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《ANSYS CFX 14.0超级学习手册》——第2章 CFX软件简介2.1 CFX的软件构成

简介:
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本节书摘来自异步社区《ANSYS CFX 14.0超级学习手册》一书中的第2章,第2.1节,作者: 高飞 , 李昕 更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看。

第2章 CFX软件简介

ANSYS CFX 14.0超级学习手册
CFX软件是目前国际应用最广泛的商用CFD软件之一,可求解与流体、热传递及化学反应和燃烧等相关的工程问题。CFX具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能,在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面有着广泛的应用。本章将介绍CFX软件的结构和文件类型。

学习目标:

掌握CFX软件的结构体系;

掌握CFX计算的分析过程中所用到的软件模块:前处理、求解管理及后处理;

掌握CFX整个分析过程中产生的文件类型及其内容。

2.1 CFX的软件构成

ANSYS CFX 14.0超级学习手册
ANSYS CFX功能的实现主要由5部分组成:几何建模、网格划分、前处理、求解和后处理,各功能模块如图2-1所示。


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(1)几何建模:可以用CFX专用建模软件DesignModeler,也可以用CAD、Pro/E、Solidworks等商业画图软件进行建模,存为中间格式,导入网格划分软件中。

(2)网格划分:划分网格的商用软件较多,可以用WorkBench集成的ICEM CFD,其具有强大的网格生成功能和几何建模功能,可以通过其自动生成网格功能划分四面体网格,或者使用生成拓扑功能生成质量更高的六面体网格和O-grid网格。

(3)前处理器CFX-Pre:用于建立计算区域,选择物质、模型,设定计算区域的边界条件和求解器,确定解的计算精度、迭代的步数、目标残差等。同时,CFX提供的复杂模型还可以用于建立化学反应和燃烧、气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、非牛顿流体等大批复杂现象的模型。

(4)求解器CFX-Solver是CFX软件模拟计算的核心程序,在后台执行,用户通过求解管理器来控制设定求解器,使用的是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。

(5)求解管理器CFX-Solver Manager:便于用户监视求解进程,用于显示CFX求解器输出的求解过程信息,如当前迭代步、残差等。

(6)后处理器CFD-Post:用于完成计箅结果的统计和图形化处理,可以快速地显示计算结果,生成点、线、面、体等位置,创建矢量图、云图、流线、曲线等对象,还可以实现生成数据并输出数据等功能。

2.1.1 启动CFX
在CFX中,启动运行CFX应用程序,有直接启动及在WorkBench中启动2种方式:

1.直接启动
(1)在Windows系统中直接启动CFX。

执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 14.0→FluidDynamics→CFX 14.0命令,即可启动CFX程序,进入软件主界面。

或者,在DOS窗口中键入“:ProgramFilesAnsysIncV140CFXbincfx5.exe”命令,则可启动CFX。

(2)在Linux系统中直接启动CFX。

在终端窗口中键入“/usr/ansys_inc/v140/CFX/bin/cfx5.exe”命令,则可启动CFX。

2.在WorkBench中启动
在WorkBench中启动CFX首先需要运行WorkBench程序,然后再导入CFX计算模块,进入程序,步骤如下。

(1)在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 14.0→WorkBench命令,启动ANSYS WorkBench 14.0,进入如图2-2所示主界面。

(2)双击主界面Toolbox(工具箱)中的Component Systems→CFX选项,即可在项目管理区创建分析项目A,如图2-3所示。


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(3)双击分析项目A中的Setup,将直接进入CFX-Pre界面。CFX软件启动后,进入Launcher界面,如图2-4所示。

CFX-Pre可以导入的网格类型较多,包括ANSYS Meshing生成的网格、Gambit生成的网格、CFX网格工具生成的网格、CFX后处理中包含的网格信息、ICEM CFD生成的网格等。

CFX-Pre中内置了大量的材料数据库,包括各种常用的流体、固体材料,如水、空气、铁、铝等。用户可以直接使用这些材料定义求解问题,也可以在这些材料的基础上进行修改或创建一种新材料。

CFX-Pre中可以设置的求解条件很多,包括定常/非定常问题、求解域、边界条件和求解参数。

CFX-Pre会将使用者导入的网格和定义的求解条件统一输出到一个.def文件中,供求解器求解用。

前处理器CFX-Pre界面如图2-5所示,界面大致分为5个区域。

(1)菜单栏:CFX遵循了常规软件的方式,主菜单里包含了软件的全部功能。

(2)工具栏:一般情况下,使用工具栏中的这些快捷按钮就足够用了。


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(3)模型设置区:通过tab页面管理全部模型内容,包括网格、求解域、边界条件材料数据库、化学反应库等。

(4)右半部分分为上下两个区域,上面是图形区,以图形方式直观地显示模型;下面是文本信息区,设置不完整或报错信息会在此区域显示。

2.1.3 求解管理器
CFX的求解过程实际上就是一个代数方程组的迭代求解过程,在求解过程中求解器会反馈一些信息,供使用者判断程序的求解运行过程是否正常。CFX的求解管理器Solver Manager就是这样一个反馈程序。

CFX的Solver Manager具有下列主要功能。

(1)启动一个新的求解,启动前可以定义是否使用外部初始文件,是否使用并行。

(2)监视正在进行的求解过程,包括随迭代步变化的残差、监视点的状态参数和三个守恒方程的总体守恒满足程度等。

提示:
通过这些信息,可以判断求解过程是否正常,如果发现不正常求解,可以通过求解管理器中止求解过程,或者动态修改求解参数或边界条件。
(3)对于已经求解完成的问题,Solver Manager还可以回放求解过程,辅助使用者发现求解过程中的问题。

图2-6所示为CFX-Solver Manager的软件界面。

Solver Manager界面有2个主要的区域。

(1)左侧是收敛曲线,以图形方式显示随迭代步变化的各种收敛判断参数,包括残差、总体守恒度、用户自定义的监视点参数等。

(2)右侧是相应的文本信息。

在求解出错时,收敛曲线往往只能看到一个不收敛的结果,而文本信息会给使用者提供尽可能多的错误信息,并对如何修改模型提出建议。


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2.1.4 后处理器
求解完成后,需要使用CFD-Post对求解后的数据进行图形化显示和统计处理。图2-7所示为CFD-Post的软件界面。


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CFD-Post具有一般后处理器的全部特征,包括打开结果文件,建立几何特征,生成矢量图、云图,计算统计量,生成动画,导出文本数据等。

CFD-Post还可以建立自己的宏命令,从而构建一套针对特定问题的后处理。CFD-Post有一套专门针对旋转机械的后处理功能,就是使用宏命令编写的。

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