度。当粒子在预测时间内移动至新位置时，系统需要计算出抵消该移动所需的压力，以保持粒子预测后的密度与剩余的流体密度相一致。通过迭代求解线性方程组并与松弛的雅可比求解器相结合，系统可以准确计算每个时间步长和每个粒子上的压力和力，从而确保流体的基本属性得到保持。

齿轮箱案例分析：考虑齿轮箱中齿轮与液体相互作用的情况，虽然存在复杂的几何结构和多变的运动动态，但ISPH方法能够简化此类问题的分析。它可实现流固耦合分析，不依赖复杂的接触模拟和改进的CFD方法，从而使分析更加直观和高效。通过简单的脚本工具和预先定义的几何和运动性设置，ISPH能够在齿轮箱内部高精度模拟油液流动，为后续的热管理和功率需求分析提供决策依据。