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包场一起学 | 从职场小白到CFX技术达人,掌握动网格计算方法

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一、导读

本文从ANSYS CFX软件流场计算的优势出发,说明了其是一款优良的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件,并介绍该软件的一种动态流场计算方法及其可能存在的问题,即绘图软件与计算软件对几何面的识别存在误差。针对该问题,本文集成workbench 几何处理模块(Design Model,DM)、参数化驱动模块(parameter set)和脚本语言(scripting)进行解决。

该方法有效避免了动网格计算中相邻时间步几何模型的识别问题,拓展了优化模块的使用功能,实现了运动部件的参数化;对于一般意义下的优化分析问题,该方法也提供了一种很好的参考思路。

二、CFX 是一款大型商业CFD软件

ANSYS CFX作为是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件[1]。其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,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FLUENT等软件中“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。

因而可以看出,CFX采用了一种更加稳健的算法,对于一般的CFD分析问题,不需要进行参数的过多设置,而软件自身可智能化选择,因而对应用者的使用经验要求较低,大大降低了其在工程上推广的难度,这是FLUENT软件无法拥有的优越性。

相比于FLUENT采用外部程序植入方法(UDF)[4],CFX所具有的内嵌式开发语言如CFX命令语言(CFX Command Language,CCL)和CFX表达式语言(CFX Expression Language,CEL),不需要专业软件连接接口,且编程语法简单,实用性强。

由于CFX自身包含电磁场计算模型,因而在进行相关耦合场计算时,无需添加额外程序。

然而,由于自身软件的问题,CFX的动网格功能,只能够直接处理具有网格变形的小变形问题的研究,而不能像FLUENT那样实现网格较高级别的变形[6 – 10]。针对具有大变形的CFX的动网格技术,目前存在几种网格重构方法[11-14],但由于编程、环境变量设置等种种原因增加了应用难度,其普遍应用还无法展开。

其对网格的变形只是基于简单的压缩和拉伸过程。目前,解决该问题的一种方法,是将一系列具有的大变形分解为只有变形的小变形,并将上一步迭代的初始值作为下一步计算的初值,这里具有微小差别的几何体,需要在外部CAD文件中处理后逐个输入到CAE软件中。

但是,由于不同软件间对几何面识别的差异,在CAD软件中绘出的几何模型,无法在CAE软件中被完全识别,因而可能造成相关面在边界定义时出现失败。具体来说,上一步定义好的相关面,在输入下一步发生微小变形后的几何体后,由于CAE软件自身无法实现相关面的自动识别,经常在网格划分时还需要重新定义相关面,因而导致计算流程程序化无法实施,而不得不采用手动方式完成,这将大大降低计算效率。

针对上述ANSYS CFX动态流场计算中存在的这一潜在问题,本文提出了一种解决方法。即将各个时间步骤下的几何模型导入,变为只导入同一几何模型,然后利用WORKBENCH中DM模块的几何处理能力,通过将涉及变动的相关位移通过parameter set模块实现参数化。

这里,实施动态流场计算,只需导入最初始的几何体而不必输入批量输入,因而有效避免了将具有微小差别的批量几何体导入CAE软件时存在的相关面的识别问题;整个计算过程的实现是通过scripting程序化完成。该方法有效地解决了ANSYS CFX动态流场计算中几何面的识别问题,因而避免了上述潜在的流场计算失败。

通过参数化驱动模块实现相关参数的几何驱动,来实现动态流场计算,也为动态流场计算提供了一种新的思路。另外,对于一般意义下的CAE优化分析问题,特别是模型来自实际工程图,重新绘制CAE分析所需模型十分繁琐时,该方法的解决思路也具有一定的借鉴意义。

因而,在workbench平台下,各模块的连接图如下图1所示。

图1 workbench连接流程图

Fig.1 workbench flow chart

、ANSYS CFX 参数化计算原理

图2 计算程序流程图

Fig.2 Calculation programming flow chart 

本程序充分利用了workbench中DM模块的几何处理功能,通过将其中几何处理涉及到的变量参数化,即引入parameter set模块,从而在workbench软件内部便可实现模型的几何改变,故而解决了CAD和CAE软件不兼容问题对动态流场计算造成的可能问题。其计算流程图如图2所示。

在该研究方法中,首先应用了中DM的几何处理功能。DM作为workbench的专业几何处理软件,虽然没有专业CAD软件强大的绘图和几何处理能力,但是其在三维几何生成、几何修改和实体操作方面具有一定的功能,可以实现几何体的镜像、移动、复 制和布尔运算等,本文主要应用了其阵列(pattern)命令。

在该命令中,通过对运动相关部件进行线性阵列从而达到移动的目的。而且在该命令中,可以将移动的距离参数化并传输parameter set中。对于初始输入的几何体,采用几何抑制(suppress)功能可使其不会出现在后续的流场计算流程中。

在workbench平台中,parameter set模块本身是主要用于模型参数优化设计,它能够将其他模块中相关变量参数化。在本文中,笔者将DM中相关运动部件的运动距离参数化,并通过parameter set模块实现对该参数的改变,具体操作过程则是通过scripting程序来实现的。

Workbench的scripting是一种采用PYTHON语言编写的程序,其生成文件后缀为.wbjn。PYTHON语言是一种开放源码软件,其代表简单主义思想的语言[15]. Workbench 通过采用这种程序,记录操作者通过GUI界面进行的相关操作,并进行简单编辑,实现命令流的功能。

可将,笔者参数化动态流程计算方法的实现,主要集成以上三个模块,即DM几何处理、parameter set参数化驱动及 scripting编程。

四、ANSYS CFX计算的一般步骤

本文中,基于参数化的动态流场计算,在其实施过程中,主要有几个步骤。

(1)数据预处理

需要根据原始文件中给出的等时间间隔的位移求出等位移的时间间隔,同时求出不同时间下的时间步长。本方法采用Ansys cfx进行动态流场计算的原理,就是基于每次计算的运动的距离相等,这即保证了在参数不变的情况下,网格质量不会出现问题,也实现了前一步计算的结果能够作为后步计算的初场使用。

(2)UG处理及文件导出

对于来自实际工程的3D模型,通过对其进行必要的简化处理,模型整合,可以将模型分为两部分,即运动几何部分和静止几何部分。根据涉及动网格的动态流场计算的原理,在UG中采用几何分域的方法,以提高网格划分效率。

因此,在最终的几何模型中,应将整个几何模型至少分为三个部分,即:

a、外部网格不变的静止域;

b、内部包含运动件的静止域;

c、运动部件;

通过后两者相减,可以到流场计算中包含动边界的流体区域。

在将生成的几何导出时,首先将模型a导出至一个几何,而将模型b和c导出至一个几何中。

(3) Ansys CFX平台设置

本部分的主要工作是,根据上文所述的参数化计算原理,搭建诸如图1所示的计算流程图,并依据流体计算的基本步骤,实施几何导入DM中处理、meshing网格划分、求解设置、求解和结果输出等工作。

(4) workbench流程控制及计算

采用WORKBENCH的脚本语言功能,录制包括修改parameter set中参数在内的相关命令;采用PYTHON语言,对生成的scripting程序进行修改,加入程序循环实施的功能等;运行修改好后的程序,即可由计算机完成整个流场计算过程。

、总结

针对动态流场计算中存在相邻计算步中CAD与CAE软件对几何面的识别误差问题,本文通过集成DM几何处理模块、parameter set参数化驱动模块和scripting语言,提出了一种方法,解决了这一潜在的致命问题;

该方法有效的解决了动网格计算中由于相邻时间步几何模型不同造成在CAE软件中难以识别的问题,省去了几何文件的批量导出工作;同时,本文将优化分析模块parameter set的功能拓展到了动态流场计算中的参数化设计中,其结合DM中相关的几何处理功能,为常见的物理问题优化分析提供了一种求解思路。

、动网格的直播预告

以上是惠老师撰写的《一种基于参数化设计的WORKBENCH CFX 动态流场计算方法》,关于动网格的工程应用,不少朋友肯定还有疑问,为此仿真秀平台将邀请惠老师于2019年1月5日(周六)19时直播《CFX动网格计算要点与工程应用实例讲解》。

1、讲师介绍  

惠老师,上海交通大学机动学院职业生涯导师,国家部委ansys 高/低频电磁创新工程师认证项目考试用书编撰主笔人,仿真秀科普作者。

某国内电力设备央企首批“高精尖”人才库成员,上海交通大学动力工程与工程热物理硕士,西安交通大学热能工程系本科,管理学工学双学士。硕士导师为国内流体测量和计算方向的“国家杰出青年科学基金”获得者。对工业及电力设备气流场计算有较为深刻的认识。

主要从事动网格,流固耦合计算,软件二次开发及企业CAE应用推广工作。发表学术论文10篇,拥有软件注册权3篇。编著《流体力学》教材一本。多次参加ansys用户技术大会和相关技术培训工作。拥有9年气流场仿真计算经验和4年电磁场仿真经验,对湍流,激波,多孔介质,两相流,耦合传热等问题有较为深刻的认识。

2、动网格直播大纲  

① 掌握CFX动网格计算原理和知识要点

② CFX与FLUENT动网格应用场景对比

③ CFX动网格小变形计算方法

④ CFX动网格小变形工程应用案例讲解

⑤ CFX动网格大变形计算方法

⑥ CFX动网格大变形工程应用案例讲解

⑦ 在线答疑

3、您将获得 

① 本课程基于CFX的动网格方法,您将获得一种比较简易的动网格算法和实现途径,降低了学习动网格的难度,提高了解决此类问题的效率。

② 2个工程算理模型,直播结束48小时后,您可以在仿真秀官网个人中心的积分商城领取(点击文尾的阅读原文进入仿真秀官网注册)。 

③ 购买单课或系列课的VIP用户,添加小助手微 信,可进入动网格VIP学习群,可与讲师不定时交流,还可获得部分或全部算理模型和PPT。

4、如何收看

本期直播是惠老师仿真秀直播平台分享从职场小白到CFX技术达人,流体工程师进阶的8期必修课》的第一期直播。本系列课共8次直播,每期直播时长60-90分钟,每期提供直播答疑15-20分钟。时间跨度3个月完成(每周六19时直播,春节期间暂停),希望感兴趣的朋友报名。


① 凭学生相关证明,包括学生卡、学生证等可免费收看整个系列课,详情联系小助手;

② 非学生用户,本期包场免费看

③ 本直播支持手机和电脑同时观看,由于直播对宽带要求较高,建议学习型工程师们在电脑上观看,请复 制您所要收看的直播间链接,在浏览器下打开即可。欢迎直播间结束48小时后可以在仿真秀官方网站/app反复学习.

作者:惠老师,仿真秀科普作者,上海交通大学机动学院职业生涯导师,国家部委ansys 高/低频电磁创新工程师认证项目考试用书编撰主笔人。

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首次发布时间:2019-01-04
最近编辑:1月前
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