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ANSYS


2009 年 第 28 卷 第 2 期 ?DWRHE   水利水电工程设计

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ANSYS - CFX 单向流固耦合分析的方法
刘志远       郑 源 张文佳   司佳钧
摘    要 在用 Ansys 软件对风轮进行结构静力分析的过程中 , 无法从流体计算软件 FLUENT 中直接获取叶片在流场 中所受

的压力 , 即风施加在叶片上的瞬态压强值 。此类问题的研究属于流固耦合的范畴 , 也是目前流 、固体力学研 究领域比较前沿的课题 。通过研究 ANSYS - CFX 组合软件 , 发现了分析单向流固耦合问题的方法 , 从而在 3D 软件
Ansys Workbench 中实现了对风轮受力变形更合理 、更精确的数值模拟 。

关键词   ANSYS - CFX   流固耦合   垂直轴风力机   静力分析 中图分类号  TV73411    文献标识码      A 文章编号   26980 (2009) 0220029203 1007

   耦合场分析是考虑两个或两个以上工程学科 (物 理场) 间相互作用的分析。例如流体与结构的耦合分 析 , 即流固耦合 ( Fluid Structure Interaction) , 流体流动 的压力作用于结构 , 结构将产生变形 , 而结构的变形 又影响了流体的流道 , 因此是相互作用的问题。 目前 , 在工程学科中 , 特别是流体动力学领域 中 , 越来越多的实际问题需要进行耦合场的模拟分 析 , 例如水轮机的叶片在水流中的变形情况 , 风机 的叶片在风场中的变形情况等 。 因为受软件开发水平的限制 , 很多软件只能完 成单一物理场的模拟 , 而不能够实现多物理场的耦

并经过数值模拟优化后的结果而建立的 ( 见图 2 ) 。
Gambit 所建的三维模型完全尊重风轮的原型 , 这样

的优点是 , 模拟更加接近真实情况 。

合 。为了能够实现对某一物理模型的多场耦合分 析 , 国内的一些高校和研究机构通常对相关软件进 [1 ] 行二次开发 , 例如对 Ansys 和 FLUENT 进行程序 接口的二次开发 , 来解决不同软件之间的数据交换 问题 , 但这种方法不仅要求开发者具有相当高的编 程水平 , 同时也需要耗费大量的时间 , 而且这些机 构开发出来的程序也往往只适用于他们自己所研究 的领域 , 所以在推广上具有很大的局限性 。 虽然实现流固耦合分析的软件很多 , 方法也不 少 , 但由于受方方面面因素的制约 , 国内在这方面 的资料却很稀缺 , 本文以一螺旋 S 型风力机的叶片 在风场中旋转时的某一瞬时状态为例 , 来介绍如何 [2 ] 通过 Ansys Workbench ( ANSYS - CFX) 来实现单向 流固耦合 ( FSI) 分析的方法 。
1  三维建模

图1  风轮原型

图2  导入 Ansys Workbench 后的风轮模型

目前比较流行的三维建模工具有 ProΠ , Solid2 E works , CATIA 以及 Gambit , 这些三维建模软件其实 原理都是相同的 , 各有利弊 。本文介绍的螺旋 S 型 [3 ] 风轮 的三维模型是用 Gambit 依据其原型 ( 见图1)

在三维建模软件中完成建模后 , 有两种方法可 以将模型导入 Ansys Workbench 中 , 一种是直接导 入 , 比如 Solidworks 软件就可以直接和 Ansys Work2 bench 相 连 接 , 实 现 数 据 共 享 , 即 在 Ansys Work2

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水利水电工程设计   DWRHE ?2009 年 第 28 卷 第 2 期

bench 的界面中可以对 Solidworks 所建的模型进行相

( 2) CFX 比较适合求解高速流体以及多物理场

典界面方便很多 , 而且复杂模型网格质量也比较 好 。对 于 那 些 熟 悉 Ansys APDL 的 人 可 以 直 接 在 Workbench 插入 Command , 这些 Command 其实就是 经典 Ansys 的 APDL , 但需要注意的是 , 由于 Work2 bench 是调用 Ansys 的求解器 , 调到 Ansys 的模型只 有节点和单元 , 所以用 Command 只能处理有限元 的模型 , 即只有对节点和单元操作的 APDL 才有 效 , 而对实体操作的 APDL 是没有作用的 。 在划分网格前需要进行一项特别重要的工作 : 就是需要为三维模型建立其所处的流场 ( 流场的介 质可以为水 ,也可以是空气等) , 流场可以是长方形 的 、正方形的或者是管道等等 。 在 FLUENT 中划分网格时 , 往往需要对叶片周 围流场的网格进行加密 , 以获得更精确的结果 , 但 在 CFX 中 , 则 不 需 要 进 行 这 样 的 操 作 , 这 是 由
CFX 自身所带流体场的性质决定的 。

关的操作 ; 另一种方法是先用三维建模软件把模型 保存为一定的文件格式 , 比如用 CATIA 可以保存 为 3 1catia 文件格式 , 用 Gambit 可以保存为 3 1sat 文件 格 式 , 然 后 再 将 保 存 后 的 文 件 导 入 Ansys
Workbench 。 2  网格划分 3   CFX 中进行流场的计算 在

问题 , 尤其是气固 、热方面的问题 。 ( 3) CFX 计算所占用的内存要比 FLUENT 大 。 (4) FLUENT 物理模型比较缺乏 , 很多问题没 有对应的模型 , 比如多相流中每相不能是多组分 , 对于湿空气和其他流体组成的多相流就不能算了 。 而且 FLUENT 的前处理器格式封闭 , 只能适合于 FLUENT , CFX 的前处理器 icem 输出格式丰富 。 ( 5) 在人工干预求解方面 , FLUENT 要比 CFX 更好一点 , 但在算法方面 , 普遍认为 CFX 要更先 进一些 。 ( 6) FLUENT 计算速度快 , 但收敛比较慢 。 3 11   流场的设置 用 CFX 对流场进行数值模拟 , 有多种方程模 型可以选择 , 本例所选的是 k - ε方程模型 。
FLUENT 里面是一样的 , 即为 Wall 。 ( 3) 出口因为是与空气相同 , 通常这里的压强

由于 Ansys Workbench 软件是 ANSYS 公司 2007 年新推的 ANSYS1110 版本所含带的 , 所以与早期 的 ANSYS 版本相比 , 模型导入后 , 一般不会发生 线条开裂 、形状变形等问题 。 单元 , 不需要操作者去选择 , 只要控制单元大小或 者分网方法就行了 , 也可以细化 , 这比 Ansys 的经 对于叶片的网格 , 需要对其局部的网格进行细 化 , 这样算出来的结果更精确 。 叶片和流场的网格一般是一起被划分的 , 但可 以分开进行尺寸设置 , 本文所举的例子是风场 , 所 以其尺寸远远大于叶片的尺寸 , 这样设置的原因也 是为了能够更加真实地模拟风场 。 在 CFX 里的流场计算原理和在 FLUENT 里面的

Ansys Workbench 里面划分网格都是系统默认的

原理是一样的 , 但也有如下一些区别 。 ( 1) CFX 的优点是物理模型丰富 、功能强大 、 基于有限元的有限体积离散方法 , 精度比较高 , 收 敛的速度较快 , 但是计算速度慢 。

流场的设置主要是对气体的性质进行设置 , 例 如温度 、密度 、传热系数等等 。 3 12   边界条件的设置 这里 与 FLUENT 计 算 模 型 有 区 别 的 是 , 在 FLUENT 里面叶片部分在风场模型中是挖空的 , 而 是以轴为中心的逆时针转动 , 叶片尖的最大旋转速 度矢量值和 FLUENT 中的计算模型是一致的 。 3 13   CFX 的计算结果 在计算所得的结果中 , 可以发现叶片迎风面的 压强值比背风面的要大很多 , 负压区都出现在背风 面 。同时也发现 , 叶片附近的风速发生了变化 , 最 大风速值达到近 14 mΠ , 超过了设置的最大风速 10 s mΠ 。而且风在绕过叶片之后产生了漩涡 , 运动变 s 得异常复杂 。

在 CFX 里则不需要挖空 , 把叶片三维模型直接放 到风场中进行计算就可以了 。 3 12 11   风场部分设置的边界条件 (1) 风速。风速加在进风面 , 本例速度 V = 10 mΠ 。 s ( 2) 风道的四周面的属性设置成壁 , 这个和 都设置成相对大气的压强 , 其值为 0 。 3 12 12   叶片部分设置的边界条件 ( 1) 本例中 , 叶片在风场中模拟的转速为 40 rΠ , 约为 412 radΠ 。 min s ( 2) 叶片的固体属性 。在 CFX 里 , 叶片也被 设置成壁 , 这样就更能模拟出其固体的属性了 。 从算得结果的旋转速度矢量图可以看出 , 叶片

刘志远等 ? ANSY - CFX 单向流固耦合分析的方法 S

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在获得 CFX 流场数值分析的结果后 , 我们将 叶片表面的压强分布以及最大压强值和 FLUENT 计 算的结果进行了对比 , 结果发现如下 。 ( 1) 压强分布基本吻合 。 (2) 压强峰值接近 ( CFX 中最大压强约 80 Pa , FLUENT 中最大压强约90 Pa) 。 从而也从另一侧面验证了计算结果的可靠性 。
4   Ansys 中进行静力分析 在

模块进行静力分析 , 使其模拟的变形状态和应力值 更加精确 , 更加接近真实情况 。整个操作流程可以 用图 3 来表示 。

在 Ansys 里对其结构 进行静力分析的步骤大 体如下 。 ( 1) 定义单元属性 。 (2) 定义材料性质 , 比如材料的弹性模量 E 、 密度 ρ、泊松比 γ。 ( 3) 划分网格 。 ( 4) 添加边界条件 , 即约束条件 , 这里需要添 加的约束条件有重力 、旋转速度 、位移和从 CFX 导进的瞬态压强 。 ( 5) 结果分析 。 从计算结果中 , 可以发现在各种荷载的综合作 用下 , 叶片最容易变形 , 变形最大的部位为叶片下 端的尖角处 , 这样的分析结果可以让我们对叶片结 构的设计进行优化 , 在后续的优化过程中对叶片加 了一些筋板 , 不仅提高了风机风能的转化效率 , 同 时也起到稳定加固叶片结构的作用。而优化方案的 基础 , 就是这里所进行的结构分析所提供的数据。 而在叶片的应力分布图上 , 一方面可以读出最 大应力值 , 来分析材料的结构是否处在安全的范围 之内 , 此例中应力最大值大约为 24 MPa , 而低碳钢 的安全强度一般在 200 MPa 左右 , 所以从材料的角 度来看 , 如果使用低碳钢 , 那么可以认为材料符合 强度要求 ; 另一方面也可以看出结构什么部位的应 力最大 , 从而对该部位进行更加详细的分析 , 进而 对其进行改进、优化 , 以使得其在结构上获得最优。 此外 , 在 Ansys Workbench 中 , 还可以进行模 态分析 ( 即振动分析) , 对叶片的振行进行分析 , 其 分析方法与传统的 Ansys 是一样的 。
5    总 结

[4 ]

图3  Ansys Workbench 流固耦合方法流程图

此分析方法可以被应用于所有的单向流固耦合 问题的分析 , 比如水泵 、压缩机 、风扇 、吹风机 、 涡轮 、膨胀器 、涡轮增压器和鼓风机等等 。其在应 用上具有普遍性 , 操作上具有简易性 。
参      考 文 献
1  Moaveni , S1 有限元分析 - ANSYS 理论与应用 [M] . 北京 : 电子 2  李兵 , 陈雪峰 1ANSYS Workbench 设计 、仿真与优化 [ M ] . 北 3  何宗敬 1Darrieus - Savonius 组合风轮气动性能的研究 [J ] . 太阳 4  朱英辉 , 刘志璋 1 升 、阻力混合型垂直轴风力机结构与性能的 5  娄涛 1 基于 ANSYS 的流固耦合问题数值模拟 [ D ] 1 兰州大学 ,

作者简介

刘志远     男 硕士研究生   河海大学水利水电工程学院   江苏南京   213022 京  213022 郑      源 男 教授   河海大学水利水电工程学院   江苏南

张文佳     女 硕士研究生   河海大学环境科学与工程学院 江苏南京   213022 江苏南京   213022

司佳钧     男 硕士研究生   河海大学水利水电工程学院  

本方法解决了一个实现流固耦合 的最大难 题 , 就是如何把分布不均的瞬态压强值导进 Ansys

[5 ]

工业出版社 , 20081

京 : 清华大学出版社 , 20081 中国知网论文库 , 20081

能学报 , 1992 , 14 (4) : 239 - 2441

分析 [J ] . 华东电力 , 2008 , 36 (7) : 99 - 1011

( 收稿日期   2009 - 03 - 17)


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