ANSYS CFX 14.0超级学习手册

ANSYS CFX 14.0超级学习手册
出版时间：2013年
内容简介
　　ANSYS CFX是一款功能强大的CFD工程分析软件，主要用于内外流体流动、热传递、化学反应和燃烧、多相流和多孔介质、稳态及非稳态分析等工程相关问题。《ANSYS CFX 14.0超级学习手册》是基于ANSYS CFX 14.0最新版本编写的，共分为15章，通过大量实例详细系统地介绍了CFX 14.0解决实际问题的方法，包括计算流体的基础理论与方法，创建几何模型、划分网格、CFX前处理、CFX求解、CFX后处理等功能的介绍，针对每个CFX可以解决的流体问题辅以应用实例进行详细的讲解，包括内部流动、外部流动、传热流动、化学反应与燃烧、多相流、多孔介质、稳态及非稳态等流体问题，使读者能够快速、熟练、深入地掌握CFX流体计算软件。《ANSYS CFX 14.0超级学习手册》内容丰富、结构严谨、条理清晰、重点突出，既可以作为高等院校相关专业高年级本科生、研究生的学习用教材，也可以作为工程技术人员的参考用书。
目　录

第1章　流体力学与计算流体力学基础　1
1.1　流体力学基础　1
1.1.1　流体及其基本特性　1
1.1.2　流体运动的分类和描述方法　4
1.2　流体力学控制方程　4
1.2.1　物质导数　5
1.2.2　连续性方程　5
1.2.3　N-S方程　6
1.3　流体力学数值计算基础　7
1.3.1　数值计算方法和分类　7
1.3.2　基于有限体积法的控制方程离散　8
1.4　CFD软件结构及常用的CFD软件　9
1.4.1　CFD软件结构　9
1.4.2　常用的CFD软件　10
本章小结　13

第2章　CFX软件简介　14
2.1　CFX的软件构成　14
2.1.1　启动CFX　15
2.1.2　前处理器　16
2.1.3　求解管理器　17
2.1.4　后处理器　18
2.2　CFX文件系统　19
本章小结　19

第3章　创建几何模型　20
3.1　建立几何模型概述　20
3.1.1　建模方法分类　20
3.1.2　DesignModeler建模方法　20
3.2　DesignModeler简介　21
3.3　草图模式　24
3.3.1　进入草图模式　24
3.3.2　创建新平面　24
3.3.3　创建草图　25
3.3.4　几何模型的关联性　25
3.3.5　草图援引　26
3.4　创建3D几何体　27
3.4.1　拉伸(Extrude)　27
3.4.2　旋转(Revolve)　28
3.4.3　直接创建3D几何体(Primitives)　29
3.4.4　填充(Fill)和包围(Enclosure)　30
3.4.5　创建多体部件体　31
3.5　概念建模　32
3.5.1　从点生成线体　33
3.5.2　从草图生成线体　33
3.5.3　从边生成线体　33
3.5.4　定义横截面　33
3.5.5　对齐横截面　35
3.5.6　横截面偏移　35
3.5.7　从线创建面体　36
3.5.8　从草图生成面体　36
3.5.9　从面生成面体　36
3.6　导入外部CAD文件　37
3.6.1　非关联性导入文件　37
3.6.2　关联性导入文件　38
3.6.3　导入定位　39
3.6.4　创建场域几何体　39
本章小结　39

第4章　网格划分方法　40
4.1　网格生成方法简介　40
4.2　ANSYS ICEM　CFD基础　41
4.2.1　ICEM CFD的文件系统　41
4.2.2　ICEM CFD的鼠标和键盘操作　42
4.2.3　ICEM CFD的操作界面　42
4.2.4　ICEM CFD的菜单简介　43
4.3　ANSYS ICEM CFD基本用法　44
4.3.1　导入外部几何模型　44
4.3.2　几何模型的创建　45
4.3.3　网格的自动生成　48
4.3.4　块的生成与划分　53
4.3.5　网格编辑　58
4.3.6　网格输出　64
4.4　ANSYS ICEM CFD实例分析　65
4.4.1　启动ICEM CFD并建立分析项目　65
4.4.2　几何模型导入　66
4.4.3　模型建立　66
4.4.4　生成网格　69
4.4.5　网格检查及编辑　71
4.4.6　网格输出与保存　71
本章小结　72

第5章　CFX-Pre的前处理功能　73
5.1　新项目创建与网格导入　73
5.1.1　工程项目新建　73
5.1.2　网格导入　73
5.1.3　项目保存　74
5.2　库设定　75
5.3　计算域设定　75
5.3.1　计算域创建　75
5.3.2　计算域设定　75
5.4　边界条件设定　80
5.4.1　插入边界条件　81
5.4.2　边界条件类型　81
5.5　初始条件设定　85
5.6　求解器设定　86
5.7　输出文件和监控设定　87
本章小结　88

第6章　CFX-Solver求解　89
6.1　激活求解管理器　89
6.2　模拟计算的定义　90
6.3　求解界面介绍　91
6.3.1　工作界面的组成　91
6.3.2　任务栏功能简介　92
本章小结　93

第7章　CFX后处理　94
7.1　启动后处理器　94
7.2　后处理器工作界面　95
7.3　创建位置　95
7.3.1　生成点　95
7.3.2　生成点云　97
7.3.3　生成线　98
7.3.4　生成平面　99
7.3.5　生成体　100
7.3.6　生成等值面　101
7.3.7　生成区域值面　102
7.3.8　生成型芯区域　103
7.3.9　生成旋转面　103
7.3.10　生成自定义面　104
7.4　创建对象　105
7.4.1　创建矢量　105
7.4.2　创建云图　107
7.4.3　创建流线　107
7.4.4　创建粒子轨迹　108
7.4.5　创建体绘制　109
7.4.6　创建文本对象　109
7.4.7　其他创建对象　110
7.5　创建数据　111
7.5.1　创建变量　111
7.5.2　创建表达式　112
7.5.3　创建表格和图表　113
7.6　生成报告　116
本章小结　118

第8章　内部流动分析　119
8.1　不可压缩黏性流体的内部流动概述　119
8.1.1　内部流动的定义和特点　119
8.1.2　圆管内层流　120
8.1.3　圆管内湍流　121
8.1.4　内部流动分析流程　122
8.1.5　计算模型　123
8.2　U形管道内部流动分析　123
8.2.1　问题描述　123
8.2.2　分析过程　124
8.2.3　启动WorkBench并建立分析项目　124
8.2.4　导入网格文件　124
8.2.5　流体域设定　126
8.2.6　入口边界设定　127
8.2.7　出口边界设定　128
8.2.8　壁面边界设定　129
8.2.9　求解控制设定　130
8.2.10　求解　131
8.2.11　建立显示平面　132
8.2.12　生成压强云图　133
8.2.13　生成速度矢量图　134
8.2.14　生成流线图　135
8.2.15　保存和退出　136
8.2.16　案例小结　136
8.3　弯管混合器内部流动分析　136
8.3.1　问题描述　136
8.3.2　分析过程　137
8.3.3　启动WorkBench并建立分析项目　137
8.3.4　导入创建几何体　137
8.3.5　划分网格　138
8.3.6　前处理界面　140
8.3.7　水的属性设定　140
8.3.8　流体域设定　143
8.3.9　入口边界设定　143
8.3.10　出口边界设定　145
8.3.11　壁面边界设定　145
8.3.12　初始条件设定　146
8.3.13　求解控制设定　147
8.3.14　求解　147
8.3.15　修改模型显示　148
8.3.16　建立显示平面　149
8.3.17　生成流线图　150
8.3.18　生成温度云图　151
8.3.19　保存和退出　152
8.3.20　案例小结　152
8.4　静止混合器内部流动分析　152
8.4.1　问题描述　152
8.4.2　分析过程　153
8.4.3　启动WorkBench并建立分析项目　153
8.4.4　导入网格文件　153
8.4.5　水的属性设定　155
8.4.6　流体域设定　156
8.4.7　入口边界设定　158
8.4.8　出口边界设定　159
8.4.9　壁面边界设定　160
8.4.10　初始条件设定　161
8.4.11　求解控制设定　162
8.4.12　求解　162
8.4.13　编辑轮廓显示　163
8.4.14　建立显示点　163
8.4.15　生成流线图　164
8.4.16　建立显示平面　165
8.4.17　生成温度云图　166
8.4.18　生成动画　167
8.4.19　保存和退出　168
8.4.20　案例小结　169
8.5　离心泵分析　169
8.5.1　问题描述　169
8.5.2　分析过程　169
8.5.3　启动WorkBench并建立分析项目　169
8.5.4　导入创建几何体　170
8.5.5　设置分析介质的物理属性　170
8.5.6　流体区域的参数设定　171
8.5.7　边界条件的设置　172
8.5.8　计算初始化　173
8.5.9　求解控制　173
8.5.10　求解　173
8.5.11　第一次后处理　174
8.5.12　空穴模型的使用　175
8.5.13　第二次后处理　177
8.5.14　案例小结　178
本章小结　179

第9章　外部流动分析　180
9.1　外部绕流概述　180
9.1.1　外部绕流定义　180
9.1.2　边界层　180
9.1.3　边界层分离　181
9.1.4　边界层分离现象典型实例　182
9.1.5　绕流物体的阻力与升力　183
9.1.6　外部绕流分析流程　184
9.2　空气绕流建筑物分析　185
9.2.1　问题描述　185
9.2.2　分析过程　186
9.2.3　启动WorkBench并建立分析项目　186
9.2.4　导入网格文件　186
9.2.5　流体域设定　188
9.2.6　入口边界设定　188
9.2.7　出口边界设定　189
9.2.8　对称边界设定　190
9.2.9　无滑移壁面边界设定　191
9.2.10　自由滑移壁面边界设定　191
9.2.11　求解控制设定　192
9.2.12　求解　193
9.2.13　生成压强云图　193
9.2.14　生成速度云图　194
9.2.15　生成速度矢量图　195
9.2.16　生成流线图　196
9.2.17　生成对称显示　197
9.2.18　生成对称平面　199
9.2.19　生成对称平面上的速度云图　200
9.2.20　保存和退出　202
9.2.21　案例小结　202
9.3　机翼外部气体流动分析　202
9.3.1　问题描述　202
9.3.2　分析过程　203
9.3.3　启动WorkBench并建立分析项目　203
9.3.4　导入网格文件　203
9.3.5　流体域设定　205
9.3.6　入口边界设定　206
9.3.7　出口边界设定　207
9.3.8　对称边界设定　208
9.3.9　无滑移壁面边界设定　208
9.3.10　自由滑移壁面边界设定　209
9.3.11　域交界面设定　210
9.3.12　初始条件设定　211
9.3.13　求解控制设定　212
9.3.14　求解　212
9.3.15　生成马赫数云图　213
9.3.16　生成压强云图　214
9.3.17　生成温度云图　215
9.3.18　生成速度矢量图　216
9.3.19　生成自定义压强矢量　218
9.3.20　保存和退出　219
9.3.21　案例小结　220
9.4　飞机机翼的压力计算　220
9.4.1　问题描述　220
9.4.2　分析过程　220
9.4.3　启动WorkBench并建立分析项目　220
9.4.4　导入创建几何体　221
9.4.5　网格参数设置　221
9.4.6　修改网格　221
9.4.7　区域设置　222
9.4.8　边界条件设置　223
9.4.9　求解控制设置　224
9.4.10　求解　225
9.4.11　后处理　225
9.4.12　案例小结　226
本章小结　226

第10章　传热流动分析　228
10.1　传热概述　228
10.1.1　导热的基本定律　228
10.1.2　导热问题的数学描述　229
10.1.3　对流传热过程和对流传热系数　231
10.1.4　辐射传热过程　231
10.1.5　传热分析流程　231
10.2　轴承盖传热分析　232
10.2.1　问题描述　232
10.2.2　分析过程　232
10.2.3　启动WorkBench并建立分析项目　232
10.2.4　导入网格文件　233
10.2.5　域设定　235
10.2.6　内孔热源边界设定　236
10.2.7　外壁对流换热边界设定　237
10.2.8　内腔对流换热边界设定　238
10.2.9　绝热边界设定　239
10.2.10　初始条件设定　240
10.2.11　求解控制设定　240
10.2.12　求解　240
10.2.13　建立显示平面　241
10.2.14　生成温度云图　242
10.2.15　保存和退出　243
10.2.16　案例小结　243
10.3　铜盘管热交换分析　243
10.3.1　问题描述　243
10.3.2　分析过程　244
10.3.3　启动WorkBench并建立分析项目　244
10.3.4　导入网格文件　244
10.3.5　铜导电率设定　246
10.3.6　碳酸钙材料设定　246
10.3.7　流体域设定　248
10.3.8　固体域设定　249
10.3.9　热盘管边界设定　250
10.3.10　入口边界设定　251
10.3.11　开放式出口边界设定　252
10.3.12　域交界面设定　253
10.3.13　求解控制设定　255
10.3.14　求解　256
10.3.15　修改模型显示　256
10.3.16　生成温度云图　257
10.3.17　建立圆柱面表达式　258
10.3.18　建立变量　259
10.3.19　建立圆柱显示面　259
10.3.20　创建直线　260
10.3.21　生成温度轮廓图　261
10.3.22　保存和退出　262
10.3.23　案例小结　263
10.4　室内温度的计算　263
10.4.1　问题描述　263
10.4.2　分析过程　263
10.4.3　启动WorkBench并建立分析项目　263
10.4.4　导入通风管道网格文件　264
10.4.5　设置计算模型　264
10.4.6　通风管道边界条件设置　264
10.4.7　通风管道输出控制的设定　264
10.4.8　插入监测点　265
10.4.9　通风管道计算求解　265
10.4.10　输出通风管道的计算文件　266
10.4.11　导入办公室网格文件　266
10.4.12　物理参数设定　266
10.4.13　办公室边界条件设置　267
10.4.14　计算控制设置　270
10.4.15　办公室输出控制设置　270
10.4.16　办公室计算求解　270
10.4.17　后处理　271
10.4.18　案例小结　272
10.5　散热板传热计算　272
10.5.1　问题描述　272
10.5.2　分析过程　273
10.5.3　启动WorkBench并建立分析项目　273
10.5.4　导入创建几何体　273
10.5.5　建立流体区域　273
10.5.6　建立新的分析材料　274
10.5.7　建立新的固体区域　275
10.5.8　建立能源点　275
10.5.9　边界条件的设定　276
10.5.10　求解控制设定　277
10.5.11　增设辐射模型　277
10.5.12　定义配置　278
10.5.13　求解　278
10.5.14　后处理　279
10.5.15　案例小结　280
本章小结　280

第11章　化学反应与燃烧分析　281
11.1　化学反应与燃烧分析概述　281
11.1.1　化学反应与燃烧模型简介　281
11.1.2　化学反应及燃烧分析流程　281
11.2　酸碱中和反应分析　282
11.2.1　问题描述　282
11.2.2　分析过程　283
11.2.3　启动WorkBench并建立分析项目　283
11.2.4　导入网格文件　283
11.2.5　稀硫酸设定　285
11.2.6　氢氧化钠和硫酸钠设定　286
11.2.7　混合溶液设定　286
11.2.8　pH变量设定　287
11.2.9　其他表达式导入　288
11.2.10　流体域设定　289
11.2.11　化学反应子域设定　291
11.2.12　水入口边界设定　293
11.2.13　稀硫酸入口边界设定　293
11.2.14　氢氧化钠入口边界设定　294
11.2.15　出口边界设定　295
11.2.16　对称边界设定　296
11.2.17　初始条件设定　297
11.2.18　求解控制设定　298
11.2.19　求解　298
11.2.20　建立显示平面　299
11.2.21　生成各物质质量分数云图　300
11.2.22　生成混合溶液的pH云图　301
11.2.23　保存和退出　302
11.2.24　案例小结　302
11.3　燃气涡轮发动机燃烧反应分析　303
11.3.1　问题描述　303
11.3.2　分析过程　303
11.3.3　启动WorkBench并建立分析项目　304
11.3.4　导入网格文件　304
11.3.5　反应混合物设定　306
11.3.6　流体域设定　307
11.3.7　燃料入口边界设定　309
11.3.8　空气主入口边界设定　310
11.3.9　空气侧入口边界设定　311
11.3.10　出口边界设定　312
11.3.11　叶片表面区域设定　313
11.3.12　叶片壁面边界条件设定　315
11.3.13　初始条件设定　316
11.3.14　求解控制设定　317
11.3.15　求解　317
11.3.16　修改模型显示　318
11.3.17　建立显示平面　319
11.3.18　生成NO质量分数云图　321
11.3.19　计算出口处的NO质量分数　321
11.3.20　生成速度矢量图　322
11.3.21　生成辐射强度云图　324
11.3.22　保存和退出　325
11.3.23　案例小结　326
本章小结　326

第12章　多相流分析　327
12.1　多相流概述　327
12.1.1　多相流定义和分类　327
12.1.2　欧拉多相流模拟　328
12.1.3　CFX欧拉多相流设置建议　330
12.1.4　拉格朗日多相流　331
12.1.5　CFX拉格朗日多相流设置建议　331
12.1.6　多相流分析流程　332
12.2　气升式反应器内的气-液两相流动分析　332
12.2.1　问题描述　332
12.2.2　分析过程　332
12.2.3　启动WorkBench并建立分析项目　333
12.2.4　导入网格文件　333
12.2.5　流体域设定　335
12.2.6　空气和水入口边界设定　337
12.2.7　出口边界设定　338
12.2.8　导流筒边界设定　339
12.2.9　对称边界设定　341
12.2.10　默认壁面边界编辑　342
12.2.11　初始条件设定　343
12.2.12　求解控制设定　344
12.2.13　求解　345
12.2.14　生成水的速度矢量图　345
12.2.15　生成空气的速度矢量图　347
12.2.16　生成SymP1面上空气的体积分数云图　347
12.2.17　生成导流筒壁面上空气的体积分数云图　349
12.2.18　生成整体模型显示　352
12.2.19　保存和退出　353
12.2.20　案例小结　353
12.3　带有蝶阀的圆管内的固-液两相流动分析　353
12.3.1　问题描述　354
12.3.2　分析过程　354
12.3.3　启动WorkBench并建立分析项目　354
12.3.4　导入网格文件　355
12.3.5　沙粒(完全耦合)材料设定　356
12.3.6　沙粒(单向耦合)材料设定　358
12.3.7　流体域设定　358
12.3.8　入口速度表达式设定　361
12.3.9　入口边界设定　363
12.3.10　出口边界设定　365
12.3.11　对称边界设定　365
12.3.12　管壁面边界设定　366
12.3.13　默认壁面边界编辑　367
12.3.14　初始条件设定　368
12.3.15　求解控制设定　369
12.3.16　求解　370
12.3.17　生成蝶阀腐蚀率密度云图　371
12.3.18　生成管壁腐蚀率密度云图　371
12.3.19　生成粒子跟踪图　372
12.3.20　生成动画　375
12.3.21　保存和退出　376
12.3.22　案例小结　376
本章小结　377

第13章　多孔介质分析　378
13.1　多孔介质　378
13.1.1　多孔介质定义及特点　378
13.1.2　CFX多孔介质　379
13.1.3　多孔介质分析流程　381
13.2　催化转换器分析　381
13.2.1　问题描述　381
13.2.2　分析过程　381
13.2.3　启动WorkBench并建立分析项目　381
13.2.4　导入催化层部分网格文件　382
13.2.5　导入进口管网格文件　383
13.2.6　设置同一区　384
13.2.7　流体域设定　386
13.2.8　多孔介质相关参数的表达式设定　387
13.2.9　多孔介质域设定　388
13.2.10　入口边界设定　391
13.2.11　出口边界设定　392
13.2.12　催化层默认壁面边界设定　393
13.2.13　域交界面设定　394
13.2.14　初始条件设定　395
13.2.15　求解控制设定　395
13.2.16　离散选项设定　396
13.2.17　求解　397
13.2.18　修改模型显示　397
13.2.19　建立显示平面　398
13.2.20　建立用户平面　400
13.2.21　创建折线　403
13.2.22　生成沿Z轴方向的压降图　405
13.2.23　生成压强云图　407
13.2.24　生成速度矢量图　407
13.2.25　保存和退出　408
13.2.26　案例小结　409
13.3　多孔介质催化层分析　409
13.3.1　问题描述　409
13.3.2　分析过程　409
13.3.3　启动WorkBench并建立分析项目　409
13.3.4　导入创建几何体　410
13.3.5　设置分析介质的物理属性　410
13.3.6　开启湍流模型　410
13.3.7　边界条件的设置　411
13.3.8　输出控制的设定　413
13.3.9　求解　413
13.3.10　后处理　414
13.3.11　案例小结　416
本章小结　417

第14章　稳态分析　418
14.1　稳态概述　418
14.1.1　稳态分析简介　418
14.1.2　稳态分析流程　418
14.2　管内叶片气体流动分析　419
14.2.1　案例介绍　419
14.2.2　启动CFX并建立分析项目　419
14.2.3　导入网格　419
14.2.4　边界条件设定　420
14.2.5　初始条件设定　422
14.2.6　求解控制设定　422
14.2.7　计算求解　423
14.2.8　结果后处理　424
14.2.9　案例小结　427
14.3　弯管内液体流动分析　427
14.3.1　案例介绍　427
14.3.2　启动CFX并建立分析项目　427
14.3.3　导入网格　428
14.3.4　边界条件设定　428
14.3.5　初始条件设定　431
14.3.6　求解控制设定　431
14.3.7　计算求解　431
14.3.8　结果后处理　433
14.3.9　案例小结　435
本章小结　436

第15章　非稳态分析　437
15.1　非稳态概述　437
15.1.1　非稳态分析简介　437
15.1.2　非稳态分析流程　437
15.2　浮力驱动分析　438
15.2.1　问题描述　438
15.2.2　分析过程　438
15.2.3　启动WorkBench并建立分析项目　438
15.2.4　导入网格文件　439
15.2.5　流体域设定　440
15.2.6　分析类型设定　441
15.2.7　热壁面边界设定　442
15.2.8　冷壁面边界设定　443
15.2.9　对称边界设定　444
15.2.10　初始条件设定　444
15.2.11　输出控制设定　445
15.2.12　求解控制设定　446
15.2.13　求解　447
15.2.14　调整视图　447
15.2.15　生成温度云图　448
15.2.16　创建点　450
15.2.17　生成温度随时间变化的曲线图　451
15.2.18　保存和退出　453
15.2.19　案例小结　453
15.3　容器内部水位及水流速度计算　454
15.3.1　问题描述　454
15.3.2　分析过程　454
15.3.3　启动WorkBench并建立分析项目　454
15.3.4　导入分析网格　455
15.3.5　前处理界面　455
15.3.6　设定分析形式　455
15.3.7　水和空气的属性设定　456
15.3.8　边界条件的设置　457
15.3.9　计算结果储存设置　459
15.3.10　求解　461
15.3.11　后处理　461
15.3.12　案例小结　463
本章小结　463

参考文献　464