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ANSYS CFX——专业的流体力学分析

ANSYS CFX作为世界上唯一采用全隐式耦合算法的大型商业软件,算法上的先进性,丰富的物理模型和前后处理的完善性使其在结果精确性、计算稳定性、计算速度和灵活性上都有优异的表现。除了一般工业流动以外,CFX还可以模拟诸如燃烧,多相流,化学反应等复杂流场。集成到ANSYS Workbench环境中使用,增加了在工程仿真的应用面,效率达到新的水平。

精确的数值方法


和大多数CFD软件不同,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。

集成环境与优化技术


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。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。


快速稳健的求解技术


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。


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。



功能特色

高级前后处理


ANSYS CFX的网格具有完全的灵活性。所支持的网格类型包括三角形、四边形、四面体、六面体、五面体和棱柱体(楔形)。ANSYS Workbench允许用户读入自己的CAD几何,在ANSYS DesignModeler专门用于创建和准备仿真几何,在ANSYS Mesh部件中自动或手动划分网格。对于网格需求更加苛刻的用户,ANSYS ICEM CFD能满足其要求。


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。

航天飞机外流场六面体网格

ANSYS CFD-Post中能直接比较不同设计方案


丰富的物理模型


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。


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。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。


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。


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的流动现象,常规的二方程湍流模型难以胜任各种复杂流动,CFX拥有包括S-A模型在内的15种湍流模型,其中SST模型+低雷诺数修正可以更准确地模拟中度分离流、低速气动力,对于层流到湍流的转捩流动,可以采用基于SST的转捩模型。


传热

固体和流体之间的传热在许多领域十分重要,ANSYS CFX使用最新的技术求解三维空间的包括固体区域换热的流动。隐式GGI界面算法(通用交界面方式)可以在分界面网格不匹配的情况下精确模拟流体、固体之间的耦合换热、辐射换热等复杂共轭换热问题。


多孔介质

真实多孔模型能够捕捉速度和压力在交界面上的不连续性,使用动量损失模型能够更精确的模拟。


动网格

当流体模型包括几何运动,例如转子压缩机,齿轮泵,血液泵或者内燃机时,就要求网格的运动。特别是在流固耦合计算中涉及固体在流体中的大变形和大位移运动,ANSYS CFX结合ICEM CFD实现外部网格重构功能,用来模拟特别复杂构型的动网格问题,这种运动可以是指定规律的运动,比如汽缸的活门运动事件,也可以是通过求解刚体六自由度运动的结果,配合CFX的多构型(Multi-Configuration)模拟,可以方便处理活塞封闭和边界接触计算。


而且,对于螺杆泵、齿轮泵这种特殊的泵体运动,ANSYS CFX开发了独特的浸入固体方法(Immersed solid),不需要任何网格变形或重构,采用施加动量源项的方法来模拟固体在流体中的任意运动。基于以上两种动网格策略,用户可以方便地解决任意复杂的动网格问题。


旋转机械

ANSYS CFX软件一直是旋转机械CFD模拟的领导者。它在精度、速度和稳健性方面都表现优异。能够捕捉旋转部件和固定部件之间的相互作用,并为旋转机械量身定制了前处理和后处理环境,完全满足旋转机械流体动力学分析的需要。ANSYS BladeModeler几何工具和ANSYS TurboGrid网格生成工具进一步补充了旋转机械仿真,能加能够满足旋转机械设计者和分析者的需求。

流化床内气泡的形成过程仿真




战斗机翼面附近的气流旋涡分布



废热回收装置内的温度变化



炮弹出膛内外流场分析(采用真实爆炸气体模型、刚体六自由度运动和动网格技术模拟)



涡壳水泵内的分离区和回流区模拟

流固耦合技术


借助于ANSYS在多物理场方面深厚的技术基础,以及CFX在流体力学分析方面的领先优势,ANSYS Mechanical+CFX强强联合推出了目前世界上最优秀的流固耦合(FSI)技术。


双向FSI技术完整地考虑了结构和流场之间的相互影响。由于CFX采用基于有限元的有限体积法,使得流固耦合技术的开发和应用比其它CFD软件有着得天独厚的优势。


除了流固耦合外,ANSYS CFX还能和电场、磁场、声场等模块耦合计算。

ANSYS流固耦合技术进行内燃机排气头的热应力分析


典型应用

航空工业


飞机气动力


飞机气动噪声


直升机旋翼气动


航空发动机


压气机

涡轮

燃烧室

结冰除冰


航天工业


气动力、气动力矩(阻力、侧向力、升力、俯仰力矩、滚转力矩、侧滑力矩)


气动热(热应力、热防护、烧蚀)


气动弹性(静气弹、颤振)


气动声学


气动力+运动学(6DOF)


动力系统(推力)


旋转机械


水泵


风机


汽轮机


燃气轮机


水轮机


涡轮增压器


螺旋桨


能源电力


火电


锅炉

汽轮机

脱硫

脱硝

除尘

风电


风力机

风场选址

电机

核电


反应堆

废料安全

污染控制

水电


太阳能


生物质发电


过程工业


旋风分离器


搅拌器


流化床反应器


煤气化炉


冶金加热炉


结晶器


裂解反应器


换热器


汽车行业


汽车外气动


发动机舱热管理


电池组散热


发动机燃烧与进排气


车灯


刹车盘冷却


油箱晃荡


液力变矩器


船舶行业


船舶水动力


船舱通风


船用动力


舰船安全