PDF《ANSYS CFX》

ANSYS CFX ANSYS专业、强大的流体动力学软件 安世亚太官方微信 CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的 大型商业CFD软件,是英国AEA Technology 公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业 实际问题而开发,诞生在工业应用背景中的 CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模 型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要 求,并以其在这些方面的卓越成就,引领着 CFD技术的不断发展.

回顾CFX发展的重要里程,总是伴随着她 对革命性的C F D新技术的研发和应用. 1995年,CFX收购了旋转机械领域著名的 加拿大ASC公司,推出了专业的旋转机械 设计与分析模块-CFX-Tascflow,CFX- Tascflow一直占据着80%以上的旋转机械 CFD市场份额.同年,CFX成功突破了 CFD领域的在算法上的又一大技术障碍, 推出了全隐式多网格耦合算法,该算法以 其稳健的收敛性能和优异的运算速度,成为CFD技术发展的重要里程碑.CFX一直 和许多工业和大型研究项目保持着广泛的 合作,这种合作确保了CFX能够紧密结合 工业应用的需要,同时也使得CFX可以及 时加入最先进的物理模型和数值算法.作为CFX的前处理器,ICEM CFD优异的网 我们利用ANSYS CFX对船舶进行仿真,预测了压力和自由表面,仿真结果令我 们非常满意.ANSYS CFX如其宣传所示,通过对自由面和流动进行分析,从而 帮助我们在设计中精确的布置船体附件的位置. Troy Keipper 造船工程师 Navatek ANSYS CFX――专业、强大的流体动力学软件 ANSYS CFX在项目工程设计中起着 至关重要的支持作用.此外,通过 应用CFD技术,节省了风洞实验的 样机和测试成本,ANSYS CFX在菲 亚特Panda MultiEco的设计周期中 帮助团队达到了空气动力学目标 R.Tregnago 空气动力学和空气声学负责人 菲亚特CRF车辆部门 ANSYS CFX

2 格技术进一步确保CFX的模拟结果精确而 可靠.2003年,CFX加入了全球最大的 CAE仿真软件ANSYS的大家庭中并正式更 名为ANSYS CFX.我们的用户将会得到 包括从固体力学、流体力学、传热学、电学、磁学等在内的多物理场及多场耦合整 体解决方案.ANSYS CFX将永远和我们 的用户伙伴一起,用最先进的技术手段, 不断揭开我们身边真实物理世界的神秘面 纱. C F X应用于广泛的工业中,可以深入观 察设备和过程的细节,从而提高生产效 率、产品寿命并优化流程.目前,CFX已 经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油 化工、机械制造、汽车、生物技术、水处 理、火灾安全、冶金、环保等领域,为其 在全球6000多个用户解决了大量的实际 问题.20多年来,世界各地的公司都相信 ANSYS CFX能够提供可靠并强大的计算流 体力学(CFD)解决方案.ANSYS CFX 提供了先进的求解技术,将现代用户界面 与兼容开放的结构相结合,使具有通用知 识的工程师和具备模型控制和选择能力的 流体力学专家都能够轻松利用CFD技术. 精确的数值方法 和大多数CFD软件不同的是,ANSYS CFX采用了基于有限元的有限体积法, 在保证了有限体积法的守恒特性的基础 上,吸收了有限元法的数值精确性. 基于有限元的有限体积法,对六面体 网格单元采用24点积分,而单纯的有 限体积法仅采用6点积分. 基于有限元的有限体积法,对四面体 网格单元采用60点积分,而单纯的有 限体积法仅采用4点积分. 集成环境与优化技术 ANSYS Workbench是ANSYS开发的仿 真集成环境, 集成了包括ANSYS CFX 等多个软件.ANSYS Workbench的开 放性架构让用户通过简单的拖放操作来 设置仿真流程,包括C A D数据关联、 几何、求解器、后处理、用户自定义的 表达式等.这样的技术引入了参数化的 几何与物理条件,能让设计和分析工程 师用最短的时间建立物理原型,从而 设计出更快更好的产品.试验设计和 稳健优化设计方法也可以通过ANSYS DesignXplorer技术用于ANSYS CFX. ANSYS CFX计算的螺旋桨引起的空泡现象,在不同空泡数条件下,计算结 果和试验解都吻合很好,能有效帮助设计出更好性能的螺旋桨. 优异的并行效率(加速随CPU数几乎线性增长) ANSYS CFX

3 对于设计人员而言,处理复杂几何模 型、划分网格是一件重复而枯燥的事 情,ANSYS CFX 配合Workbench平台 下的ANSYS DesignModeler、ANSYS Meshing 模块可以实现与 CAD的双 向参数互动.典型的过程是在 CAD里 建立参数化几何模型,通过 A N S Y S DesignModeler 导入到ANSYS Meshing 里进行自动网格划分,然后传递网格数 据到 ANSYS CFX 求解器中.如果需要 修改几何模型,可以在 CAD中修改参 数,这样上面建立好的流程可以自动更 新,而不需要重复建模、划分网格和设 置边界条件.而且,在Workbench平台 下用户可以用 ANSYS DesignXplorer (DOE and VT)模块来实现参数响应面优 化和全局参数优化.如果用户有结构分 析模块,还可以把ANSYS CFX 计算的 气动载荷直接加载到结构上分析进气道 结构应力应变、模态、响应等. ANSYS CFX的优越性能并不只是基于 单个产品特征,而是由软件所有方面 的尖端技术所体现,包括准确性、可 靠性、速度和灵活性.集成到ANSYS Workbench环境中,使其在工程仿真的 应用面增加,效率达到新的水平. ANSYS CFX的核心是其先进的求解技 术:多重网格耦合求解技术.这是快速 且稳健地得到可靠且准确结果的关键. 用户可以跟踪收敛进度并动态监测数值 和物理变量.求解参数、边界条件和其 它参数可以在不停止求解器的情况下进 行调整.ANSYS CFX求解器默认使用二 阶精度的数值格式求解,确保用户总能 得到最准确的预测结果. 所有的应用,无论是对旋转机械、多相 流、燃烧或任何其他物理模型,都因为 ANSYS CFX软件的耦合求解技术而获 益,从而得到稳健且可扩展的结果. 高效的并行技术 ANSYS CFX的求解器获得了对并行计算 最有利的几乎线形的 计算时间-网格数 量 求解性能,这使工程技术人员敢于 计算大型工程的真实流动问题.多核处 理器和集群计算机的出现后,这种固有 的特点变为更加重要.随着CPU和内存 的发展,ANSYS CFX软件的计算能力也 不断提高.ANSYS CFX可以无一例外地 实现所有物理模型的并行计算. ANSYS CFX模拟的F1方程式赛车的外流场,图中显示的是对 称面和地面的压力分布.用ICEM CFD生成的混合网格,共400 万个单元.ICEM CFD强大的网格功能大大缩短了前期建模的时 间,并且能提供高质量复杂网格.计算考虑了车轮的转动,以及 地面的运动.采用了CFX的并行功能. 单CPU收敛曲线 多CPU并行收敛曲线 ANSYS-CFX多CPU并行收敛曲线和单机计算的收敛曲线几乎完全一致 6级轴流式压缩机在新版ANSYS CFX里并行 效率得到改善. ANSYS CFX

4 ANSYS CFX突出的并行功能还表现于 它可以在混合网络上UNIX、LINUX、 WINDOWS平台之间随意并行,而且其 收敛曲线在单C P U及多C P U计算时几 乎完全一致ANSYS 15.0进一步改进了 CFX的并行效率,并已经在工业仿真中 被证明. 快速稳健的求解技术 ANSYS CFX计算的航天飞机外流场,图中显 示的是CFX采用网格分布,全六面体网格单 元由ICEM CFD生成. ANSYS CFX的高级前后处理功能 采用CFX中先进的转捩模型模拟的直升机表面摩擦阻力系数.与一 般的湍流模型相比,转捩模型模拟的阻力更为精确,尤其是在机头 和后立尾的层流区域,转捩模型能明显地区分出层流区和湍流区. ANSYS CFX

5 几何工具 ANSYS DesignModeler 软件专门用于创 建和准备仿真几何.它易于使用并具有全 参数化环境,能与所有领先的CAD软件 进行双向的连接,是所有ANSYS产品的 几何入口,为所有的工程仿真提供了一致 的几何源. 网格工具 准确的CFD结果需要高级的网格划分技 术.ANSYS Meshing可以将单个几何分 区域划分网格,为不同的区域选择最合适 的网格划分技术.并且,这些划分过程是 自动化的. 对于网格需求更加苛刻的用户,ANSYS ICEM CFD能满足其要求.其独特的网格 划分工具包含丰富的网格编辑功能和结构 化六面体网格划分功能. CFX-Pre中的CFD前处理 对于CFD分析的设置来说,ANSYS CFX 的物理前处理器现代且直观.在进行普通 的流体流动仿真时,除了一般的操作模式 外,还为用户提供了预定义向导.功能强 大的表达式语言使用户可以对自己的问题 进行自定义,例如复杂的边界条件、专有 的材料模型或附加的输运方程.CFX-Pre 开放式的架构甚至允许用户创建自定义 GUI面板来为选定的应用进行标准输入, 从而建立最佳的操作模式. CFD-Post后处理功能 CFX采用CFD-Post做通用后处理,CFD- Post具有强大的后处理功能,能够显示 CFD计算所需要的参数,包括矢量图、 等值线图、等值面图、流动轨迹图,可 以清晰显示压强、Ma数、温度等参数;

并具有积分功能,可以求得通过壁面的 热流通量、辐射热流量、质量流率等;

对于用户关心的参数和计算中的误差可 以随时进行动态跟踪显示;

对于多相 流,还提供组分、蒸发率分布等参数. CFD-Post的后处理可以生成有实际意义 的图片、动画、报告,这使得CFD的结 果非常容易地被转换成工程师和其他人 员可以理解的图形. ANSYS CFX丰富的物理模型 MUSIG多尺度颗粒模型可以模拟颗粒在 多分散相多相流动中的破碎和合并行为. 利用粒子动力学理论和考虑固体相之间的 作用,可以模拟流化床内的流动.在旋转 机械领域ANSYS CFX一直拥有最丰富的 模型材料库,平衡湿蒸气和非平衡湿蒸气 模型可以准确预测汽轮机流动现象,丰富 的真实气体模型可以准确预测各种非理想 假设下的流动. ANSYS CFX拥有包括流体流动、传热、 辐射、多相流、化学反应、燃烧等问题 的丰富的通用物理模型;

还拥有诸如气 蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传 质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、 真实气体等大量复杂现象的实用模型. 多相流 ANSYS CFX软件拥有二十多年的多相 流建模经验,可以模拟多组分流动、气泡、液滴、颗粒和自由表面流动进行模 拟.粒子输运模型可以模拟连续相内的 一个或多种粒子流.瞬态粒子追踪模拟 能力,可以模拟火焰扑灭过程、粒子沉 降和喷雾.粒子破碎模型可以模拟液体 颗粒雾化,捕捉粒子在外力下的破碎 过程,并考虑相间的作用力,壁面薄膜 (Wall film)模型可以考虑颗粒在高温/ 低温壁面的反弹、滑移、破碎等现象. 欧拉多相流模型可以很好地模拟相间动 量、能量和质量传输,而且ANSYS CFX 中包含丰富的曳力及非曳力模型,全隐 式耦合算法对于求解相变导致的气蚀、 蒸发、凝固、沸腾等问题具有很好的健 壮性. 澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)利用ANSYS- CFX模拟的流化床内气泡的形成和发展过程.由于和许多工 业和大型研究项目的广泛合作,ANSYS-CFX的多相流模型一 直处于仿真技术的前列.这些模型可以模拟任何扩散和连续 流动的组合,包括液体、固体、气体和化学物质. ANSYS CFX模拟的500 MW电站煤粉锅炉炉内燃 烧.该锅炉安装了48个旋流稳燃低NOx燃烧器, 考虑了平板过热器的影响,结果显示了在燃烧 器喷流交叉形成的高温、高氧区,NOx生成速率 大.模拟了三种不同的英国煤在不同过量空气系 数的工况下燃烧,其中NOx浓度和炉膛出口处的 未燃碳与测量值的误差分别在15%和3%以内.此 项目得到了英国贸易和工业部的支持. 上图是ANSYS CFX模拟的直径为20米的油池燃 烧后的池火现象.采用了基于浮力修正的湍流模 型,ANSYS CFX成功克服了池火现象中层流和湍 流并存而给模拟带来的困难.模拟出的池火特征和 Cetegen-Ahmed关系式吻合良好. 燃料棒泡核沸腾现象模拟 发动机缸内喷油涡流 低压蒸汽轮机非平衡湿蒸气流动 ANSYS CFX

6 上图是采用DES模型模拟的战斗机做高机动飞行时的翼 面附近的气流旋涡分布.CFX中的SAS模型在旋涡强烈 的区域用LES模拟,在其它区域用雷诺平均法模拟,大 大降低了大涡模拟所需的计算资源. 燃烧 不论在燃气轮机燃烧设计、汽车发动机 燃烧模拟、膛炉内煤粉燃烧还是火灾模 拟,ANSYS CFX都提供了非常丰富的 物理模型来模拟流动中的燃烧和化学反 应问题.ANSYS CFX涵盖从层流到湍 流,从快速化学反应到刚性化学反应, 从预混燃烧到非预混燃烧的问题.所有 的组分作为一个耦合的系统求解.对于 复杂的反应系统能够加速收敛.模型包 括单步/多步涡破碎模型、有限速率化 学反应、层流火焰燃烧模型、湍流火焰 模型、部分预混B V M模型、修正的部 分预混ECM模型,同时NOx模型、soot 模型、Zimont模型、废气再循环EGR 模型、自动点火模型、壁面火焰作用 (Quenching)模型、火花塞点火模型 也包括在内. 辐射 ANSYS CFX包括广泛的辐射模型,从 透明介质到参与辐射的非灰体介质.可 用于多个领域,包括燃烧,加热,通风 和固体之间的辐射. DOW化学公司采用ANSYS CFX模 拟废热回收装置内的温度变化过程, 并准确预报了管内介质的出口温度. 通过模拟,找出了原始设计的弊端在 于换热面积过小,导致各管间温度相 差较大.改进后的回收炉重新布置了 管程的排列形式,提高了回收效率. D O W的设计人员认为,他们选择 ANSYS CFX的原因是因为其耦合传 热功能和灵活的用户扩展性. 湍流 绝大多数的工业流动为湍流.因此, ANSYS CFX软件一直致力于提供并开 发最先进的湍流模型,用来有效并准确 地捕获湍流.湍流模型对CFD计算影响 较大,尤其是复杂构型的阻力评估,存 在层流到湍流的转捩,附面层分离、激 波诱导附面层分离等复杂........