基于ANSYS的噴霧器噴嘴流場仿真研究【含有限元】【說明書+CAD+PROE】

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technology of numerical simulation in ANSYS ICEM CFD software applying to continuous castingDo the preprocessing of fluid numerical simulation in ANSYS ICEM CFD software first。and then export some meshes to CFX for solutionThe engineers can borrow some ideas from this method，which can enhance the efficiency of the numerical simulation greatly Key words：CFD；CFX；numerical simulation 1前言 CFD(Computational Fluid Dynamics)是計算流體力 學(xué)的簡稱，其核心就是基于現(xiàn)代計算流體力學(xué)的有限單 元分析技術(shù)。眾所周知在計算流體力學(xué)中，其計算網(wǎng)格的 質(zhì)量好壞，邊界條件的施加以及求解器的求解方法等都 將直接影響流體數(shù)值仿真的精確程度。目前市面上廣泛 使用的流體分析軟件非常多，有的十分繁瑣。本文提供了 一種使用流體軟件ANSYS CFX和其前處理軟件一ANSYS ICEM CFD相結(jié)合數(shù)值仿真方法，可以大大提高工程分 析的效率。 2 ANSYS ICEM CFD和CFX簡介 CFX是目前處于世界領(lǐng)先地位的CFD軟件之一，廣 泛用于模擬各種流體流動、傳熱、燃燒和化學(xué)反應(yīng)等問 題。CFX的前處理模塊是ICEM CFD，它提供廣泛的CAD 和CAE軟件接口，可以快速生成多種形式的網(wǎng)格。它在 生成網(wǎng)格時，可實(shí)現(xiàn)邊界層網(wǎng)格自動加密、流場變化劇烈 區(qū)域網(wǎng)格局部加密、分離流模擬等，這大大提高了數(shù)值仿 真的精度。 下面以計算浸入式水口澆鋼溫度場和流場為例來說 明在ANSYS ICEM CFD和CFX中的數(shù)值仿真技術(shù)。 3運(yùn)用ICEM CFD建立CAE模型 3J幾何模型的導(dǎo)入及清理 ICEM CFD提供了廣泛的CAD軟件接口，當(dāng)幾何實(shí) 體模型建好以后可以通過ICEM CFD中的FileImport Geometry直接導(dǎo)入CATIA V4、STEP、IGES、UG、ProE等 格式的CAD幾何模型文件。由于不同的文件格式導(dǎo)人 ICEM CFD后的結(jié)果會有差異。模型復(fù)雜一點(diǎn)的IGES格 式，導(dǎo)入后會有很多面的丟失，相對而言CATIA的文件 格式比較方便。 在導(dǎo)入幾何模型后，需要對模型進(jìn)行清理。1CEM CFD的Geometry頁面中的Repair Geometry菜單提供了 大量的優(yōu)化模型和清理模犁的工其。對只導(dǎo)人面的模型 自動生成了曲線和點(diǎn)，便于網(wǎng)格的劃分。 i2劃分計算網(wǎng)格 ICEM CFD通過映射技術(shù)的六面體網(wǎng)格劃分功能在 拓?fù)淇臻g進(jìn)行網(wǎng)格劃分，自動映射到物理宅間，可在任意 形狀的模型中劃分出六面體網(wǎng)格；也可以應(yīng)用其自動劃 分網(wǎng)格功能來生成自由網(wǎng)格。要指出的是由于ICEM CFD自由劃分網(wǎng)格的功能十分便捷，因此很多人為了方 便直接采用tetra網(wǎng)格。然而對于流場分析，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能 夠?qū)﹃P(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行局部劃分，獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，進(jìn)而得 到更可靠的計算結(jié)果。如在處理近壁面附近層時，常常需 要長的薄單元，由于四面體單元在某一特定方向拉長時， 其數(shù)值求解特性會變差，計算誤差大，方程不易收斂，而 使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以大大減小計算誤差。因此學(xué)會建六面 體網(wǎng)格將大大提高計算的收斂速度和準(zhǔn)確度。除了這兩 種類型的網(wǎng)格外，ICEM CFD還可以建四面體網(wǎng)格、棱柱 體網(wǎng)格、六面體混合網(wǎng)格及表面網(wǎng)格，適合不同邊界條件 的需要。 在使用ICEM CFD生成好網(wǎng)格后用PreMesh Quality命令對該網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢奩并用Smooth命令對 網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。若網(wǎng)格出現(xiàn)負(fù)體積，可以通過Move 機(jī)械工程師2008年第12期l 65 萬方數(shù)據(jù) 制造業(yè)信息化 frill，毽ICADICAMICAEICAPP一 Vertex命令拉動Block頂 點(diǎn)，直到質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。對 于湍流邊界層，我們需要用 Pre-Mesh ParamsMeshing Parameters菜單來對邊界 網(wǎng)格和某些特殊部f矗進(jìn)行 加密，這可以大大提高計算 精度。圖1是采用全六面體生成的該容器有限元模型。該 模型共有68007個節(jié)點(diǎn)，71568個單元。 33導(dǎo)出ANSYS CFX格式的有限元模型 ANSYS ICEM CFD本身附帶了多種有限元求解軟 件的輸入輸出轉(zhuǎn)換器。用戶可以通過OutputSelect Solver選擇求解器并通過OutputWrite Input來輸出文 件。本文選擇的求解器是ANSYS CFX，輸出文件格式默 認(rèn)為$CFX5。 4運(yùn)用ANSYS CFX求解計算 4J導(dǎo)入有限元模型 CFX可以導(dǎo)人不同格式的網(wǎng)格，如CFX Mesh(gtm)、 Ansys及Nastran等，從ICEM CFD中導(dǎo)入網(wǎng)格直接選擇 ICEM CFD網(wǎng)格格式。 42設(shè)置流體或固體的物理參數(shù) 設(shè)置正確合理的材料參數(shù)是進(jìn)行仿真分析的前 提，在CFX中所有流體或固體參數(shù)均可通過 Materials來創(chuàng)建、存儲和管理。CFX中自建r理想氣體、 水和鋁銅鋼等常用流體和同體的物理參數(shù)。分析人員 也可通過Create Materials來設(shè)置新的流體或固體的密 度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等。由于ICEM CFD本身 不存在量綱，因此在CFX中設(shè)置流體或嘲體的物理參 數(shù)時應(yīng)該注意單位的協(xié)調(diào)。浸入式水口和鋼水物理性 質(zhì)及如表l。 表1浸入式水口和鋼水物理參數(shù)及常用單位 參數(shù)名稱 密度fkgm?粘度爪m4熱傳導(dǎo)系敦用m。K4比熱容JkgK4 43施加邊界條件 所謂邊界條件，是指求解域的邊界上所求解的變量 或其一階導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)及時間變化的規(guī)律。所有CFD問 題都需要有邊界條件，對于瞬態(tài)問題還需要有初始條 件。流場的解法不同，對邊界條件和初始條件的處理方 式也不一樣：l一。在CFD模擬時，基本邊界條件包括：流動 進(jìn)出口邊界、給定壓力邊界、壁面邊界、對稱邊界和周期 性邊界等。不同的求解模型，邊界條件的選擇也不同。本 文中浸入式水口澆鋼溫度場和流場采用穩(wěn)態(tài)求解，邊界 條件如下：(1)固體表面浸入式水口與外界接觸的面 設(shè)為固體表面。與外界接觸的表面則設(shè)置成對流換熱， 對流換熱系數(shù)為12W，(mK)，設(shè)外界溫度恒為300K。該 面對速度、壓力使用無滑移邊界條件。(2)進(jìn)出口 入口 的速度垂直于所在面，并視為穩(wěn)定的一維流動。入口處 66 I機(jī)械工程師2008年第12期 為水13上部定義速度為2ms，入口溫度恒為T=1580。C， 湍流強(qiáng)度設(shè)為中等。出L1處則設(shè)置為靜壓力為0個大氣 壓邊界。 44設(shè)置求解參數(shù) 在求解之前，可通過Solver Control設(shè)置對流格式和 時間步長以及收斂精度。對于瞬態(tài)求解還需設(shè)置 Output Control。最后通過Write Solver File寫出乖def文 件進(jìn)行求解計算。 45計算結(jié)果的后處理 CFX可以用多種 方式顯示和輸出計算 結(jié)果，例如，顯示速度 矢量圖、壓力等值線 圖、等溫線圖、壓力云 圖、流線圖、繪制XY 散點(diǎn)圖、參差圖，生成 流場變化的動畫，進(jìn) 行粒子追蹤等。圖2、3 分別表示水口澆鋼后 的溫度分布云圖和鋼 水速度矢量圖。 5結(jié)論 在ANSYS ICEM CFD中建立有限無模 型十分方便快捷，能 夠滿足不同流體邊界 條件的需要，而且其 模型能夠很好地導(dǎo)入 到ANSYS CFX中施 _ 圖2水口的溫度分布云圖 圖3鋼水速度矢量圖 加邊界條件進(jìn)行求解計算，在CFX后處理中也能夠很好 的反應(yīng)計算結(jié)果，這種基于ANSYS ICEM CFD和CFX的 流體數(shù)值仿真技術(shù)能夠大大提高T程流體分析的速度和 精度。 參考文獻(xiàn) 1王福軍計算流體力學(xué)分析_cFD軟件原理與應(yīng)用M北 京：清華大學(xué)出版社，2004 2 Nagashima T，Development of a CAE system based on the nodeby-node meshless methodJComputMethods ApplMech Engrg，2000，187：1-34 3杜平安有限元網(wǎng)格劃分的基奉原則J機(jī)械設(shè)計與制造，2000 (1)：3638 4劉希云，等流體力學(xué)中的有限元與邊界方法【Mtz海：上海交 通大學(xué)出版社，1993 5Patankar S VNumerical Heat Transfer and Fluid FlowM Washington D C：tlemisphere，1 980 6羅會信，張學(xué)軍不同預(yù)熱方式下浸人式水口的溫度場J，煉 鋼，2002(1)：4245 (編輯立明) 作者簡介：許蕾(1983一)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械CADCAM 及機(jī)械系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)。 收稿日期：2008一0820 萬方數(shù)據(jù) 基于ANSYS ICEM CFD和CFX數(shù)值仿真技術(shù) 作者： 許蕾， 羅會信， XU Lei， LUO Hui-xin 作者單位： 武漢科技大學(xué),機(jī)械自動化學(xué)院,武漢,430081 刊名： 機(jī)械工程師 英文刊名： MECHANICAL ENGINEER 年，卷(期)： 2008(12) 被引用次數(shù)： 2次 參考文獻(xiàn)(6條) 1.劉希云 流體力學(xué)中的有限元與邊界方法 1993 2.杜平安 有限元網(wǎng)格劃分的基奉原則期刊論文-機(jī)械設(shè)計與制造 2000(01) 3.Nagashima T Development of a CAE system based on the node-by-node meshless method外文期刊 2000(1-2) 4.羅會信;張學(xué)軍 不同預(yù)熱方式下浸入式水口的溫度場期刊論文-煉鋼 2002(01) 5.Patankar S V Numerical Heat Transfer and Fluid Flow 1980 6.王福軍 計算流體力學(xué)分析-cFD軟件原理與應(yīng)用 2004 引證文獻(xiàn)(2條) 1.谷德君.陳波.孔繁久 非接觸式承片臺流體動力學(xué)仿真分析期刊論文-機(jī)械工程師 2010(1) 2.巴永峰.楊理踐.邢燕好 輸氣管道內(nèi)檢測器泄流裝置的流場計算期刊論文-中國電子商情通信市場 2010(6) 本文鏈接：http:/