CFX数值模拟分析的应用与优化

CFX是第一个通过ISO9001质量认证的商业CFD软件。2003年，ANSYS公司收购了由英国AEA Technology公司开发的CFX软件。目前，CFX在许多领域有着广泛的应用，如航空航天、水处理、火灾安全、冶金、能源、汽车、环保、石油化工、旋转机械、生物技术、机械制造等。

CFX除了可以使用有限体积法之外，还采用了基于有限元的有限体积法。基于有限元的有限体积法保证了在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。

CFX可计算的物理问题包括可压与不可压流动、耦合传热、热辐射、多项流、粒子输送过程、化学反应和燃烧等问题。还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象的实用模型。在其湍流模型中，纳入了k-ε模型、低Reynolds数k-ε模型、低Reynolds数Wilcox模型、代数低Reynolds应力模型、微分Reynolds应力模型、微分Reynolds通量模型、SST模型和大涡模拟。

ICEM CFD是CFX的前处理模块，提供了包括表面网格、四面体网格、六面体网格、四面体与六面体混合网格、自动六面体网格、全局自动笛卡儿网格、棱柱体网格（边界层网格）生成器等多种网格生成工具。CFX在生成网格的过程中，可实现流场变化剧烈区域网格局部加密、边界层网格自动加密和分流模拟等。

1995年，CFX收购了旋转机械领域著名的加拿大ASC公司，推出了专业的旋转机械设计与分析模块CFX-Tascflow。CFX-Tascflow一直占据着旋转机械CFD市场的大量份额，是典型的气动/水动分析和设计工具。

用CFX求解流场问题大概分三个主要步骤，分别是建模，加载及求解，后处理，而这三个步骤又分别对应CFX的三个模块进行计算：CFX-Pre，CFX-Solver，CFX-Post。

3.3.3.1　CFX-Pre前处理

建立几何模型是流场计算的前期工作，在CFX中建立几何模型的方法可以首先在CAD中建立模型，然后使用Attach功能导入，也可以单独在Pre模块中建立。如果采用前面的方法，则遇到建立反模型的难处且存在接口问题，而采用后面一种方法虽然免除了接口的问题，但是建立过程繁杂。鉴于此，本文采用的方法是首先在CAD软件-Solidworks中建立三维模型，Attach到CFX-Pre中（如图3.13，管道参数为DN700，水池的参数为3m×3m×3m），导入成功之后，使用该模块的布尔运算获得流道内的流域。为了后处理中便于观察和提高运算速度，且原有模型是关于XY平面对称的，因此取原有模型的一半进行分析。

图3.13　管道及水池的三维模型

建立完几何模型之后，对计算域进行划分网格，采用Patch Conforming Method方法划分网格，网格结构为四面体结构，划分完毕之后如图3.14所示。

划分网格图完毕之后，仍然是前期处理，要进行的步骤主要有：定义Boundaries（进出口，壁面，对称面），设置Boundaries data（进口类型为全压，大小为0.1Mpa），设置材料（清水，常温），域，求解控制，监视设置，初始化以及输出设置，设置完毕之后的模型如图3.15所示。

图3.14　管道、拍门及水池流场网格图

图3.15　管道、拍门及水池流域边界条件

3.3.3.2　CFX-Solver求解运算

Solver模块功能强大，可以进行多项参数的监视，主要包括：RMS PMass，RMS U-Mom，RMS V-Mom，RMS W-Mom和RMS E-Diss.K，RMS K-Turb KE，如图3.16所示。计算约100步收敛。

图3.16　计算残差图

3.3.3.3　CFX-Post后处理

经过CFX模拟计算得到三种止回装置各状态下的流场及压力分布图，如图3.17～3.23所示。

图3.17是悬挂式拍门开度为35°时的压力分布图和速度分布图。(www.xing528.com)

图3.17　悬挂式拍门开度为35°时的压力分布图和速度分布图

从图3.17（a）中可以看出，在拍门的铰链处压力最大，这是因为能量压力能在此处聚集，包括拍门重力能及水流动势能。而随着水流继续向前，当冲出拍门以后，在水池底部产生水流冲击压力。从图3.17（b）中可以看出，流速最大处发生在悬挂式拍门的下端，这主要是因为流体由于惯性作用在该处突然受到阻挡，被强迫改变方向，然后在拍门的下端得到释放，因此速度最大。在水流冲出拍门后，水流流向由于受拍门的影响，对水池底部有一定的冲刷作用。

图3.18　悬挂式拍门开度为40°时的压力分布图和速度分布图

图3.19　悬挂式拍门开度为45°时的压力分布图和速度分布图

通过CFX模拟计算结果可以看出，悬挂式拍门至少存在以下三方面的不足：

（1）对于传统铸铁式拍门，铰链处受力较大，此处易因负载过大而导致应力过度集中，从而缩短铰链的使用寿命，给拍门的安全使用带来了隐患；

（2）因拍门开度较小，流道受阻，加大了阻力损失，能耗增加；

（3）水流因拍门阻挡后改变流向，对池底有冲刷作用，长时间的冲刷可能导致池底产生水坑。

从图3.17～3.19可知，随着悬挂式拍门开度的增加，铰链处的负载逐渐降低，同时对池底的冲刷作用也随之下降。

图3.20～3.23是侧翻式拍门在不同开度下的压力分布图和速度分布图。从图3.20～3.23可以看出，随着拍门开度的进一步增加，流态逐步得到了改善，当拍门接近全开时，流态较好，无明显阻力损失，侧翻式拍门的铰链处负载也明显得到缓解，且对水池底部的冲刷作用也基本消失。

图3.20　侧翻式拍门开度为75°时的压力分布图和速度分布图

图3.21　侧翻式拍门开度为80°时的压力分布图和速度分布图

图3.22　侧翻式拍门开度为90°时的压力分布图和速度分布图

图3.22是液力自动阀在正常工作时的压力分布图和速度分布图。液力自动阀处于全开状态，管道中的流态非常好，在进水方向存在少量受力集中现象，但不会对装置的安全性产生明显影响。

图3.23　液力自动阀全开时的压力分布图和速度分布图

从CFX模拟的结果来看，两种新型的止回装置在改善管道中水流的流态方面有着明显的优势，对于降低阻力损失，增加流量，提高泵机组的排涝能力，降低管阻能耗有着积极的作用；两种新型装置均能有效地减小负载，有利于延长产品的使用寿命；此外，流态的改善，也减少了水流对水池基础的冲刷磨损，有效地减少了对泵站基础的维护工作。