“工作流程很重要”——说说ANSYS CFD的仿真分析步骤

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics简称CFD）是利用数值方法通过计算机求解描述流体运动的数学方程，揭示流体运动的物理规律，研究定常流体运动的空间物理特性和非定常流体运动的时空物理特征的学科。其基本思想可以归纳为：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关十这些离散点上场变量之间的关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

CFD 也可以称之为流体仿真，是从属于CAE（计算机辅助工程）的一个重要组成部分，从这个角度来讲，CFD 的本质仍旧是工程，所以必须要遵循通常意义上工程的一些原则。

ANSYS CFD 的基本工作流程可以认为分成三个主要的部分：

• 提出问题

• 化简问题

• 解决问题

（一）提出问题

提出问题，就是要明确仿真目的；这一点其实是最为重要的，但是对于一些仿真工程师来讲却是最容易被忽略的。好多流体仿真工程师在仿真之前难以讲清楚自己的目的是什么、希望通过仿真得到什么，甚至一部分人还希望先做一个流体仿真“看一看情况”，这都是不正确的仿真起点。

任何的流体仿真都必须要有明确的目的，只有在明确的目的引导下，才能够忽略目的之外的次要因素，我们的仿真才能够顺利的进行；否则，如果我们的目的越多、想要得到（或考虑）的内容越多、我们的仿真规模就会过大，从而导致工作效率降低，无法满足工程上的需求。常见的CFD流体仿真目的有以下几个方面：

• 得到温度的分布、温度最值的位置等（如电子散热行业等）

• 得到力、力矩或压力系数分布等（如航空航天、汽车行业等）

• 得到多相流中某一相（或多相）的分布情况（如石油行业、化工行业等）

• 得到管路中的压降（能量损失）和流量分布情况（如流体机械行业等）

• 得到流场分布来配合其他的需求

• ……

当然，不同的行业仿真目的和需求通常是不一样的，因此我们忽略的次要因素也是不尽相同的。图中所示的问题就是一个典型的三通管问题仿真，冷水和热水分别从各自的入口流进三通管，混合后从出口流出，该问题的仿真目的有两个：

• 流体流经三通管的压降（能量损失）情况

• 冷水与热水在管内的混合（温度分布）情况

（二）化简问题

有了明确的仿真目的，我们接下来的任务就是化简问题。当然，仿真的问题该如何围绕这明确的目的进行化简，这些工作（思考）通常也应该是在仿真之前就完成的。对于问题的简化，大致上可以分为以下四个方面：

• 仿真区域选取

• 边界条件给定

• 几何模型化简

• 物理模型选择

1.仿真区域选取

在流体力学中的守恒方程中，通常大家第一个讨论的就是连续性方程，这个方程从某种意义上来讲，也可以认为是流体区别于固体（就是我们常说的结构仿真）的主要区别。农夫山泉有一句著名的广告词叫“我们不生产水，我们是大自然的搬运工”也是很形象的说明了流体力学中连续性方程的含义：对于一个给定的观测体（仿真区域）流体不会凭空的生成和消失，流体流入多少就会对应的流出多少；同时，流体流出观测体（仿真区域）后也不会消失，而是继续的流动，一直到无穷远的地方（或循环）。

因此，对于流体永久存在（循环）的流体区域，取其中一部分进行仿真分析，本身也是对问题的一个简化。当然，仿真的区域如何选取，不同的情况应该如何应对，由于篇幅的关系，本文就不做详细介绍了。

对于三通管的问题，我们选取了接头的部分作为仿真区域，当然，这并不代表流体从三通管接头直接流到大气之中，而是表示在出口的位置，还有等径圆直管在无限延伸，流体从出口的位置流进了这无限长的直管中。

管路的简化，进出口并不代表流体的尽头

2. 边界条件给定

边界条件给定和选取的仿真区域息息相关，因此也是简化问题的重要步骤。从本质上理解，边界（面）实际上是一种等效，仿真中用它们来替代其他的流体区域。

不同的计算区域选取对应着不同的边界条件给定，如下图所示：

• 如果选取①作为入口，那么只需要简答的输入即可，缺点是计算区域会很大

• 如果选取②③作为入口，那么虽然计算区域相对会缩小，但是给定的边界条件需要精确的分布，当然，这些分布在①中是可以直接计算的得到的。

3.几何模型化简

如果在流体问题中考虑过于精细的几何细节（如螺栓形状、小凹槽等）那么会使网格量成指数增加，导致工作效率降低。因此我们必须要非常清楚哪些几何细节是对我们的仿真有影响的；没有影响的，一律简化，这样也是工程中效率优先思想的一个重要体现。

不同的几何简化程度，网格总量差别可以达到数十倍以上

4.物理模型选择

仿真中的物理模型，可以简单理解为用方程来代替实际的物理现象：如湍流模型、多相流模型、热辐射模型等，无论何种模型，都是抓住了主要矛盾、简化了次要矛盾才诞生的。因此可以这样说，模型本身就是简化的代名词。流体中的这些问题（湍流、多相流），如果不用模型，任何一个都无法完成计算。

当然，在明确的仿真目的下选择必要的物理模型也是可以简化问题的，如：

• 某液体的流动，只关注速度与压力的影响（不需要开启传热模型）

• 某颗粒流中颗粒体积分数很小，颗粒对流场影响可以忽略（不需要开启DPM与流场耦合计算，仅做流场后处理即可）

• 某真空环境下换热问题（不需要开启流动方程计算，仅计算能量方程和辐射输运方程即可）

• ……

（三）解决问题

前面两个步骤虽然很重要，但基本上都属于“想”的环节；仿真工程师对于工作必须要脚踏实地，因此就不能让问题停留在纸面上。

使用CFD解决流体问题，自然是离不开商用软件。从原理上来讲，CFD是运用了有限元的思想，把连续变量分布的空间，变成离散的分布；在离散的空间（网格）里，我们的偏微分方程，也就转化为了代数的方程。

流体仿真中，解决问题通常分为四个步骤：

• 几何

• 网格

• 求解

• 后处理

如下图所示，ANSYS CFD 目前在解决流体问题上，已经具备了数量非常庞大的可选选项；当然，无论这些软件如何发展，只要还属于有限元的范畴，就必须要按照解决问题的四个步骤进行

1.几何：

目前ANSYS提供两个软件的几何解决方案：

①  Design Modeler（简称DM）

这个软件是传统的ANSYS Workbench几何处理软件，相信许多的ANSYS老用户熟悉这款软件，但是在2015年随着ANSYS SCDM的加入，DM的大部分功能都已经逐步的被移植到SCDM当中，DM的地位也随之边缘化。对于ANSYS 19.0版本来讲，标准的商务软件包中已经不包含DM的使用许可。

②  ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（简称 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和几何处理软件。SCDM可以显著地缩短产品设计周期，大幅提升CAE分析的模型处理质量和效率，为用户带来全新的产品设计体验。

ANSYS CFD中几何的作用：

• 建立三维几何模型。不同于一维流体仿真软件（如Flowmaster等），ANSYS CFD实现的是详细计算（三维计算），因此必须先有三维几何CAD模型才能仿真。SCDM/DM都具备建立几何模型的能力，而且可以与后续的ANSYS网格划分软件进行无错数据传递，因此是流体工程师 “从零开始”工程项目的绝佳选择。

• 桥梁作用，连接CAD与CAE。

• SCDM/DM都具备丰富的几何接口，可以读取几乎所有主流CAD软件输出的文件格式。

• SCDM/DM都具备强大的几何修补/简化功能，能够将设计（生产）CAD模型快速转化为仿真CAD模型。

• SCDM/DM以与后续的ANSYS网格划分软件进行无错数据传递，可以确保我们的仿真在几何模型上真实可靠。

2.网格

ANSYS CFD的网格划分工具很多，包含专用的与通用的。Workbench Meshing ICEM CFD Fluent Meshing三款软件属于通用的网格划分软件，可以适用于绝大多数的网格划分问题。本文由于篇幅限制，暂且不对三款软件进行详细的介绍。

• 流体仿真初学者，建议使用Workbench Meshing

• 高级流体仿真工程师，建议使用Fluent Meshing

• 有六面体网格需求的工程师，建议使用ICEM CFD

3.求解

CFX与Fluent 都是ANSYS 旗下的通用流体仿真求解器，可以解决大部分行业的流体问题，两款软件对比起来，各自有优势，当然也有不足。实际上，关于求解器的内容是非常复杂和庞大的，希望大家在其他的文章中有针对性的学习。

4.后处理

Fluent 软件本身就具备有后处理的能力，CFX是依托CFD-Post进行后处理的；当然，Fluent 的计算结果也可以通过CFD-Post进行后处理。ANSYS 19.0的版本之后，新增了强大的Ensight 后处理工具，可以极大的提升我们的工作效率。

ANSYS CFD-Post 后处理模块

ANSYS Ensight 强大的后处理工具

作者 | 张杨，安世亚太北京分公司高级流体工程师,具备多年的 CAE 仿真工作经验，擅长 ANSYS 流体产品的行业应用，主要包括航空航天、电力能源、生物力学、电子封装等；精通 ANSYS Fluent、CFX、ICEM CFD 等软件的高级功能，尤其擅长复杂几何的网格处理与大规模仿真计算分析，有多个行业的咨询项目经验。

张老师的大咖慧课程预告

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授课老师：张杨，安世亚太高级流体工程师

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