CFX软件介绍.doc

ANSYS CFX 流体动力学分析技术的开拓者产品关键字n 精确的数值方法n 快速稳健的求解技术n 丰富的物理模型n 旋转机械流动分析的专有特征n 先进的网格剖分技术发展历史CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEA Technology 公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发，诞生在工业应用背景中的CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着CFD技术的不断发展。目前，CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为其在全球6000多个用户解决了大量的实际问题。回顾CFX发展的重要里程，总是伴随着她对革命性的CFD新技术的研发和应用。1995年，CFX收购了旋转机械领域著名的加拿大ASC公司，推出了专业的旋转机械设计与分析模块CFX-Tascflow，CFX-Tascflow一直占据着90%以上的旋转机械CFD市场份额。同年，CFX成功突破了CFD领域的在算法上的又一大技术障碍，推出了全隐式多网格耦合算法，该算法以其稳健的收敛性能和优异的运算速度，成为CFD技术发展的重要里程碑。CFX一直和许多工业和大型研究项目保持着广泛的合作，这种合作确保了CFX能够紧密结合工业应用的需要，同时也使得CFX可以及时加入最先进的物理模型和数值算法。作为CFX的前处理器，ICEM CFD优质的网格技术进一步确保CFX的模拟结果精确而可靠。2003年，CFX加入了全球最大的CAE仿真软件ANSYS的大家庭中。我们的用户将会得到包括从固体力学、流体力学、传热学、电学、磁学等在内的多物理场及多场耦合整体解决方案。CFX将永远和我们的用户伙伴一起，用最先进的技术手段，不断揭开我们身边真实物理世界的神秘面纱。产品特色CFX是全球第一个在复杂几何、网格、求解这三个CFD传统瓶径问题上均获得重大突破的商业CFD软件。借助于其独一无二的，有别于其它CFD软件的技术特点，CFX领导着新一代高性能CFD商业软件的整体发展趋势。精确的数值方法和大多数CFD软件不同的是，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。 基于有限元的有限体积法，对六面体网格单元采用24点插值，而单纯的有限体积法仅采用6点插值。 基于有限元的有限体积法，对四面体网格单元采用60点插值，而单纯的有限体积法仅采用4点插值。CFX在湍流模型的应用上，也一直是业界领先的。除了常用的湍流模型外，CFX最先使用了大涡模拟（LES）和分离涡模拟（DES）等高级湍流模型。快速稳健的求解技术 CFX是全球第一个发展和使用全隐式多网格耦合求解技术的商业化软件，这种革命性的求解技术克服了传统算法需要“假设压力项求解修正压力项”的反复迭代过程，而同时求解动量方程和连续性方程，加上其采用的多网格技术，CFX的计算速度和稳定性较传统方法提高了12个数量级，更重要的是，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，这使工程技术人员第一次敢于计算大型工程的真实流动问题。CFX突出的并行功能还表现在它可以网络上UNIX、LINUX、WINDOWS平台之间随意并行。丰富的物理模型CFX的物理模型是建立在世界最大的科技工程企业AEA Technology 50余年科技工程实践经验基础之上，经过近30年的发展，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、真实气体等大批复杂现象的实用模型。此外，CFX为用户提供了从方便易用的表达式语言（CEL）到功能强大的用户子程序的一系列不同层次的用户接口程序，允许用户加入自己的特殊物理模型。旋转机械一体化解决方案在旋转机械领域，CFX向用户提供从设计到CFD分析的一体化解决方案。提供了三个旋转机械设计分析的专用工具：BladeGen、TurboGrid、TASCFlow。BladeGen是交互式涡轮机械叶片设计工具。用户通过修改元件库参数或完全依靠BladeGen中的工具设计各种旋转和静止叶片元件及新型叶片，对各种轴向流和径向流叶型，从CAD设计到CFD分析在数分钟即可完成。TurboGrid为叶栅通道网格生成工具。她采用了创新性的网格模板技术，结合参数化能力，工程师不仅可以既快捷又简单地为绝大多数叶片类型生成高质量叶栅通道网格。所需用户提供的只是叶片数目、叶片及轮毂和外罩的外形数据文件。TASCflow是全球公认最好的旋转机械工程CFD软件，由于特为旋转机械裁制的完整软件体系，以及在旋转机械行业十多年的专业经验，TASCflow被旋转机械领域90%以上的企业作为主要的气动/水动力学分析和设计工具，其中包括GE，Pratt & Whitney, Rolls Royce，Westing House，ABB，Siemens，CE，Voith Hycho等企业界巨擎。l 更多内容请关注资料：CFX-TASCflow -旋转机械一体化解决方案求解功能总体功能l 二维或三维流动l 旋转坐标系l 多重参考坐标系l 定常或非定常流动l 不可压或可压流动l 浮力驱动流l 非牛顿流- Bingham- Bird-Carreau- Cross- Herschel-Bulkley- Power Law模型- User Fortran l 湍流- 模型- 低雷诺数 模型- 低雷诺数Wilcox模型- 低雷诺数Menter修正 k-w模型- RNG 模型- 代数雷诺应力模型- 微分雷诺应力模型- 微分雷诺通量模型- SST（Shear Stress Transport）模型- 大涡模型l 化学反应动力学l 多孔介质l 多组分流体l 多相流分析l 燃烧分析l 自由表面l 传热- 粘性加热- 对流- 传导- 辐射传热 Monte Carlo法 Discrete Transfer法 P1法 Surface-to-Surface法 Gibbs法。- 流固耦合传热l 数值方法- 基于有限元的有限体积方法- 有限体积法- 全隐式的耦合算法- SIMPLE和PISO耦合算法- 线性的或二阶时间差分 混合差分 迎风格式 高阶迎风格式 QUICK格式 CONDIF格式 TVD/MUSCL格式 CCCT格式l 并行计算第 15 页 共 15页多相流专题欧拉多相流 最为一般的欧拉多相流，可包含任意组合、任意数目的固、液、气物质，允许多种不同类型、多种尺寸的颗粒、液滴和气泡存在，并且每一相都可由多种组分构成，如空气中的水蒸气，水中的示踪剂。数学上的每一相（不同尺寸范围的颗粒被CFX视为数学上不同的相）有单独的速度、温度和密度场并通过输运方程求解场参数，方程之间用相间质量传输、动量传输和热量传输进行耦合。 所有流动范围的阻力关系式： 粘性流，牛顿流，不规则气泡流，冠状流气泡流的松弛阻力因子虚拟质量力壁面润滑力和提升力局部低温冷却的沸腾模型颗粒动力学理论模型湍流耗散和由气泡引起的湍流鼓泡塔内的气液两相流动相间传质模型 计算连续相与离散相之间的组分传递过程，基于双膜理论。油水分离罐内的自由液面均相流自由表面模型 如液面晃动，液体注入，油水混合等问题。采用表面张力模型后可以计算诸如微尺度流体力学，微重力和毛细现象这样的问题。由于可采用高阶MUSCL差分格式和一种表面锐化算法，该模型在液面处的收敛性非常好。两相喷雾塔内的流动移动网格自由表面模型 按单相流计算自由液面，网格通过移动和变形捕捉液面形状。该模型可有效减少数值耗散，在给定的网格数量下可获得更为锐化的液面形状。拉格朗日多相流 CFX用拉格朗日方法跟踪多个颗粒或液滴在流动区域的运动，并考虑颗粒与连续相之间的质量、动量和热量传输，允许连续相的比热随温度变化并且允许连续相为非牛顿流体。该模型亦可跟踪无质量颗粒的轨迹。CFX分别为油滴燃烧，煤粉燃烧和喷雾干燥发展了专用的颗粒输运模型，在进行辐射计算时可实现颗粒/辐射的双向耦合。气泡流 CFX最新的气泡流模型采用了新的阻力关系式，从而可以考虑粘性、Newtonian、气泡变形和球状冠的影响。该模型还考虑了高浓度、虚质量、壁面力、升力、湍流耗散和气泡导致的湍动的影响。该模型将特别适合于多相混合器和gas-lift反应器。旋风分离器的分离过程MUSIG(Multiple Size Group)模型 该模型是欧共体ADMIRE项目的研究成果。对于必须了解气泡直径分布的问题，MUSIG提供了非常独特并且有效的方法。该模型采用类似人口平衡的方法，同时考虑气泡的破碎和融合现象，从而计算各种粒径气泡的分布规律。沸腾 用最新的过冷沸腾模型，用户可计算许多有沸腾现象的流动问题，从电厂的蒸汽发生器到低温物理和制冷等等。该模型除考虑了bulk condensation外，还将heat partition at walls考虑进convective，quenching and evaporative components。流化床 CFX可计算流化床中的非定常，二维或三维多相流问题。该模型不仅考虑了床层动力学，多种大小密度的颗粒，传热，侵蚀和煤粉的挥发，而且考虑了当颗粒达到最大堆积率时的阻力和颗粒间额外作用力的变化。在最新的版本中，CFX包含了基于颗粒动力学理论的最先进和皮实的流化床模型。particle-laden 流 CFX专为partical-laden流发展了一个代数滑移模型。在partical-laden流中，微小颗粒或气泡很快即达到其平衡速度。该模型可包括任意数量的颗粒或气泡种类，并考虑了不同种类颗粒或气泡的体积分数对滑移速度的影响，它比采用一般的连续/离散多相流模型处理这类问题更有效。凝固模型 主要用于模拟连续浇铸过程。模型中考虑了潜热的瞬态变化，凝固区的流动阻力，相变过程中的湍流率减。燃烧专题航空发动机内的燃烧CFX的基本燃烧模型有混合燃烧模型，多步旋涡破碎模型，多步Arrhenius反应动力学燃烧模型，Flame Sheet模型，和Flame Front模型。混合燃烧模型用于控制燃烧，它假设燃料和氧化剂不可能同时存在，并用概率密度函数考虑湍流的影响，多用于扩散燃烧如炉内燃烧。旋涡破碎模型则用于非控制燃烧，在输运方程中计算Arrhenius燃烧反应速率，可用于扩散燃烧、预混燃烧和着火。此外，CFX还包括专业燃烧模型：气态燃料燃烧 气态燃料可以是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、一氧化碳、二氧化碳、氮气的任意混合物，用户也可通过指定燃料中C、H、O元素的组分定义自己的燃料。对于中间产物或中间反应重要的燃烧过程，CFX还可在燃烧模型中引入化学反应机制。油燃烧 CFX的油燃烧模型用拉格朗日颗粒跟踪方法来模拟油滴的喷射和汽化，用混合燃烧或旋涡破碎模型模拟油蒸汽的燃烧。可广泛地用于工业燃油燃烧过程的模拟。电站煤粉锅炉炉内燃烧模拟煤燃烧 CFX的煤燃烧模型用拉格朗日颗粒跟踪方法来模拟煤粉的运动和挥发以及煤粉挥发后炭粉的氧化过程，用混合燃烧或旋涡破碎模型模拟气态挥发物的燃烧。可广泛地用于工业煤粉燃烧过程的模拟。用户可以通过最终的煤分析结果直接指定煤的特性，也可以在命令文件中指定挥发份的特性。燃料可以是任意C，H，O组分比例和气体混合物。多种燃料混合燃烧及多氧化流燃烧 CFX可用于气、固混合燃烧如煤粉与任意气态燃料的混合燃烧，气、液混合燃烧如燃油与任意气态燃料的混合燃烧，多氧化剂流燃烧如空气流与纯氧流分别通入的燃烧，多气态燃料流燃烧如纯化的废气与天然气的混合燃烧。这使工程师能获得混合燃料燃烧中有关不同燃料、不同氧化剂的相对燃烧速率等这样的信息，从而帮助工程师决定如何提高燃气化反应器的计算烧效率和如何降低燃料费用。NOX生成 CFX中的NOX模型包括热力、燃料、prompt、和NO reburn机理，这使CFX的NOX模型可以准确预测任何燃烧过程的NOX生成量，为考虑燃烧炉环境影响的工程师带来了极大的方便。烟生成 燃烧过程的烟生成对燃烧中的辐射和环境均有极大影响，CFX4的烟生成模型可以准确预测任何燃烧过程中的烟生成及其发展。爆炸、爆燃和着火 CFX的燃烧模型可以有效模拟封闭，半封闭或敞开空间的爆炸、爆燃和着火过程。物理模型包括了点火、湍流加速、熄火和“Rayleigh Taylor”不稳定性等这些现象。CFX已被成功用于建筑火灾和爆炸，海上石油平台起火，池火，粉尘爆炸，火灾烟运动等这些问题。煤油的非平衡化学反应化学反应的耦合求解器 CFX包括专门针对化学反应的耦合求解器，同时解出所有反应物的浓度和温度，当反应时间尺度比当地流动时间尺度小时可以保证求解的稳定性，对于系统存在很宽时间尺度的“数值刚性”问题，如燃烧和反应流动，这点尤为重要。通用反应动力学/湍流混合模型 用于模拟动力学控制的多级可逆反应。独具特色的前处理CFX的前处理模块ICEM CFD是一个高度智能化的、为专业CFD分析软件提供高质量网格的软件，她的两大特色是：先进的网格剖分技术和一劳永逸的CAD模型处理工具先进的网格剖分技术在CFD计算中，网格技术是影响求解精度和速度的重要因素之一。CFX的前处理模块ICEM CFD向用户提供业界领先的高质量网格技术，其强大的网格划分功能可满足CFD对网格划分的严格要求：边界层网格自动加密|、流场变化剧烈区域网格局部加密、网格自适应用于激波捕捉、分离流模拟、高质量的全六面体网格提高计算速度和精度、非常复杂空间的四、六面体混合网格等。 独特的采用映射技术的六面体网格划分功能通过雕塑方法在拓扑空间进行网格划分，自动映射到物理空间，可在任意形状的模型中划分出六面体网格； 映射技术自动修补几何表面的裂缝或洞，从而生成光滑的贴体网格； 采用O-形（内、外O-形）网格生成技术来生成六面体的边界层单元； 网格质量检查功能可以检查、标识质量差的单元。独特的网格“光滑”功能，可用来对已有的网格进行均匀化处理，从而大大提高了网格质量； 划分得到的网格是可编辑的，如转换单元类型：棱柱四面体、所有网格四面体、二次单元线性单元等； ICEM CFD的操作过程可以形成“命令流”，当几何模型尺寸改变时，只需运行Replay就可以很容易地重新划分网格； CFX的通用网格界面（GGI）功能，允许用户将不同类型的网格块粘接，大大降低了复杂模型的网格划分难度，并为具有多重参考坐标系的问题提供了最有效的解决方案。 网格优化与自适应：独特的自适应网格自动划分模块。可根据迭代求解计算状态，对非结构化四面体网格或四面体与棱柱体网格的混合网格进行网格自适应调整，随时优化网格，这样，既方便了网格划分，又提高了计算精度。在有限元分析方法中，用于激波的捕捉和分离流位置的确定。下图为B747全机在马赫数0.82时的计算结果，从图中可见，通过9次网格自适应迭代，在机翼表面激波附近网格自动加密，而其他区域网格变粗。 ICEM CFD提供的网格生成工具- ICEM Hexa六面体- ICEM Tetra四面体- ICEM Prism棱柱体（边界层网格）- ICEM Hybrid四、六面体混合- ICEM Autohexa自动六面体- ICEM Global自动笛卡尔网格生成器 - ICEM Quad表面网格一劳永逸的CAD模型处理工具ICEM CFD除了提供自己的实体建模工具之外，她的网格生成工具也可集成在CAD环境中。用户可在自己的CAD系统中进行ICEM CFD的网格划分设置，如在CAD中选择面、线并分配网格大小属性等等，这些数据可储存在CAD的原始数据库中，用户在对几何模型进行修改时也不会丢失相关的ICEM CFD设定信息。另外，CAD软件中的参数化几何造型工具可与ICEM CFD中的网格生成及网格优化等模块直接联接，大大缩短了几何模型变化之后网格的再生成时间。ICEM CFD的理念是：“一劳永逸。”该接口适用于SolidWorks、CATIA、Pro/E、Ideas、Unigraphics等CAD系统。ICEM CFD的几何模型工具的另一特色是其方便的模型清理功能。CAD软件生成的模型通常包括所有细节，甚至还有粗糙的建模过程形成的不完整曲面（俗称“烂模型”）等。这些特征对网格剖分形成巨大挑战，甚至导致分网失败。ICEM CFD提供的清理工具可以轻易处理这些问题。应用实例航空航天领域上图为CFX模拟美国F22战斗机的结果，计算状态为马赫数Ma=0.9,攻角5。图中显示的是对称面上的马赫数分布。计算共采用了260万个网格单元。由于CFX具有强大的并行功能，软件自动将网格分为若干部分，分配到网络上的各个处理器计算，这使得大规模CFD问题的计算能够在短时间内得到结果。CFX模拟的升力、阻力及力矩系数都与实验值吻合的很好。上图是某飞机多段翼周围的压力分布，CFX的最新网格技术包括：根据曲面曲率的大小自动加密网格；在附面层附近生成很薄的附面层网格；自适应网格能更有效得捕捉到激波。这是CFX对美国J-31型涡轮喷气发动机的整机模拟。包括进气道、压缩机、燃烧室、尾喷管四个部分。单独拿出这四个部分中的任何一个，都是一个很复杂的CFD问题。而CFX同时将这四个部分合起来进行模拟，在CFD应用领域尚属首次。计算中采用了CFX的动静界面干涉模型和FlameFront燃烧模型。J-31型涡轮喷气发动机的研究人员认为，CFX是一个功能强大、模型丰富、稳健可靠的CFD软件。汽车领域上图是CFX为日本汽车工业协会JAA (Japan Automobile Association)模拟的某汽车外流场，图中显示了对称面、地面和车身表面的压力分布。1997年在东京召开的JAA CFD会议上，CFX现场演示了此计算结果，在日本汽车界引起了轰动，并引发了汽车工业采用CFD技术进行新车研发的高潮。JAA人员认为，采用CFD模拟，可以有效地减少风洞实验次数、节省经费、加快新车的研发过程。CFX模拟的F1方程式赛车的外流场，图中显示的是对称面和地面的压力分布。用ICEM生成的混合网格，共200万个单元。ICEM强大的网格功能大大缩短了前期建模的时间，并且能提供高质量复杂网格。计算考虑了车轮的转动，以及地面的运动（50km/h）。采用了CFX的并行功能。上图是CFX模拟的汽车空调系统，36个风扇叶片周围的压力分布。通过CFX的模拟，能帮助汽车工程师提高空调的效率，降低汽车空调噪音，改善空调气流的品质，从而在整体上提高汽车的舒适程度。船舶工业CFX计算的船舶问题。船行速度为2.064 m/s 或 4.03knots，整船的计算阻力为43.9 N，而实验结果为44.3N。误差几乎为1%，计算采用了CFX的自由液面模型，并用自适应网格技术来加密自由液面的网格，从而更精确地捕捉到自由液面。德国的SVA (Schiffbau-Versuchanstalt Potsdam GmbH)采用CFX模拟的船后螺旋桨转动对船体的影响。计算采用瞬态rotor-stator模型，模拟显示了瞬态的压力脉动对船体和舵都有很大影响，并且压力脉动也是噪音的根源。SVA研究人员认为，和通常的稳态计算相比，此次瞬态模拟的结果更精确，也更加加深了他们对螺旋桨周围流动现象的理解。NSWCDD (Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division)是美国海军最大的研究实验室。上图是NSWCDD用CFX模拟的某型号潜艇在水下的运动。图中显示的是潜艇转弯时周围的流线。NSWCDD研究人员通过使用CFX，能更快地设计出在阻力、机动性等方面都有很大提高的潜艇。建筑工业这是英国一家建筑工程服务咨询公司BDSP用 CFX模拟的伦敦街区一角的外部风场，图中显示了建筑物表面的压力分布。BDSP的人员称，采用CFX模拟建筑物的风载，可以为建筑的强度设计提供有效的压力数据，同时针对建筑物的具体特点，设计更灵活的通风系统。BDSP设计人员还借助CFX的模拟图片向客户解释一些复杂的问题。CFX模拟的某帐篷式大型体育场的内部通风问题。图中显示的是体育场表面的网格划分。CFX可以帮助设计师在设计初期就得到体育场内的详细流场信息，从而及时发现可能存在的通风隐患，修改通风设计方案，加快设计周期，提高设计质量。瑞士公用事业公司利用CFX模拟的Crosin山区的风场，用于改进风力发电厂的输出电力。由于风力发电机的输出电力是风速的三次方函数关系式，因此将风力发电机安装在风速最大的迎风坡面上，会大大提高风力发电厂的输出电力。有关人员采用CFX模拟得到山区周围的风场细节，不仅减少了许多繁重的风场测量工作，更能有效地节省设计时间。火灾通风ICF Kaiser Engineers公司是一家历史悠久的交通工业企业，被公认为是地铁通风领域的技术创新者，也是首家利用CFD技术模拟地铁火灾及通风的企业。在对几个主要CFD软件的试用之后，ICF 最终选择了CFX作为其模拟地铁火灾通风的分析工具。ICF的工程师认为，CFX的稳健性和灵活性更能满足他们的要求。图中显示为ICF模拟的某地铁站着火后的温度和速度分布。CFX模拟的格林威治千年圆顶屋的火灾与通风。考虑了包括太阳、展览物、照明设备以及入口产生的热源，并且考虑了季节不同带来的差异。通过CFX的模拟，设计人员改善了通风条件，在保证安全的基础上，最大限度地提高了室内通风的气流品质，增加了游客在圆顶屋内的舒适度。上图是CFX模拟的直径为20米的油池燃烧后的池火现象。采用了基于浮力修正的湍流模型，CFX成功克服了池火现象中层流和湍流并存而给模拟带来的困难。模拟出的池火特征和Cetegen-Ahmed关系式吻合良好。旋转机械北美的EMP公司采用CFX模拟的常规涡壳水泵。BMP的工程师说，CFX的通用网格界面（GGI）模型使得他们能够用更短的时间，轻松完成涡壳和叶片的网格划分，而所得到的结果包括水泵内每一点的速度和压力，这是实验测量所无法完成的。他们通过CFX模拟，分析水泵内的分离区和回流区产生的原因并加以改进，提高了水泵的效率。法国电力公司（EDF）是世界上水电设备的主要制造商之一，图中显示的是EDF为莱茵河上的KEMBS水电站设计的Kaplan 水轮机。通过CFX模拟，EDF的设计人员发现，他们可以在不增加整机压力损失的前提下，有余力提高水轮机的流量。采用CFX后，EDF大大缩短了设计水电设备的时间。目前，CFX已经成为EDF进行设计分析的必需工具。英国ALSTOM公司采用CFX模拟的叶片内部冷却通道。采用ICEM生成了四面体网格，考虑了流体和固体之间的耦合传热（CHT）。ICEM的高质量网格和CFX稳健的全隐式耦合多网格算法，使得这种复杂的流动和导热耦合问题得以成功模拟。能源工业CFX模拟的500 Mwe电站煤粉锅炉炉内燃烧。该锅炉安装了48个旋流稳燃低Nox燃烧器，考虑了平板过热器的影响，结果显示了在燃烧器喷流交叉形成的高温、高氧区，Nox生成速率大。模拟了三种不同的英国煤在不同过量空气系数的工况下燃烧，其中Nox浓度和炉膛出口处的未燃碳与测量值的误差分别在15%和3%以内。此项目得到了英国贸易和工业部的支持。上图显示的是管壳换热器的流线及温度分布。CF