CFX软件介绍 - 图文(2)

2020-04-21 00:35

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

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。 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

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航空发动机内的燃烧 电站煤粉锅炉炉内燃烧模拟

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。 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。

气化反应器的计算 煤油的非平衡化学反应 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

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速度和精度、非常复杂空间的四、六面体混合网格等。

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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;

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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

棱柱体(边界层网格) 四、六面体混合 自动六面体

自动笛卡尔网格生成器 表面网格

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- ICEM Prism - ICEM Hybrid - ICEM Autohexa - ICEM Global - ICEM Quad

一劳永逸的CAD模型处理工具

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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。

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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。

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。

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。

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

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