ANSYSWorkbench18.0：圆柱流体分析实例

1.问题描述

图15-42所示的流体域尺寸为：长30m，宽15m，圆柱墙直径为1m。非恒定流体流经圆柱墙的速度为80m/s，密度为1kg/m3，黏度为1kg/（m·s），流出流体区域的出口压力为0Pa，其他相关参数在分析过程中体现。试对非恒定流体绕过圆柱体情况进行流体力学分析。

2.有限元分析过程

（1）启动Workbench 18.0 在“开始”菜单中执行ANSYS 18.0→Workbench 18.0命令。

（2）创建流体动力学分析项目

①在工具箱【Toolbox】的【Analysis Systems】中双击或拖动流体动力学分析项目【Fluid Flow（Fluent）】到项目分析流程图，如图15-43所示。

②在Workbench的 工 具 栏 中 单 击【Save】，保存项目工程名为Cylinder.Wbpj。有限元分析文件保存在D：\AWB\Chapter15文件夹中。

（3）导入几何模型 在流体动力学分析项目上，右键单击【Geometry】→【Import Geometry】→【Browse】→找到模型文件Cylin-der.agdb，打开导入几何模型。模型文件在D：\AWB\chapter15文件夹中。

图15-42 流体域

图15-43 创建Fluent项目

（4）进入Meshing网格划分环境

①在流体力学分析项目上，右键单击【Mesh】→【Edit】进入Meshing网格划分环境。

②在Meshing的主菜单【Units】中设置单位为Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）。

（5）划分网格

①在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Defaults】→【Physics Preference】=CFD，【Solver Preference】=Fluent；【Sizing】→【Size Function】=Curvature，Min Size=10mm，Max Face Size=200mm，其他默认。

②在标准工具栏单击，然后选择圆孔，接着在环境工具栏上单击【Mesh Control】→【Sizing】，【Edge Sizing】→【Details of“Edge Sizing”Sizing】→【Definition】→【Element Size】=25mm，【Advaced】→【Size Function】=Curvature，其他默认。

③在标准工具栏单击，然后选择整个面体，接着在环境工具栏上单击【Mesh Control】→【Inflation】，【Infla-tion】→【Details of“Inflation”Inflation】→【Definition】→【Boundary】选择圆孔边并应用，【Inflation Option】=First Layer Thickness，【First Layer Height】=25mm，Maximum Layers=40，【Growth Rate】=1.2，如图15-44所示。

④生成网格，在导航树里右键单击【Mesh】→【Generate Mesh】，网格划分结果如图15-45所示。

⑤网格质量检查，在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Quality】→【Mesh Metric】=Jacobian Ratio（Gauss Points），显示Jacobian Ratio（Gauss Points）规则下网格质量详细信息，平均值处在好水平范围内，展开【Statistics】显示网格和节点数量。

图15-44 膨胀控制

图15-45 网格划分

（6）创建边界区域

①单击标准工具栏坐标系图标，显示坐标系。

②设置入口边界，单击标准工具栏图标，然后选择长方形左边线，单击右键选择【Create Named Selection】，从弹出对话框中命名，如设为入口“Inlet”，然后单击【OK】确定，一个边界区域被创造，在大纲树中出现了一组【Selection Name】项，如图15-46所示。

③设置出口边界，在标准工具栏单击，然后选择长方形右边线，单击右键选择【Cre-ate Named Selection】，从弹出对话框中命名，如设为出口“Outlet”，然后单击【OK】确定，一个边界区域被创造，在大纲树中出现了一组【Selection Name】项，如图15-47所示。

图15-46 入口区域设置

图15-47 出口区域设置

④设置边界墙，在标准工具栏单击，然后选择长方形上下两边，单击右键选择【Cre-ate Named Selection】，从弹出对话框中命名，如设为墙“Wall”，然后单击【OK】确定，一个边界区域被创造，在大纲树中出现了一组【Selection Name】项，如图15-48所示。

图15-48 墙面设置

⑤设置圆柱边界墙，在标准工具栏单击，然后选择长方形中心圆边，单击右键选择【Create Named Selection】，从弹出对话框中命名，如设为墙“Cylinder”，然后单击【OK】确定，一个边界区域被创造，在大纲树中出现了一组【Selection Name】项，如图15-49所示。

⑥单击主菜单【File】→【Close Meshing】。

⑦返回Workbench主界面，右键单击流体系统【Mesh】，从弹出的菜单中选择【Update】升级，把数据传递到下一单元中。

（7）进入Fluent环境 右键单击流体系统【Setup】，从弹出的菜单中选择【Edit】，启动Fluent界面，设置双精度【Double Precision】，本地并行计算【Parallel（Local Machine）Solver】→【Processes】=4（根据用户计算机计算能力设置），如图15-50所示，然后单击【OK】进入Fluent环境。

图15-49 Cylinder墙面设置

图15-50 Fluent启动界面

（8）网格检查

①控制面板，【General】→【Mesh】→【Check】，命令窗口出现所检测的信息。

②控制面板，【General】→【Mesh】→【Report Quality】，命令窗口出现所检测的信息，显示网格质量处于较好的水平。

③单击Ribbon功能区【Setting Up Domain】→【Info】→【Size】，命令窗口出现所检测的信息，显示网格节点数量为15809个。

（9）指定求解类型 单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】，选择时间为瞬态【Transi-ent】，求解类型为压力基【Pressure Based】，速度方程为绝对值【Absolute】，如图15-51所示。

（10）湍流模型 单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Viscous…】→【Viscous Model】→【Laminar】，单击【OK】退出窗口，如图15-52所示。雷诺数：。

图15-51 求解算法控制

图15-52 计算模型设置

（11）指定材料属性 单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Materials】→【Create/Edit…】，从弹出的对话框中，【Name】=fluidt，设置流体密度为1，黏度为1，单击【Change/Create】→【Yes】，单击【Close】退出窗口，如图15-53所示。

图15-53 创建材料

图15-54 入口边界

（12）边界条件

①单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Zones】→【Boundaries…】→【inlet】→【Type】→【velocity inlet】→【Edit…】，从弹出的对话框中设置【Velocity Magnitude（m/s）】=80，其他默认，单击OK关闭窗口，如图15-54所示。

②单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Zones】→【Boundaries…】→【outlet】→【Type】→【Pressure outlet】→【Edit…】，从弹出的对话框中设置【Gauge Pressure（Pascal）】为0，其他默认，单击OK关闭窗口，如图15-55所示。(www.xing528.com)

图15-55 出口边界

③单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Zones】→【Boundaries…】→【wall】→【Type】→【wall】→【Edit…】，从弹出的对话框中设置【Shear Condition】为No Slip，其他默认，单击OK关闭窗口，如图15-56所示。

④单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Zones】→【Boundaries…】→【cylinder.1】→【Type】→【wall】→【Edit…】，从弹出的对话框中设置【Shear Condition】为No Slip，其他默认，单击OK关闭窗口，如图15-57所示。

图15-56 壁面设置

图15-57 Cylinder壁面设置

（13）参考值

①单击Ribbon功能区【Setting Up Physics】→【Reference Values…】，单击【Reference Val-ues】→平板【Reference Values】→【Computer from】=inlet，【Density（kg/m^3）】=1，【Refer-ence Zone】=cylinder，其他默认，如图15-58所示。

②菜单栏上单击【File】→【Save Project】，保存项目。

（14）求解设置

①求解方法，单击Ribbon功能区【Solving】→【Methods…】→【Transient Formulation】=Second Order Implicit，其他设置默认，如图15-59所示。

②求解控制，默认设置。

③求解阻力监控，单击Ribbon功能区【Solving】→【Definitions】→【New】→【Force Re-port】→【Drag…】，从弹出的对话框中，设置【Name】=cd 1，选择Report File，Report Plot，选择cylinder.1，其他默认，单击【OK】关闭窗口，图15-60所示。

图15-58 参考值

图15-59 求解方法

④求解升力监控，单击Ribbon功能区【Solving】→【Definitions】→【New】→【Force Re-port】→【Lift…】，从弹出的对话框中，设置【Name】=cl 1，选择Report File，Report Plot，选择cylinder.1，其他默认，单击【OK】关闭窗口，图15-61所示。

图15-60 创建Drag监控

图15-61 创建Lift监控

⑤求解残差监控，单击Ribbon功能区【Solving】→【Residuals】，从弹出的对话框中，选择【Print to Console】和【Plot】，其他默认，单击【OK】关闭窗口，图15-62所示。

图15-62 创建Residuals监控

（15）初始化 单击Ribbon功能区【Solving】→【Initialization】→【Hybrid】，单击【Initial-ize】初始化，如图15-63所示。

图15-63 初始化

（16）定义求解中的参数 单击Ribbon功能区【Solving】→【Autosave…】→【Save Data File Every（Time Steps）】=1，其他默认，如图15-64所示。

（17）运行求解

①单击Ribbon功能区【Solving】→【RunCalculation】→【Advanced…】→【Time Step Size（s）】=0.01，【Number Of Time Steps】=250，【Max Iterations/Time Step】=50，其他默认，设置完毕以后，单击【Calculate】进行求解，这需要一段时间，请耐心等待，如图15-65所示。

图15-64 设置自动保存时间步

图15-65 求解设置

②在图形显示区域选择第3个窗口【cl 1 rplot】，可以看到收敛监控曲线。

（18）创建后处理

①菜单栏上单击【File】→【Save Project】，保存项目。

②菜单栏上单击【File】→【Close Fluent】，退出Fluent环境，然后回到Workbench主界面。

③右键单击【Results】→【Edit…】进入后处理系统。

④插入云图，在工具栏上单击【Contour】并确定，在几何选项中的域【Domains】选择All Domains，位置【Locations】栏后单击…选项，在弹出的位置选择器里选择symmetry1、symme-try2确定。在变量【Variable】栏后单击…选项，在弹出的变量选择器中选择Velocity并确定，【Range】=Local，其他为默认，单击【Apply】，如图15-66所示；可以看到结果云图，如图15-67所示。

图15-66 云图显示位置设置

图15-67 云图显示

（19）创建动画

①在工具菜上单击【Tools】→【Timestep Selector】，从弹出的对话框中选择第一个时间步，然后单击【Apply】，如图15-68所示。

②单击【Animate Timesteps】图标，选择【Timestep Animation】，选择【Save Movie】，选择合适文件夹，如文件放在D：\AWB\Chapter15中，然后选择文件格式为.AVI。设置重复1次，如图15-69所示。

图15-68 选择时间步

图15-69 动画设置

③单击播放按钮，运行完成后，影片会保存在指定的目录。

④依次单击【Close】→【Close】，关闭【Timestep Selector】。

（20）保存与退出

①退出后处理环境，单击CFD Post主界面的菜单【File】→【Close CFD Post】退出环境，返回到Workbench主界面，此时主界面的项目管理区中显示的分析项目均已完成。

②单击Workbench主界面上的【Save】按钮，保存所有分析结果文件。

③退出Workbench环境，单击Workbench主界面的菜单【File】→【Exit】退出主界面，完成项目分析。

点评：本例是非恒定流体绕圆柱流体分析。圆柱绕流是钝体绕流经典流体力学问题之一，属于非定常分离流动问题。流体绕圆柱体流动时，起决定作用的是雷诺数，雷诺数不同，结果也不相同。一般来说过流断面会收缩，流速沿程增加，压强沿程减小，由于黏性力的存在，就会在柱体周围形成附面层的分离，形成圆柱绕流。而由于圆柱钝体的存在，会产生复杂的现象，迄今为止对该流动现象物理本质的理解仍然不全面。圆柱绕流现象，在工程中应用较为广泛，如风对建筑物、光伏反射镜，水流对桥墩、海洋钻井平台支柱等的作用。本例只对一种雷诺数的情况进行了模拟，但模拟过程完整，前后处理方法值得初学者借鉴。