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ANSYS CFX介绍 计算流体动力学 什么是计算流体动力学 计算流体动力学（CFD）是以计算机为基础的模拟有关流体流动，热传导及其他相关物理过程的系统行为。它通过求解一个感兴趣区域以及在这个区域指定的边界条件（已知）下的流体流动方程（用一种特别的形式）来工作。 CFD的历史 计算机用于求解流体流动问题很多年了。编写的很多程序或用于指定的问题，或求解指定类的问题。从1970年代中期开始，需要归纳成算法的复杂数学开始被理解，通用用途的CFD解算器被开发出来。这些在1980年代的早期开始出现，这要求很强大的计算机，对流体动力学的深入了解以及花费大量时间来进行模拟设置。因此，CFD几乎就是专门用于研究的工具。 最近计算机能力的提高，加上强大的图形系统以及交互式的模型3D操纵能力都使得创建CFD模型和分析减少了大量实验强度，减少了时间和成本。高级的求解器包含的运算规则能够对流场在合理的时间内进行稳健求解。 作为这些因素的结果，CFD现在称为了一种常规的工业设计工具，减少了设计时间，改进了整个工程的流程。CFD为模型测试提供了一种低成本高效益及精确的替代工具，可以快速进行模拟的各种变化，因此具有明显的优势。 CFD的数学 用于描述动量、热及质量传输过程的方程组是大家已知的Navier-Stokes方程。这些偏微分方程是在十九世纪早期推导出来的并且没有已知的常规的分析解但可以进行数字化离散和求解。 描述其他过程的方程，如燃烧，也可以与Navier-Stokes方程联合求解。经常地一个近似模型用于推导这些附加方程，湍流模型是一个特别重要的例子。 有大量的不同求解方法用于CFD中。最通用的一种，ANSYS CFX依据的是有名的有限体积技术。 在这种技术中，感兴趣的区域被分成更小的子区域，称为控制体积。方程在每个控制体积上被离散和迭代求解。作为结果，可以获得整个区域指定点的每个变量的近似值。用这种方法，可以推导出流动行为的全部图像。 关于Navier-Stokes方程的附加信息以及ANSYS CFX软件套件的数学方面的信息都可以得到。详见：Basic Solver Capability Theory。 CFD的应用 工程师和科学家可以在很广泛的领域内使用CFD，其典型的应用包括： 过程工业：混合容器，化学反应器 建筑服务：建筑通风，如中庭 健康与安全：火灾与烟雾效果观察 发动机工业：燃烧模型，汽车空气动力学 电子：电路板内和周围的热传导 环境：空气或水中污染物质的扩散 动力和能源：燃烧过程优化 医学：在移植的血液容器中血液流动 CFD的方法学 CFD可以在设计阶段确定一个部件的性能，或者用于分析一个现有部件的难点并引导改进设计。 如，通过一个部件的压降过大： 第一步识别出感兴趣的区域:： 然后定义感兴趣的区域。如果几何已经在CAD中具备，它可以直接导入。然后创建网格。在导入网格到前处理器后，模拟的其他元素包括边界条件（进口，出口等）和流体属性要定义。 运行流动求解器生成结果文件，文件中包含速度，压力和任何其他变量在整个感兴趣区域中的变化。 结果可以被可视化，并提供给工程师一个易于理解的在整个感兴趣区域中流体的行为。 这可以引导设计的修改，这些修改可以通过更改CFD模型的几何得到验证并看到效果。 执行一个单一的CFD模拟过程分为四个部分： 创建几何/网格 定义模型的物理属性 求解CFD问题 在后处理中可视化结果 创建几何/网格 这个交互过程是预处理的第一阶段。目标是生成一个网格作为物理学预处理过程的输入。在网格生成前，需要一个封闭的几何实体。几何和网格可以在CAD2Mesh或任何其他的几何/网格工具中创建。这个基本步骤涉及到： 定义感兴趣区域的几何。 创建流体流动区域，固体区域和曲面边界名称。 设置网格属性。 这个预处理阶段现在高度自动化。在ANSYS CFX中，几何可以从大多数主要的CAD系统中用自然的格式导入，控制体积的网格自动生成。 定义模型的物理属性 这个交互过程是预处理第二阶段用于创建求解器需要的输入。网格文件加载到物理学预处理器ANSYS CFX-Pre中。 选择包含进模拟中的物理模型，指定流体属性和边界条件。 求解CFD问题 求解CFD问题的部件称为求解器（Solver）。它用非交互过程生成需要的结果。一个CFD问题按下列过程求解： 在感兴趣区域内在所有控制体积上对偏微分方程积分。对每个控制体积应用一个基本守恒定律（如质量或动量）这是等价的。 通过创建一组用积分等式表示的项的近似值，这些积分方程转换为一个代数方程式系统。 对代数方程式迭代求解。 因为方程式的非线性特性，所以要求用迭代方法，并且因为解接近于精确解，可以被称为收敛。对每次迭代，通过报告一个误差值或残值作为流动属性的整体守恒的量度。 最终的解怎样接近精确解依赖于一些因