CAE 分析大系 — ANSYS ICEM CFD 工程實例詳解

胡坤，博士，就職於西南石油大學機電工程學院，從事石油天然氣裝備研發及教學工作。擁有8年ANSYS CFD軟件應用經驗，曾利用CFD軟件對水力旋流器、臥式螺旋分離器、水力噴砂射孔器和井噴失控災害預測等進行過研究，熟悉ANSYS CFD軟件仿真流程。

李振北，工程師，現為中國機械科學研究總院機械設計及理論專業博士研究生，就職於中石油管道檢測技術有限責任公司，從事油氣管道監測器設計及研發工作。

第一部分　CFD工程應用基礎

第1章　概述　10
1．1　什麼是CFD　10
1．2　CFD發展概況　11
1．3　CFD工程應用領域　12
1．4　什麼時候使用CFD軟件　13
1．5　通用流體計算軟件的利與弊　13
1．6　本書讀者定位　14
1．7　本書特點　14

第2章　ANSYS CFD軟件簡介　16
2．1　CFD工程應用一般流程　16
2．1．1　計算前處理　16
2．1．2　計算求解器　16
2．1．3　計算後處理　17
2．2　ANSYS CFD軟件族簡介　17
2．2．1　前處理軟件：ICEM CFD　17
2．2．2　CFD求解器：Fluent　18
2．2．3　CFD求解器：CFX　19
2．2．4後處理模塊：CFD-POST　21

第二部分　計算前處理

第3章　流體計算域　24
3．1　計算域模型　24
3．1．1　內流計算域　24
3．1．2　外流計算域　25
3．1．3　混合計算域　25
3．2　計算域生成方法　25
3．2．1　直接建模　25
3．2．2　幾何抽取　25
3．3　計算域簡化　26
3．4　多區域計算模型　26
3．4．1　Interface　27
3．4．2　Interior　27
3．5　計算域創建工具ANSYS DesignModeler　27
3．5．1　Fill 功能　28
3．5．2　Enclosure 功能　29
3．6　計算域創建實例　29
3．6．1　【實例3-1】直接創建計算域　29
3．6．2　【實例3-2】Fills方式創建計算域模型　32
3．6．3　【實例3-3】Enclosure方式創建計算域模型　34
3．6．4　【實例3-4】創建混合計算域　35
3．7　本章小結　37

第4章　流體網格　38
4．1　流體網格基礎概念　38
4．1．1　網格術語　38
4．1．2　網格形狀　38
4．1．3　結構網格與非結構網格　39
4．2　網格的度量　39
4．2．1　網格數量　39
4．2．2　網格質量　40
4．3　流體網格劃分軟件：ICEM CFD簡介　40
4．3．1　ICEM CFD主要特點　41
4．3．2　ICEM CFD中的文件類型　41
4．3．3　ICEM CFD操作界面　41
4．3．4　ICEM CFD操作鍵　47
4．3．5　ICEM CFD的啟動　47
4．3．6　ICEM CFD網格劃分基本流程　48
4．4　本章小結　49

第5章　ICEM CFD幾何操作　50
5．1　ICEM CFD中的幾何組織形式　50
5．2　基本幾何創建　50
5．2．1　點的創建　50
5．2．2　線的創建　52
5．2．3　面操作　54
5．2．4　Body創建　55
5．3　幾何修補　56
5．3．1　幾何拓撲構建　56
5．3．2　幾何檢查　57
5．3．3　封閉孔洞與去除孔洞　58
5．3．4　邊匹配　58
5．3．5　特徵檢測　58
5．4　輔助幾何　59
5．5　幾何操作實例　59
5．5．1　【實例5-1】快速流道抽取　59
5．5．2　【實例5-2】幾何建模　62
5．5．3　【實例5-3】幾何修補　68
5．6　本章小結　71

第6章　ICEM CFD六面體網格劃分　72
6．1　塊基本概念　72
6．1．1　塊的層次結構　72
6．1．2　初始塊的創建　72
6．1．3　塊的關聯操作　75
6．2　自頂向下構建塊　79
6．2．1　常規切分　79
6．2．2　O型切分　80
6．2．3　Y型切分　87
6．2．4　【實例6-1】2D塊切割實例　91
6．2．5　【實例6-2】3D塊切割實例　96
6．3　自底向上構建塊　98
6．3．1　From Vertices/Faces　99
6．3．2　Extrude Faces　100
6．3．3　由2D塊形成3D塊　101
6．3．4　【實例6-3】彈簧網格劃分　102
6．4　常見分塊策略　104
6．5　塊變換操作　110
6．5．1　塊平移　110
6．5．2　塊旋轉　110
6．5．3　塊鏡像　111
6．5．4　塊縮放　111
6．5．5　週期塊複製　111
6．5．6　【實例6-4】塊平移操作　111
6．5．7　【實例6-5】塊旋轉操作　115
6．6　Edge網格參數設置　119
6．6．1　參數設置對話框及各參數含義　119
6．6．2　節點分佈律　121
6．6．3　邊界層網格　123
6．6．4　【實例6-6】分叉管網格劃分　124
6．6．5　【實例6-7】外流場邊界層網格　127
6．7　【實例6-8】排煙風道網格劃分　129
6．8　本章小結　133

第7章　ICEM CFD非結構網格劃分　134
7．1　非結構網格生成　134
7．2　全局網格參數設置　134
7．2．1　全局網格尺寸設置　135
7．2．2　殼網格參數　136
7．2．3　體網格參數設置　139
7．2．4　棱柱網格設置　139
7．2．5　週期網格設置　141
7．3　Part網格設置　141
7．4　面網格參數設置　143
7．5　線網格參數設置　144
7．6　密度盒　144
7．7　網格生成　145
7．8　【實例7-1】分支管非結構網格劃分　146
7．9　【實例7-2】活塞閥裝配體網格劃分　148

第8章　ICEM CFD常用技巧　151
8．1　ICEM CFD快捷鍵　151
8．1．1　Geometry快捷鍵　151
8．1．2　Edit Mesh快捷鍵　152
8．1．3　Blocking快捷鍵　153
8．1．4　選擇模式快捷鍵　154
8．2　創建多區域網格　156
8．2．1　Interface與Interior　156
8．2．2　【實例8-1】非結構網格多計算域模型　156
8．2．3　【實例8-2】結構網格多計算域模型　160
8．2．4　【實例8-3】網格模型組裝　162
8．3　創建週期網格　164
8．3．1　指定幾何週期　164
8．3．2　週期頂點定義　165
8．3．3　【實例8-4】2D旋轉週期網格　165
8．3．4　【實例8-5】2D平移週期網格　173
8．3．5　【實例8-6】3D旋轉週期網格　175

第三部分　求解器

第9章　FLUENT用戶界面　180
9．1　FLUENT的啟動　180
9．1．1　啟動方式　180
9．1．2　FLUENT啟動界面　181
9．2　軟件界面　183
9．2．1　Meshing模式界面　183
9．2．2　Solution模式界面　184
9．3　FLUENT操作流程　191

第10章　FLUENT Meshing模式　192
10．1　【實例10-1】Tet網格劃分　192
10．2　【實例10-2】分區混合網格劃分　196

第11章　FLUENT前處理基礎　199
11．1　FLUENT前處理流程　199
11．2　網格控制　200
11．2．1　網格縮放　200
11．2．2　網格檢查　201
11．2．3　網格顯示　201
11．3　求解設置中的一些基本概念　202
11．3．1　壓力基與密度基求解器　202
11．3．2　穩態與瞬態計算　203
11．3．3　FLUENT中的壓力　205
11．4　湍流模型　207
11．4．1　湍流和層流判斷　207
11．4．2　湍流求解方法　207
11．4．3　FLUENT中的湍流模型　208
11．4．4　y+的基本概念　210
11．4．5　壁面函數　212
11．4．6　邊界湍流設置　212
11．5　邊界條件　214
11．5．1　邊界條件分類　214
11．5．2　邊界條件設置　215

第12章　FLUENT後處理基礎　216
12．1　後處理概述　216
12．2　FLUENT後處理操作　216
12．2．1　創建特徵位置　216
12．2．2　流場可視化　220
12．2．3　Graphics and Animations　220
12．2．4　動畫創建　223
12．2．5　圖形設置選項　225
12．2．6　Plot　227
12．2．7　Reports　228

第13章　基本流動問題計算　231
13．1　【實例13-1】翼型計算(可壓流動)　231
13．1．1　問題描述　231
13．1．2　FLUENT前處理設置　231
13．1．3　結果後處理　237
13．2　【實例13-2】卡門渦街計算(瞬態計算)　239
13．2．1　問題描述　240
13．2．2　FLUENT前處理設置　241
13．2．3　結果後處理　245

第14章　動區域計算模型　246
14．1　運動區域計算概述　246
14．2　單運動參考系模型　247
14．2．1　SRF模型中的網格模型　247
14．2．2　在FLUENT中使用SRF模型　248
14．2．3　SRF模型求解策略　250
14．3　多運動參考系模型　250
14．3．1　多參考系模型　250
14．3．2　混合面模型　252
14．3．3　滑移網格模型　253
14．4　【實例14-1】離心壓縮機仿真計算(SRF模型)　253
14．4．1　問題描述　253
14．4．2　FLUENT前處理設置　253
14．4．3　後處理分析　260
14．5　【實例14-2】垂直軸風力機流場計算(MRF)　263
14．5．1　問題描述　263
14．5．2　FLUENT前處理設置　264
14．5．3　後處理分析　268
14．6　【實例14-3】垂直軸風力機流場計算(滑移網格)　270
14．6．1　模型描述　270
14．6．2　UDF定義　270
14．6．3　FLUENT前處理設置　271
14．6．4　後處理分析　274

第15章　動網格模型　276
15．1　FLUENT中使用動網格　276
15．2　網格更新方法　276
15．2．1　Smoothing　276
15．2．2　Layering　279
15．2．3　Remeshing　280
15．3　運動指定　281
15．3．1　瞬態Profile　281
15．3．2　動網格中的UDF　283
15．4　運動區域定義　284
15．4．1　靜止部件(Stationary)　285
15．4．2　剛體(Rigid Body)　285
15．4．3　變形體(Deforming)　285
15．4．4　其他類型　286
15．5　網格預覽　286
15．6　【實例15-1】齒輪泵仿真　287
15．6．1　問題描述　287
15．6．2　FLUENT前處理設置　288
15．6．3　計算後處理　296
15．7　【實例15-2】利用6DOF計算船舶行駛情況　296
15．7．1　問題描述　297
15．7．2　FLUENT前處理設置　297
15．7．3　計算後處理　305
15．8　【實例15-3】止回閥流場計算　307
15．8．1　問題描述　307
15．8．2　FLUENT前處理設置　308
15．8．3　計算後處理　312

第16章　多相流模型　313
16．1　多相流概述　313
16．1．1　多相流定義　313
16．1．2　多相流形態　313
16．2　FLUENT中的多相流模型　314
16．2．1　多相流模型的選擇　315
16．2．2　FLUENT多相流模擬步驟　316
16．2．3　VOF模型設置　317
16．2．4　Mixture模型設置　318
16．2．5　Eulerian模型設置　319
16．3　【實例16-1】空化現象仿真計算(Mixture模型)　320
16．3．1　物理現象描述　320
16．3．2　幾何模型　320
16．3．3　建立模型並劃分網格　321
16．3．4　FLUENT前處理設置　323
16．3．5　後處理分析　328
16．4　【實例16-2】潰壩模擬(VOF模型)　329
16．4．1　問題描述　330

16．4．2　建立模型及劃分網格　330
16．4．3　FLUENT前處理設置　330
16．4．4　後處理分析　334
16．5　【實例16-3】鼓泡塔仿真計算(Eulerian模型)　336
16．5．1　問題描述　336
16．5．2　幾何模型　336
16．5．3　FLUENT前處理設置　336
16．5．4　後處理分析　340

第17章　組分輸運及反應流模型　342
17．1　FLUENT中的組分輸運及反應流模型　342
17．2　組分輸運模型前處理　343
17．2．1　無反應組分輸運模型　343
17．2．2　有限反應速率模型　345
17．3　【實例17-1】引擎著火導致氣體擴散　345
17．3．1　問題描述　345
17．3．2　FLUENT前處理操作　346
17．3．3　計算後處理　351
17．4　【實例17-2】錐形燃燒器燃燒模擬(有限速率模型)　353
17．4．1　實例簡介　353
17．4．2　問題描述　353
17．4．3　FLUENT前處理設置　353
17．4．4　計算後處理　357
17．5　【實例17-3】錐形燃燒器燃燒模擬(zimount預混模型)　358
17．5．1　實例概述　358
17．5．2　FLUENT前處理設置　359
17．5．3　計算後處理　362

第四部分　計算後處理及工程應用

第18章　流體計算後處理　366
18．1　流體計算後處理概述　366
18．2　常用的流體計算後處理工具　366
18．3　CFD-POST計算後處理一般流程　366

第19章　CFD-POST應用　360
19．1　CFD-POST的啟動方式　368
19．1．1　直接啟動CFD-POST　368
19．1．2　從Workbench中啟動CFD-POST　369
19．1．3　從計算軟件中啟動CFD-POST　369
19．2　CFD-POST軟件工作界面　369
19．2．1　CFD-POST的菜單項　370
19．2．2　工具欄按鈕　371
19．3　CFD-POST後處理功能　371
19．3．1　創建後處理位置　371
19．3．2　生成後處理對象　378
19．3．3　數據操作　383
19．3．4　其他工具　387
19．4　【實例19-1】CFD-POST基本操作　387
19．5　【實例19-2】定量後處理　394
19．6　【實例19-3】比較多個CASE　397
19．7　【實例19-4】瞬態後處理　399

第20章　CFD-POST高級功能　402
20．1　CEL基礎　402
20．1．1　運算符　402
20．1．2　常量　403
20．1．3　標準函數　403
20．1．4　基本變量　404
20．1．5　CFD-POST函數　405
20．2　CCL基礎　406
20．2．1　CCL基本結構　406
20．2．2　CCL語法細節　407
20．3　CFD-POST自動化　408
20．3．1　報告模板定義　409
20．3．2　模板操作　410
20．3．3　【實例20-1】定義後處理模板　411

第21章　Design Xplorer優化設計　415
21．1　數值優化概述　415
21．2　Design Xplorer概述　415
21．3　Design Xplorer優化基礎　416
21．3．1　基本概念　416
21．3．2　ANSYS Design Xplorer基本設置　417
21．3．3　目標驅動優化設計　420