CFX培訓(xùn)教材01簡(jiǎn)介

1、A Pera Global Company PERA ChinaANSYS CFX 培訓(xùn)教材第一節(jié)：CFD簡(jiǎn)介安世亞太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China什么是 CFD?nCFD是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational fluid dynamics）的縮寫，是預(yù)測(cè)流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)及其他相關(guān)物理現(xiàn)象的一門學(xué)科。CFD一般要通過數(shù)值方法求解以下的控制方程組 質(zhì)量守恒方程 動(dòng)量守恒方程 能量守恒方程 組分守恒方程 體積力 等等nCFD 分析一般應(yīng)用在以下階段: 概念設(shè)計(jì) 產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì) 發(fā)現(xiàn)問題 改進(jìn)設(shè)計(jì)nCFD分析是物理試驗(yàn)的補(bǔ)充，但

2、更節(jié)省費(fèi)用和人力。A Pera Global Company PERA ChinaCFD如何工作?nANSYS CFD 求解器是基于有限體積法的 計(jì)算域離散化為一系列控制體積 在這些控制體上求解質(zhì)量、動(dòng)量、能量、組分等的通用守恒方程 偏微分方程組離散化為代數(shù)方程組 用數(shù)值方法求解代數(shù)方程組以獲取流場(chǎng)解Fluid region of pipe flow is discretized into a finite set of control volumes. Equation VariableContinuity1X momentumuY momentumvZ momentumwEnergyhCo

3、ntrolVolume* FLUENT control volumes are cell-centered (i.e. they correspond directly with the mesh) while CFX control volumes are node-centeredUnsteadyConvectionDiffusionGenerationA Pera Global Company PERA ChinaCFD 模擬概覽n問題定義1.確定模擬的目的2.確定計(jì)算域n前處理和求解過程3.創(chuàng)建代表計(jì)算域的幾何實(shí)體4.設(shè)計(jì)并劃分網(wǎng)格5.設(shè)置物理問題（物理模型、材料屬性、域?qū)傩?、邊界條件

4、 ）6.定義求解器 （數(shù)值格式、收斂控制 ）7.求解并監(jiān)控n后處理過程8.查看計(jì)算結(jié)果9.修訂模型Problem Identification1.Define goals2.Identify domainPre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.Solver SettingsSolve7.Compute solutionPost Processing8.Examine results9.Update ModelA Pera Global Company PERA China1. 定義模擬目的n你希望得到什么樣的結(jié)果（例如，壓降，流量），你如何使用這些結(jié)果

5、？你的模擬有哪些選擇？你的分析應(yīng)該包括哪些物理模型（例如，湍流，壓縮性，輻射）？你需要做哪些假設(shè)和簡(jiǎn)化？你能做哪些假設(shè)和簡(jiǎn)化（如對(duì)稱、周期性）？你需要自己定義模型嗎？ FLUENT使用UDF，CFX使用 User FORTRANn計(jì)算精度要求到什么級(jí)別？n你希望多久能拿到結(jié)果？nCFD是否是合適的工具？Problem Identification1.Define goals2.Identify domainA Pera Global Company PERA China2. 確定計(jì)算域n如何把一個(gè)完成的物理系統(tǒng)分割出來？n計(jì)算域的起始和結(jié)束位置 在這些位置你能獲得邊界條件嗎？ 這些邊界條件類型

6、合適嗎？ 你能把邊界延伸到有合適數(shù)據(jù)的位置嗎？n能簡(jiǎn)化為二維或者軸對(duì)稱問題嗎？Problem Identification1.Define goals2.Identify domainDomain of Interestas Part of a LargerSystem (not modeled)Domain of interestisolated and meshedfor CFD simulation.A Pera Global Company PERA China3. 創(chuàng)建幾何模型n你如何得到流體域的幾何模型？ 使用現(xiàn)有的CAD模型 從固體域中抽取出流體域？ 直接創(chuàng)建流體幾何模型n你能簡(jiǎn)

7、化幾何嗎？ 去除可能引起復(fù)雜網(wǎng)格的不必要特征（倒角、焊點(diǎn)等） 使用對(duì)稱或周期性？ 流場(chǎng)和邊界條件是否都是對(duì)稱或周期性的？n你需要切分模型以獲得邊界條件或者創(chuàng)建域嗎？Solid model of a Headlight AssemblyPre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.Solver SettingsA Pera Global Company PERA China4. 設(shè)計(jì)和劃分網(wǎng)格n計(jì)算域的各個(gè)部分都需要哪種程度的網(wǎng)格密度？ 網(wǎng)格必須能捕捉感興趣的幾何特征，以及關(guān)心變量的梯度，如速度梯度、壓力梯度、溫度梯度等。 你能估計(jì)出大梯度的位置嗎？ 你需要使

8、用自適應(yīng)網(wǎng)格來捕捉大梯度嗎？n哪種類型的網(wǎng)格是最合適的？ 幾何的復(fù)雜度如何？ 你能使用四邊形/六面體網(wǎng)格，或者三角形/四面體網(wǎng)格是否足夠合適？ 需要使用非一致邊界條件嗎？n你有足夠的計(jì)算機(jī)資源嗎？ 需要多少個(gè)單元/節(jié)點(diǎn)？ 需要使用多少個(gè)物理模型？PyramidPrism/WedgeHexahedronPre-Processing3.Geometry4.Meshing5.Physics6.Solver SettingsTriangleQuadrilateralTetrahedronA Pera Global Company PERA China四邊形/六面體還是三角形/四面體網(wǎng)格n對(duì)沿著結(jié)構(gòu)方向

9、的流動(dòng)，四邊形/六面體網(wǎng)格和三角形/四面體網(wǎng)格相比，能用更少的單元/節(jié)點(diǎn)獲得高精度的結(jié)果當(dāng)網(wǎng)格和流動(dòng)方向一致，四邊形/六面體網(wǎng)格能減少數(shù)值擴(kuò)散在創(chuàng)建網(wǎng)格階段，四邊形/六面體網(wǎng)格需要花費(fèi)更多人力A Pera Global Company PERA China四邊形/六面體還是三角形/四面體網(wǎng)格Tetrahedral meshWedge (prism) meshn對(duì)復(fù)雜幾何，四邊形/六面體網(wǎng)格沒有數(shù)值優(yōu)勢(shì)，你可以使用三角形/四面體網(wǎng)格或混合網(wǎng)格來節(jié)省劃分網(wǎng)格的工作量 生成網(wǎng)格快速 流動(dòng)一般不沿著網(wǎng)格方向n混合網(wǎng)格一般使用三角形/四面體網(wǎng)格，并在特定的域里使用其他類型的單元 例如，用棱柱型網(wǎng)格捕捉邊

10、界層 比單獨(dú)使用三角形/四面體網(wǎng)格更有效A Pera Global Company PERA China多域（或混合）網(wǎng)格n多域或混合網(wǎng)格在不同的域使用不同的網(wǎng)格類型，例如 在風(fēng)扇和熱源處使用六面體網(wǎng)格 在其他地方使用四面體/棱柱體網(wǎng)格n多域網(wǎng)格是求解精度、計(jì)算效率和生成網(wǎng)格工作量之間的很好的平衡手段n當(dāng)不同域直接的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不一致時(shí)，需要使用非一致網(wǎng)格技術(shù)。Model courtesy of ROI EngineeringA Pera Global Company PERA China非一致網(wǎng)格n對(duì)復(fù)雜幾何體，非一致網(wǎng)格很有用 分別劃分每一個(gè)域，然后粘接n在其他情況下，也使用非一致網(wǎng)格界面技術(shù)

11、 不同坐標(biāo)系之間 移動(dòng)網(wǎng)格Non-conformalinterface3D Film CoolingCoolant is injected into a duct from a plenum. The plenum is meshed with tetrahedral cells while the duct is meshed with hexahedral cellsCompressor and ScrollThe compressor and scroll are joined through a non conformal interface. This serves to conne

12、ct the hex and tet meshes and also allows a change in reference frameA Pera Global Company PERA China設(shè)置物理問題和求解器n對(duì)給定的問題，你需要 定義材料屬性 流體 固體 混合物 選擇合適的物理模型 湍流，燃燒，多相流等。 指定操作條件 指定邊界條件 提供初始值 設(shè)置求解器控制參數(shù) 設(shè)置監(jiān)測(cè)收斂參數(shù)For complex problems solving a simplified or 2D problem will provide valuable experience with the mo

13、dels and solver settings for your problem in a short amount of time.Pre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.Solver SettingsA Pera Global Company PERA China求解n通過迭代求解這些離散的守恒方程直至收斂n以下情況達(dá)到收斂： 兩次迭代的流場(chǎng)結(jié)果差異小到可以忽略 監(jiān)測(cè)殘差趨勢(shì)能幫助理解這個(gè)差異 達(dá)到全局守恒 全局量的平衡 感興趣的量（如阻力、壓降）達(dá)到穩(wěn)定值 監(jiān)測(cè)感興趣量的變化.n收斂解的精度和以下因素有關(guān)： 合適的物理模型，模型的精度 網(wǎng)格密度

14、，網(wǎng)格無關(guān)性 數(shù)值誤差A(yù) converged and mesh-independent solution on a well-posed problem will provide useful engineering results!Solve7.Compute solutionA Pera Global Company PERA China查看結(jié)果n查看結(jié)果，抽取有用的數(shù)據(jù) 使用可視化的工具能回答以下問題: 什么是全局的流動(dòng)類型？ 是否有分離？ 激波、剪切層等在哪兒出現(xiàn)？ 關(guān)鍵的流動(dòng)特征是否捕捉住了？ 數(shù)值報(bào)告工具能給出以下量化結(jié)果： 力、動(dòng)量 平均換熱系數(shù) 面積分、體積分量 通量平衡Exa

15、mine results to ensure property conservation and correct physical behavior. High residuals may be caused by just a few poor quality cells.Post Processing8.Examine results9. Update ModelA Pera Global Company PERA China修訂模型n這些物理模型是否合適？ 流動(dòng)是湍流的嗎？ 流動(dòng)是非穩(wěn)態(tài)的嗎？ 是否有壓縮性效應(yīng)？ 是否有三維效應(yīng)？n這些邊界條件是否合適？ 計(jì)算域是否足夠大？ 邊界條件是否

16、合適？ 邊界值是否是合理的？n網(wǎng)格是否是足夠的？ 加密網(wǎng)格能否提高精度？ 網(wǎng)格是否有無關(guān)性？ 是否需要提高網(wǎng)格捕捉幾何的細(xì)節(jié)Post Processing8.Examine results9. Update ModelA Pera Global Company PERA ChinaWorkbench 2 中的CFXn啟動(dòng)ANSYS Workbenchn在工具欄中拖動(dòng)Fluid Flow (CFX) 到項(xiàng)目欄里A Pera Global Company PERA China讀入幾何n右鍵點(diǎn)擊 Geometry cell A2 然后選擇 Import Geometryn讀入幾何文件 (CAD 模型

17、或者 DesignModeler .agdb 文件)n你也可以把 CFX 和已經(jīng)存在的 DesignModeler 進(jìn)程連接起來A Pera Global Company PERA China生成網(wǎng)格n右鍵點(diǎn)擊 Mesh cell 然后選擇 Edit. Meshing 工具打開，并讀入幾何n選擇Mesh 注意因?yàn)榫W(wǎng)格是從CFX中打開的，所以默認(rèn)優(yōu)先選擇的是 CFXA Pera Global Company PERA China定義邊界和域n使用 Named selections定義邊界名字 選擇你想指定名字的面 右鍵選擇 Create Named Selection. 鍵入名字然后點(diǎn)擊 OK.n有時(shí)你需要指定流體域和固體域 固