专业级流体动力学分析: 探索ANSYS CFX的强大工具

概述

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