案例：流体仿真分析参数化Step by Step

本文摘要（由AI生成）：

文章以球阀为例，介绍了在 Workbench 平台下进行流体仿真分析参数化的完整流程，包括几何前处理、网格划分、求解计算和参数化驱动四个部分。通过参数化模型，可以方便地研究不同输入参数对产品性能的影响，避免重复性的仿真设置过程。同时，参数化的模型还可以作为仿真二次开发的模板文件，通过 Workbench 脚本修改输入参数，驱动各仿真模块完成仿真流程计算。

本案例以球阀为对象，研究其在不同开度下的压降，演示在Workbench平台下流体仿真分析参数化的完整流程。

1、问题描述

球阀控制水通过1英寸(25.4毫米)直径管道时的流量，分析的目的是确定当水以1.5 m/s (Re = 38,000)的速度流过管道时，通过阀门在不同开度时对应的压降。

在ANSYS Workbench平台下将阀门的开启角度定义为参数驱动尺寸，然后对不同开度角下通过阀门的压降进行参数化研究。

2、案例目标

通过本案例，你将获得：

• 在Workbench中：如何创建流体分析流程，包含前处理SpaceClaim、网格Meshing、求解器Fluent；如何更改参数和创建设计点进行参数化研究。

• 在SpaceClaim中：如何操作CAD装配体，并对其进行几何参数化；如何抽取流体域，并创建共享拓扑；

• 在Meshing中：如何创建边界位置和流体域；如何应用局部网格控制(主体、面、边尺寸和边界层)；

• 在Fluent中：如何分析管道流动；如何定义输出参数。

接下来的介绍中，我会按照流体仿真流程：几何前处理 → 网格 → 求解&后处理的过程，一步一步地给大家演示操作方法。

3、SpaceClaim参数化

在SpaceClaim中可将无参数的中性几何模型参数化，然后在Workbench平台上进行参数化分析及设计优化。

3.1 导入几何

打开Workbench 2019R1，将Mesh组件系统拖拽到项目视图，双击Geometry打开SpaceClaim，并将“BallValve.SLDASM”直接拖拽到SpaceClaim工作区，打开模型文件。

3.2 创建驱动尺寸

SpaceClaim中可以通过拉伸、移动几何特征直接创建参数，同时也能使用Detail标签下Dimension工具辅助创建参数。

3.3 抽取流体域

点击Prepare标签下的Volume Extract工具抽取流体域。

3.4 共享拓扑

在Workbench选项卡中点击Share设置共享拓扑，修复几何实体间的连接性，确保后续生成网格是共节点的。

4、Meshing网格划分

4.1 启动Meshing

双击Mesh单元格，启动Meshing网格划分模块

4.2 全局网格设置

设置网格默认值和大小，并重命名主体，如下所示：

4.3 局部网格设置

选中球阀实体，插入尺寸控制(Body Sizing)，设置体网格单元尺寸为5e-3m，尺寸函数为Proximity and Curvature，如下图所示。

4.4 边界层网格

右键点击结构树中Mesh，插入局部边界层控制(Inflation)，设置如下图所示：

相同方法设置另一侧管道边界层，如下图所示：

右键点击结构树中Mesh，插入一个线尺寸控制(Edge Sizing)，选中边界层中使用的两条边，设置线上网格节点数为50。

右键点击结构树中Mesh，插入一个面尺寸控制(Face Sizing)，选择设置边界层的两个面，并将网格单元尺寸设置为5e-3 m。

4.5 创建命名组

在Meshing对模型边界位置和流体域创建命名组(Named Selection)，便于导入Fluent求解器后定义边界条件信息。

创建流场进出口Inlet和Outlet，选择的面如下图所示：

创建流体域ValveRegion、Pipe1和Pipe2，对应选择的体如下图所示：

4.6 生成网格

点击Generate Mesh生成网格，单击网格细节中的Quality，选择Mesh Metric为Skewness(网格扭曲度)。选中Max Skewness旁的“□”，将其作为输出参数。

5、Fluent计算求解

5.1 创建流体组件

• 在Workbench中，左键单击Fluent组件系统，不释放鼠标左键，将鼠标拖到Mesh单元格上；右键单击Mesh单元格选择Update，会以Fluent可以读取的格式导出网格文件。

• 双击Setup单元格打开Fluent启动界面，勾选双精度(Double Precision)、选择并行Parallel：核数为4，点击OK启动Fluent模块。

5.2 Models设置

在Setting Up Physics标签页中，保持默认求解器设置，点击Viscous按钮，打开湍流设置面板。

根据问题描述中条件：Re=38000 > 2300，所以流动为湍流，需要选择合适湍流模型。对于常见问题，ANSYS推荐选择Realizble k-epsilon模型 + Enhance Wall Treatment。

5.3 Materials设置

单击Create/Edit按钮打开Materials面板。打开Fluent Database，然后选择Water-liquid(h2o<l>)，点击Copy按钮将其复 制到材料库。

5.4 边界条件设置&输入参数创建

• 单击Cell Zone打开区域边界条件设置面板，指定区域Pipe1、Pipe2和ValveRegion中流体为Water-liquid。

• 单击Boundaries打开边界条件任务页，选择inlet边界，双击打开设置面板：在Velocity Magnitude输入框右侧下拉框选择New Input Parameter，创建入口速度输入参数inlet-velocity，数值设为1.5，点击OK按钮退出参数定义面板。其他边界条件值保持默认。

5.5 求解设置&输出参数定义

• 在Solving标签中，选择Solution Methods，设置P-V耦合算法为Couple，然后激活Pseudo Transient和High Order Term Relaxation选项，提高收敛速度和稳定性。

• 单击Reports部分中的Definition，并选择New > Surface Report > Area-Weighted Average创建监控：输入Name=pressure-drop、Variable=Static Pressure、Surface=inlet、选择Report Plot，并勾选Create Output Parameter创建压降输出参数。

5.6 计算求解

• 在Run Calculation下，单击Advanced按钮，在任务页中设置Length Scale Method为Aggressive方法，并输入迭代步数为300，然后点击Calculate开始求解。

• 计算求解大概在230步达到收敛状态。

• 单击Workbench工具栏中的Update图标并选择Continue，然后选择"Use settings changes for current and future calculations"保存项目并退出Fluent。

6、Workbench参数化驱动

在SpaceClaim、Meshing和Fluent中定义的参数，显示在Workbench中Parameter Set选项卡中，可在选项卡直接更改参数，通过参数驱动重新生成几何模型、网格和仿真结果。

6.1 参数管理

将参数表中输入参数P1-ValveAngle的值改成25，此时在Workbench项目视图中：Geometry、Meshing和Fluent中显示更新，单击工具栏中的Update Project，更新参数后可快速完成流体仿真流程，避免重复性的仿真设置操作。

6.2 设计点(Design Point)

设计点是代表一种设计方案的一组参数，可以添加额外的设计点来研究不同输入参数的影响。本案例中，我们感兴趣的是压降如何随着阀门角度的变化而变化，可以通过设计点来进行参数化研究。

• 单击第一个空行中的列B并输入25，然后单击下面的下一行并输入15，创建设计点。勾选列E下Retain，可以保存此设计点的计算文件，否则只保存当前(Current)设计点计算文件。

• 点击Update All Design Points，Workbench会在后台通过参数驱动SpaceClaim、Meshing和Fluent模块，开始计算所有设计点工况。

• 得到各设计点下的结果如下，保存项目文件退出。

以上，给大家详细介绍基于Workbench流体仿真参数化的详细过程。通过参数化模型，我们很方便研究不同几何、边界等输入参数对产品性能的影响，避免了重复性的仿真设置过程。

同时，参数化的模型可以作为仿真二次开发的模板文件，通过Workbench脚本修改输入参数，驱动各仿真模块完成仿真流程计算。在接下来文章中，我会介绍Workbench操作脚本。

案例文件如附件所示，解压密码为：ansys_development