CFD介绍与ANSYS软件地使用

CFD介绍与ANSYS软件的使用

中国汽车技术研究中心

上海研发中心

2012.07.10

目录1.CFD基本概念2.ANSYS使用方法3.UDF与实例4.电池系统模拟的流程及难点CFD基本概念CFD是计算流体动力学（Computationalfluiddynamics）的缩写，是预测流体流动、传热、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过以下控制方程组来求解运行对象：–质量守恒方程（参加反应前各物质的质量总和等于反应后生成各物质的质量总和）–动量守恒方程（那威－斯托克斯方程（Navier-Stokesequations））–能量守恒方程（能量可以在物体间传递，能量形式可以互相转换，但能量永远不会消失）CFD求解器是基于有限体积法–计算域离散化为一系列控制体积–在这些控制体上求解质量、动量、能量、组分等的通用守恒方程。CFD如何工作CFD模拟的流程1.确定模拟的目的2.确定计算域

3.创建代表计算域的几何实体4.设计并划分网格5.设置物理问题（物理模型、材料属性、域属性、边界条件…）6.定义求解器（数值格式、收敛控制…）7.求解并监控8.查看计算结果9.修订模型网格是求解的最基本的单元，网格质量的优劣直接影响到求解的结果及准确性。结构网格均匀的四边形或六面体非结构网格三角形或四面体混合网格二者兼之网格的基本概念网格的基本概念网格文件中存储了所有的网格信息。–节点坐标–连接关系–域的定义和几何定义类似，网格定义如下：–Node–Edge–Face–Cell–Zone软件的启动启动ANSYS/Workbench

在工具栏中拖动FluidFlow(FLUENT)到项目栏ANSYS软件的使用读入几何体，网格划分右键ImportGeometry

读入几何文件(CAD模型)右键点击Meshcell然后选择Edit.–Meshing工具打开，并读入几何选择Mesh–因为网格是从FLUENT中打开的，所以默认优先选择的是FLUENT.网格检查及命名网格畸变度Skewness不大于0.95

Skewness的含义？使用Namedselections定义边界–选择你想指定名字的面–右键选择点击CreateNamedSelection.–键入名字然后点击OK.Fluent设置整体界面处理器的选择FLUENT中的并行计算用来运行多个处理器，以减少计算时间–对大规模网格或者复杂物理问题尤其有效–FLUENT是全并行的，能在大多数硬件和软件平台上运行，多核机器上并行FLUENT可以使用命令启动，也可以在启动面板中选择；–例如，启动一个n-CPU并行进程，用下面的命令fluent3d–tn尺寸的缩放FLUENT材料库所选择的物理模型决定了哪些材料可用，以及必须设定这些材料的哪些属性。材料属性可以直接设定为温度、压力的函数也可以用UDF设定。定义边界条件要确定一个有唯一解的物理问题，必须指定边界上的流场变量；–指定进入流体域的质量流量、动量、能量等定义边界条件包括:–确定边界位置–提供边界上的信息边界条件类型和所采用的物理模型决定了边界上需要的数据你需要注意边界上的流体变量应该是已知的或可以合理预估的–不好的边界条件对计算结果影响很大求解器设置求解参数–选择求解器–离散格式初始条件收敛–监测收敛过程–稳定性设置松弛因子设置Courantnumber计算收敛时应该满足:–所有离散的守恒方程（动量、能量等）在所有的单元中满足指定的误差或者结果随计算不再改变–全局的质量、动量、能量和标量达到平衡

使用残差历史曲线来监测收敛：–残差下降10e-3表示初步收敛，流场的主要特征已经形成。–能量残差应下降到10e-6监测定量的收敛:–监测其他关键的物理量收敛性对于无法收敛的模型，应修改网格质量和边界条件收敛性特征如下图所示。UDF什么是UDF?–UDF是用户自己用C语言写的一个函数–标准的界面不能编程模拟所有需求:–定制边界条件，源项，反应速率，材料属性等–定制物理模型–用户提供的模型方程–执行和需求函数标准C函数三角函数，指数，控制块，Do循环，文件读入/输出等预定义宏(SOURCE、RP)允许获得流场变量，材料属性，单元几何信息及其他用户函数可以在运行时读入并解释，也可以编译形成共享库文件并和FLUENT链接解释vs.编译–解释（interpret）解释器是占用内存的一个大型程序;通过逐行即时执行代码;优势–不需要第三方编译器劣势–解释过程慢，且占用内存–编译(compile)UDF代码一次转换为机器语言运行效率高;创建共享库，和其他求解器链接克服解释器的缺陷需要安装C语言编辑器（Turboc，VS2010等）编译与解释Udf常用的宏命令DEFINE_INIT(name,domain);UDFusedtoinitializefieldvariablesDEFINE_RW_FILE(name,fp);customizereads/writestocase/datafilesDEFINE_PROFILE(name,thread,index);boundaryprofilesDEFINE_SOURCE(name,cell,thread,dS,eqn);equationsourcetermsDEFINE_HEAT_FLUX(name,face,thread,c0,t0,cid,cir);heatfluxDEFINE_PROPERTY(name,cell,thread);materialpropertiesDEFINE_SR_RATE(name,face,thread,r,mw,yi,rr);surfacereactionratesDEFINE_VR_RATE(name,cell,thread,r,mw,yi,rr,rr_t);volumetricreactionratesDEFINE_DELTAT(name,domain);variabletimestepsizeforunsteadyproblemsDrealflow_time();Returnsactualtimeinttime_step;ReturnstimestepnumberRP_Get_Real(“physical-time-step”);Returnstimestep电池系统热管理步骤三维软件需要完成的工作Catia及其他三维软件绘制模型模型的简化去除电池的主要特征，如:倒角，凸型面，为简化计算结果，必要的时候需去除极柱。ANSYS需完成的工作检查几何体的完整性布尔运算网格划分及其边界的命名Fluent边界条件的设置求解器的设置查看结果

电池系统模拟的重点参数类似于汽车发动机，需要标定动力特性，电池需要标定下列参数，才能准确的模拟电池的热管理模型：导热系数λ比热容Cp发热功率的计算P电池发热功率计算发热功率计算可采用Bernardi生热速率模型或内阻法。发热