Step by Step | Workbench Fluent流體參數(shù)化仿真案例

伊伊爸 2022-05-30 發(fā)布于湖北

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本案例以球閥為對象,，研究其在不同開度下的壓降，演示在Workbench平臺下流體仿真分析參數(shù)化的完整流程,。

1,、問題描述

球閥控制水通過1英寸(25.4毫米)直徑管道時(shí)的流量，分析的目的是確定當(dāng)水以1.5 m/s (Re = 38,000)的速度流過管道時(shí),，通過閥門在不同開度時(shí)對應(yīng)的壓降。

實(shí)現(xiàn)方法：在ANSYS Workbench平臺下將閥門的開啟角度定義為參數(shù)驅(qū)動(dòng)尺寸,，然后對不同開度角下通過閥門的壓降進(jìn)行參數(shù)化研究,。

2,、案例目標(biāo)

通過本案例，你將獲得：

在Workbench中：如何創(chuàng)建流體分析流程,，包含前處理SpaceClaim,、網(wǎng)格Meshing、求解器Fluent,；如何更改參數(shù)和創(chuàng)建設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化研究,。
在SpaceClaim中：如何操作CAD裝配體，并對其進(jìn)行幾何參數(shù)化,；如何抽取流體域,，并創(chuàng)建共享拓?fù)洌?/span>
在Meshing中：如何創(chuàng)建邊界位置和流體域；如何應(yīng)用局部網(wǎng)格控制(體,、面,、邊尺寸和邊界層)；
在Fluent中：如何分析管道流動(dòng),；如何定義輸出參數(shù),。

接下來的介紹中，我會(huì)按照流體仿真流程：幾何前處理→網(wǎng)格→求解&后處理的過程,，一步一步地給大家演示操作方法,。

3、SpaceClaim參數(shù)化

SpaceClaim一款快速且直觀的三維建模軟件,，可將無參數(shù)的中性幾何模型參數(shù)化,，然后在Workbench平臺上進(jìn)行參數(shù)化分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.1 導(dǎo)入幾何

打開Workbench 2019R1,，將Mesh組件系統(tǒng)拖拽到項(xiàng)目視圖,，雙擊Geometry打開SpaceClaim。

將“BallValve.SLDASM”直接拖拽到SpaceClaim工作區(qū),，打開模型文件,。

3.2 創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)尺寸

SpaceClaim中可以通過拉伸、移動(dòng)幾何特征直接創(chuàng)建參數(shù),，同時(shí)也能使用Detail標(biāo)簽下Dimension工具先對幾何位置尺寸進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn),，然后在移動(dòng)模式下選中標(biāo)準(zhǔn)尺寸創(chuàng)建參數(shù)。

3.3 抽取流體域

點(diǎn)擊Prepare標(biāo)簽下的Volume Extract工具抽取流體域,。

3.4 共享拓?fù)?/span>

在Workbench選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊Share設(shè)置共享拓?fù)?，修?fù)幾何實(shí)體間的連接性，確保后續(xù)生成網(wǎng)格是共節(jié)點(diǎn)的,。

4,、Meshing網(wǎng)格劃分

ANSYS Meshing是Workbench平臺下的御用網(wǎng)格劃分工具，支持輸出結(jié)構(gòu),、電磁場,、流體等模塊所需的多種類型網(wǎng)格,，是一款功能全面的網(wǎng)格生成工具。Meshing中任何以“¨”符號為前綴的輸入或輸出都可以參數(shù)化,。

4.1 啟動(dòng)Meshing

雙擊Mesh單元格,，啟動(dòng)Meshing網(wǎng)格劃分模塊。

4.2 全局網(wǎng)格設(shè)置

設(shè)置網(wǎng)格默認(rèn)值和大小,，并重命名主體,，如下所示：

4.3 局部網(wǎng)格設(shè)置

選中球閥實(shí)體，插入尺寸控制(Body Sizing),，設(shè)置體網(wǎng)格單元尺寸為5e-3m,，尺寸函數(shù)為Proximity andCurvature，如下圖所示,。

4.4 邊界層網(wǎng)格

右鍵點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)樹中Mesh,，插入局部邊界層控制(Inflation)，設(shè)置如下：

相同方法設(shè)置另一側(cè)管道邊界層,，如下圖所示：

右鍵點(diǎn)擊結(jié)構(gòu)樹中Mesh,，插入一個(gè)線尺寸控制(Edge Sizing)，選中邊界層中使用的兩條邊,，設(shè)置線上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為50,。

同樣方法，插入一個(gè)面尺寸控制(Face Sizing),，選擇設(shè)置邊界層的兩個(gè)面,，并將網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為5e-3 m。

4.5 創(chuàng)建命名組

在Meshing對模型邊界位置和流體域創(chuàng)建命名組(Named Selection),，便于導(dǎo)入Fluent求解器后定義邊界條件信息,。

創(chuàng)建流場進(jìn)出口Inlet和Outlet，選擇面如下圖所示：

創(chuàng)建流體域ValveRegion,、Pipe1和Pipe2,，對應(yīng)選擇的體如下圖所示：

4.6 生成網(wǎng)格

點(diǎn)擊Generate Mesh生成網(wǎng)格，單擊網(wǎng)格細(xì)節(jié)中的網(wǎng)格質(zhì)量Quality,，選擇Mesh Metric為Skewness(網(wǎng)格扭曲度),。選中Max Skewness旁的“□”，將最大網(wǎng)格扭曲度作為輸出參數(shù),。

5,、Fluent計(jì)算求解

5.1 創(chuàng)建流體組件

在Workbench中，左鍵單擊Fluent組件系統(tǒng),，不釋放鼠標(biāo)左鍵,，將鼠標(biāo)拖到Mesh單元格上；右鍵單擊Mesh單元格選擇Update，會(huì)以Fluent可以讀取的格式導(dǎo)出網(wǎng)格文件,。

雙擊Setup單元格打開Fluent啟動(dòng)界面,，勾選雙精度(Double Precision)、選擇并行Parallel：計(jì)算核數(shù)為4,，點(diǎn)擊OK啟動(dòng)Fluent模塊。

5.2 Models設(shè)置

在Setting Up Physics標(biāo)簽頁中,，保持默認(rèn)求解器設(shè)置,，點(diǎn)擊Viscous按鈕，打開湍流設(shè)置面板,。

根據(jù)問題描述中條件：Re=38000 > 2300,，所以流動(dòng)為湍流，需要選擇合適湍流模型,。對于常見湍流問題,，ANSYS推薦選擇Realizble k-epsilon模型 + Enhance Wall Treatment。

5.3 Materials設(shè)置

單擊Create/Edit按鈕打開Materials面板,。打開Fluent Database...,，然后選擇Water-liquid(h2o<l>)，點(diǎn)擊Copy按鈕將其復(fù)制到材料庫,。

5.4 邊界條件設(shè)置&輸入?yún)?shù)創(chuàng)建

單擊Cell Zone打開區(qū)域邊界條件設(shè)置面板,，指定區(qū)域Pipe1、Pipe2和ValveRegion中流體為Water-liquid,。

單擊Boundaries打開邊界條件任務(wù)頁,，選擇inlet邊界，雙擊打開設(shè)置面板：在Velocity Magnitude輸入框右側(cè)下拉框選擇New Input Parameter,，創(chuàng)建入口速度輸入?yún)?shù)inlet-velocity,，數(shù)值設(shè)為1.5，點(diǎn)擊OK按鈕退出參數(shù)定義面板,。其他邊界條件值保持默認(rèn),。

5.5 求解設(shè)置&輸出參數(shù)定義

在Solving標(biāo)簽中，選擇Solution Methods,，設(shè)置P-V耦合算法為Couple,，然后激活Pseudo Transient和High Order Term Relaxation選項(xiàng)，提高收斂速度和穩(wěn)定性,。

單擊Reports部分中的Definition,，并選擇New > Surface Report > Area-Weighted Average創(chuàng)建監(jiān)控：輸入Name=pressure-drop、Variable=Static Pressure,、Surface=inlet,、選擇Report Plot，并勾選Create Output Parameter創(chuàng)建壓降輸出參數(shù)。

5.6 計(jì)算求解

在Run Calculation下,，單擊Advanced按鈕,，在任務(wù)頁中設(shè)置Length Scale Method為Aggressive方法，并輸入迭代步數(shù)為300,，然后點(diǎn)擊Calculate開始求解,。

計(jì)算求解大概在230步達(dá)到收斂狀態(tài)。

單擊Workbench工具欄中的Update圖標(biāo)并選擇Continue,，然后選擇'Use settingschanges for current and future calculations'保存項(xiàng)目并退出Fluent,。

6、Workbench參數(shù)化驅(qū)動(dòng)

在SpaceClaim,、Meshing和Fluent中定義的參數(shù),，顯示在Workbench中Parameter Set選項(xiàng)卡中，可在選項(xiàng)卡界面下直接更改參數(shù),，通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)重新生成幾何模型,、網(wǎng)格和仿真結(jié)果。

6.1 參數(shù)管理

將參數(shù)表中輸入?yún)?shù)P1-ValveAngle的值改成25,，此時(shí)在Workbench項(xiàng)目視圖中：Geometry,、Meshing和Fluent中顯示更新，單擊工具欄中的Update Project,，更新參數(shù)后可快速完成流體仿真流程,，避免重復(fù)性仿真設(shè)置操作。

6.2 設(shè)計(jì)點(diǎn)(DesignPoint)

設(shè)計(jì)點(diǎn)是代表一種設(shè)計(jì)方案的一組參數(shù),，可以添加額外的設(shè)計(jì)點(diǎn)來研究不同輸入?yún)?shù)的影響,。本案例中，我們感興趣的是壓降如何隨著閥門角度的變化而變化,，可以通過設(shè)計(jì)點(diǎn)來進(jìn)行參數(shù)化研究,。

單擊第一個(gè)空行中的列B并輸入25，然后單擊下面的下一行并輸入15,，創(chuàng)建設(shè)計(jì)點(diǎn),。勾選列E下Retain，可以保存此設(shè)計(jì)點(diǎn)的計(jì)算文件,，否則只保存當(dāng)前(Current)設(shè)計(jì)點(diǎn)計(jì)算文件,。

點(diǎn)擊Update All Design Points，Workbench會(huì)在后臺通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)SpaceClaim,、Meshing和Fluent模塊,，開始計(jì)算所有設(shè)計(jì)點(diǎn)工況。

得到各設(shè)計(jì)點(diǎn)下的結(jié)果如下,，保存項(xiàng)目文件退出,。

以上,，給大家詳細(xì)介紹基于Workbench流體仿真參數(shù)化的詳細(xì)過程。通過參數(shù)化模型,，我們很方便快速地研究不同幾何,、邊界等輸入?yún)?shù)對產(chǎn)品性能的影響，避免了重復(fù)性的仿真設(shè)置過程,。

同時(shí),，參數(shù)化的模型可以作為仿真二次開發(fā)的模板文件，通過Workbench腳本修改輸入?yún)?shù),，并驅(qū)動(dòng)各仿真模塊完成仿真流程計(jì)算,。

作者：田廣勝

精選：王華軍

編輯：劉義美 | 校對：栗夏

排版：田廣勝

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