“工作流程很重要”——說說ANSYS CFD的仿真分析步驟

阿布的書柜 2019-12-08

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計算流體力學（Computational Fluid Dynamics簡稱CFD）是利用數(shù)值方法通過計算機求解描述流體運動的數(shù)學方程，揭示流體運動的物理規(guī)律，研究定常流體運動的空間物理特性和非定常流體運動的時空物理特征的學科。其基本思想可以歸納為：把原來在時間域和空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關十這些離散點上場變量之間的關系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。

CFD 也可以稱之為流體仿真，是從屬于CAE（計算機輔助工程）的一個重要組成部分，從這個角度來講，CFD 的本質仍舊是工程，所以必須要遵循通常意義上工程的一些原則。

ANSYS CFD 的基本工作流程可以認為分成三個主要的部分：

l 提出問題

l 化簡問題

l 解決問題

（一）提出問題

提出問題，就是要明確仿真目的；這一點其實是最為重要的，但是對于一些仿真工程師來講卻是最容易被忽略的。好多流體仿真工程師在仿真之前難以講清楚自己的目的是什么、希望通過仿真得到什么，甚至一部分人還希望先做一個流體仿真“看一看情況”，這都是不正確的仿真起點。

任何的流體仿真都必須要有明確的目的，只有在明確的目的引導下，才能夠忽略目的之外的次要因素，我們的仿真才能夠順利的進行；否則，如果我們的目的越多、想要得到（或考慮）的內容越多、我們的仿真規(guī)模就會過大，從而導致工作效率降低，無法滿足工程上的需求。常見的CFD流體仿真目的有以下幾個方面：

l 得到溫度的分布、溫度最值的位置等（如電子散熱行業(yè)等）

l 得到力、力矩或壓力系數(shù)分布等（如航空航天、汽車行業(yè)等）

l 得到多相流中某一相（或多相）的分布情況（如石油行業(yè)、化工行業(yè)等）

l 得到管路中的壓降（能量損失）和流量分布情況（如流體機械行業(yè)等）

l 得到流場分布來配合其他的需求

l ……

當然，不同的行業(yè)仿真目的和需求通常是不一樣的，因此我們忽略的次要因素也是不盡相同的。圖中所示的問題就是一個典型的三通管問題仿真，冷水和熱水分別從各自的入口流進三通管，混合后從出口流出，該問題的仿真目的有兩個：

l 流體流經(jīng)三通管的壓降（能量損失）情況

l 冷水與熱水在管內的混合（溫度分布）情況

（二）化簡問題

有了明確的仿真目的，我們接下來的任務就是化簡問題。當然，仿真的問題該如何圍繞這明確的目的進行化簡，這些工作（思考）通常也應該是在仿真之前就完成的。對于問題的簡化，大致上可以分為以下四個方面：

l 仿真區(qū)域選取

l 邊界條件給定

l 幾何模型化簡

l 物理模型選擇

1.仿真區(qū)域選取

在流體力學中的守恒方程中，通常大家第一個討論的就是連續(xù)性方程，這個方程從某種意義上來講，也可以認為是流體區(qū)別于固體（就是我們常說的結構仿真）的主要區(qū)別。農夫山泉有一句著名的廣告詞叫“我們不生產水，我們是大自然的搬運工”也是很形象的說明了流體力學中連續(xù)性方程的含義：對于一個給定的觀測體（仿真區(qū)域）流體不會憑空的生成和消失，流體流入多少就會對應的流出多少；同時，流體流出觀測體（仿真區(qū)域）后也不會消失，而是繼續(xù)的流動，一直到無窮遠的地方（或循環(huán)）。

因此，對于流體永久存在（循環(huán)）的流體區(qū)域，取其中一部分進行仿真分析，本身也是對問題的一個簡化。當然，仿真的區(qū)域如何選取，不同的情況應該如何應對，由于篇幅的關系，本文就不做詳細介紹了。

對于三通管的問題，我們選取了接頭的部分作為仿真區(qū)域，當然，這并不代表流體從三通管接頭直接流到大氣之中，而是表示在出口的位置，還有等徑圓直管在無限延伸，流體從出口的位置流進了這無限長的直管中。

管路的簡化，進出口并不代表流體的盡頭

2. 邊界條件給定

邊界條件給定和選取的仿真區(qū)域息息相關，因此也是簡化問題的重要步驟。從本質上理解，邊界（面）實際上是一種等效，仿真中用它們來替代其他的流體區(qū)域。

不同的計算區(qū)域選取對應著不同的邊界條件給定，如下圖所示：

l 如果選?、僮鳛槿肟?，那么只需要簡答的輸入即可，缺點是計算區(qū)域會很大

l 如果選?、冖圩鳛槿肟?，那么雖然計算區(qū)域相對會縮小，但是給定的邊界條件需要精確的分布，當然，這些分布在①中是可以直接計算的得到的。

3.幾何模型化簡

如果在流體問題中考慮過于精細的幾何細節(jié)（如螺栓形狀、小凹槽等）那么會使網(wǎng)格量成指數(shù)增加，導致工作效率降低。因此我們必須要非常清楚哪些幾何細節(jié)是對我們的仿真有影響的；沒有影響的，一律簡化，這樣也是工程中效率優(yōu)先思想的一個重要體現(xiàn)。

不同的幾何簡化程度，網(wǎng)格總量差別可以達到數(shù)十倍以上

4.物理模型選擇

仿真中的物理模型，可以簡單理解為用方程來代替實際的物理現(xiàn)象：如湍流模型、多相流模型、熱輻射模型等，無論何種模型，都是抓住了主要矛盾、簡化了次要矛盾才誕生的。因此可以這樣說，模型本身就是簡化的代名詞。流體中的這些問題（湍流、多相流），如果不用模型，任何一個都無法完成計算。

當然，在明確的仿真目的下選擇必要的物理模型也是可以簡化問題的，如：

l 某液體的流動，只關注速度與壓力的影響（不需要開啟傳熱模型）

l 某顆粒流中顆粒體積分數(shù)很小，顆粒對流場影響可以忽略（不需要開啟DPM與流場耦合計算，僅做流場后處理即可）

l 某真空環(huán)境下?lián)Q熱問題（不需要開啟流動方程計算，僅計算能量方程和輻射輸運方程即可）

l ……

（三）解決問題

前面兩個步驟雖然很重要，但基本上都屬于“想”的環(huán)節(jié)；仿真工程師對于工作必須要腳踏實地，因此就不能讓問題停留在紙面上。

使用CFD解決流體問題，自然是離不開商用軟件。從原理上來講，CFD是運用了有限元的思想，把連續(xù)變量分布的空間，變成離散的分布；在離散的空間（網(wǎng)格）里，我們的偏微分方程，也就轉化為了代數(shù)的方程。

流體仿真中，解決問題通常分為四個步驟：

l 幾何

l 網(wǎng)格

l 求解

l 后處理

如下圖所示，ANSYS CFD 目前在解決流體問題上，已經(jīng)具備了數(shù)量非常龐大的可選選項；當然，無論這些軟件如何發(fā)展，只要還屬于有限元的范疇，就必須要按照解決問題的四個步驟進行

1.幾何：

目前ANSYS提供兩個軟件的幾何解決方案：

① Design Modeler（簡稱DM）

這個軟件是傳統(tǒng)的ANSYS Workbench幾何處理軟件，相信許多的ANSYS老用戶熟悉這款軟件，但是在2015年隨著ANSYS SCDM的加入，DM的大部分功能都已經(jīng)逐步的被移植到SCDM當中，DM的地位也隨之邊緣化。對于ANSYS 19.0版本來講，標準的商務軟件包中已經(jīng)不包含DM的使用許可。

② ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（簡稱 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和幾何處理軟件。SCDM可以顯著地縮短產品設計周期，大幅提升CAE分析的模型處理質量和效率，為用戶帶來全新的產品設計體驗。

ANSYS CFD中幾何的作用：

l 建立三維幾何模型。不同于一維流體仿真軟件（如Flowmaster等），ANSYS CFD實現(xiàn)的是詳細計算（三維計算），因此必須先有三維幾何CAD模型才能仿真。SCDM/DM都具備建立幾何模型的能力，而且可以與后續(xù)的ANSYS網(wǎng)格劃分軟件進行無錯數(shù)據(jù)傳遞，因此是流體工程師 “從零開始”工程項目的絕佳選擇。

l 橋梁作用，連接CAD與CAE。

l SCDM/DM都具備豐富的幾何接口，可以讀取幾乎所有主流CAD軟件輸出的文件格式。

l SCDM/DM都具備強大的幾何修補/簡化功能，能夠將設計（生產）CAD模型快速轉化為仿真CAD模型。

l SCDM/DM以與后續(xù)的ANSYS網(wǎng)格劃分軟件進行無錯數(shù)據(jù)傳遞，可以確保我們的仿真在幾何模型上真實可靠。

2.網(wǎng)格

ANSYS CFD的網(wǎng)格劃分工具很多，包含專用的與通用的。Workbench Meshing ICEM CFD Fluent Meshing三款軟件屬于通用的網(wǎng)格劃分軟件，可以適用于絕大多數(shù)的網(wǎng)格劃分問題。本文由于篇幅限制，暫且不對三款軟件進行詳細的介紹。