编辑推荐
ansys workbench技术精解,有限元分析指导指南。
内容简介
《CAE分析大系——ANSYS ICEM CFD工程实例详解》以计算流体动力学(CFD)的分析流程为主线,全书涉及以下内容:CFD工程应用基础,包括CFD的基本概念和CFD工程应用一般流程;计算前处理,主要通过实例讲解ANSYS ICEM CFD的应用技巧;求解器,包括ANSYS FLUENT各通用计算模块应用的实例讲解;计算后处理,包括后处理结果处理软件ANSYS CFD-POST的使用技巧以及ANSYS工程优化模块Design Explorer的使用。
《CAE分析大系——ANSYS ICEM CFD工程实例详解》有配套相关案例模型文件,并专门配备了视频讲解。此外,读者还可以通过微信公众平台iCAX与作者进行互动解答问题。
《CAE分析大系——ANSYS ICEM CFD工程实例详解》可作为初学者的入门教程,也可作为中高级使用者的参考资料。本书章节间没有紧密的联系,因此既适合全书阅读,也适合分章节进行阅读。
作者简介
《CAE分析大系——ANSYS ICEM CFD工程实例详解》以计算流体动力学(CFD)的分析流程为主线,全书涉及以下内容:CFD工程应用基础,包括CFD的基本概念和CFD工程应用一般流程;计算前处理,主要通过实例讲解ANSYS ICEM CFD的应用技巧;求解器,包括ANSYS FLUENT各通用计算模块应用的实例讲解;计算后处理,包括后处理结果处理软件ANSYS CFD-POST的使用技巧以及ANSYS工程优化模块Design Explorer的使用。
《CAE分析大系——ANSYS ICEM CFD工程实例详解》有配套相关案例模型文件,并专门配备了视频讲解。此外,读者还可以通过微信公众平台iCAX与作者进行互动解答问题。
《CAE分析大系——ANSYS ICEM CFD工程实例详解》可作为初学者的入门教程,也可作为中高级使用者的参考资料。本书章节间没有紧密的联系,因此既适合全书阅读,也适合分章节进行阅读。
内页插图
精彩书评
胡坤,博士,就职于西南石油大学机电工程学院,从事石油天然气装备研发及教学工作。拥有8年ANSYS CFD软件应用经验,曾利用CFD软件对水力旋流器、卧式螺旋分离器、水力喷砂射孔器和井喷失控灾害预测等进行过研究,熟悉ANSYS CFD软件仿真流程。
李振北,工程师,现为中国机械科学研究总院机械设计及理论专业博士研究生,就职于中石油管道检测技术有限责任公司,从事油气管道监测器设计及研发工作。
目录
目 录
第一部分 CFD工程应用基础
第1章 概述 10
1.1 什么是CFD 10
1.2 CFD发展概况 11
1.3 CFD工程应用领域 12
1.4 什么时候使用CFD软件 13
1.5 通用流体计算软件的利与弊 13
1.6 本书读者定位 14
1.7 本书特点 14
第2章 ANSYS CFD软件简介 16
2.1 CFD工程应用一般流程 16
2.1.1 计算前处理 16
2.1.2 计算求解器 16
2.1.3 计算后处理 17
2.2 ANSYS CFD软件族简介 17
2.2.1 前处理软件:ICEM CFD 17
2.2.2 CFD求解器:Fluent 18
2.2.3 CFD求解器:CFX 19
2.2.4后处理模块:CFD-POST 21
第二部分 计算前处理
第3章 流体计算域 24
3.1 计算域模型 24
3.1.1 内流计算域 24
3.1.2 外流计算域 25
3.1.3 混合计算域 25
3.2 计算域生成方法 25
3.2.1 直接建模 25
3.2.2 几何抽取 25
3.3 计算域简化 26
3.4 多区域计算模型 26
3.4.1 Interface 27
3.4.2 Interior 27
3.5 计算域创建工具ANSYS DesignModeler 27
3.5.1 Fill 功能 28
3.5.2 Enclosure 功能 29
3.6 计算域创建实例 29
3.6.1 【实例3-1】直接创建计算域 29
3.6.2 【实例3-2】Fills方式创建计算域模型 32
3.6.3 【实例3-3】Enclosure方式创建计算域模型 34
3.6.4 【实例3-4】创建混合计算域 35
3.7 本章小结 37
第4章 流体网格 38
4.1 流体网格基础概念 38
4.1.1 网格术语 38
4.1.2 网格形状 38
4.1.3 结构网格与非结构网格 39
4.2 网格的度量 39
4.2.1 网格数量 39
4.2.2 网格质量 40
4.3 流体网格划分软件:ICEM CFD简介 40
4.3.1 ICEM CFD主要特点 41
4.3.2 ICEM CFD中的文件类型 41
4.3.3 ICEM CFD操作界面 41
4.3.4 ICEM CFD操作键 47
4.3.5 ICEM CFD的启动 47
4.3.6 ICEM CFD网格划分基本流程 48
4.4 本章小结 49
第5章 ICEM CFD几何操作 50
5.1 ICEM CFD中的几何组织形式 50
5.2 基本几何创建 50
5.2.1 点的创建 50
5.2.2 线的创建 52
5.2.3 面操作 54
5.2.4 Body创建 55
5.3 几何修补 56
5.3.1 几何拓扑构建 56
5.3.2 几何检查 57
5.3.3 封闭孔洞与去除孔洞 58
5.3.4 边匹配 58
5.3.5 特征检测 58
5.4 辅助几何 59
5.5 几何操作实例 59
5.5.1 【实例5-1】快速流道抽取 59
5.5.2 【实例5-2】几何建模 62
5.5.3 【实例5-3】几何修补 68
5.6 本章小结 71
第6章 ICEM CFD六面体网格划分 72
6.1 块基本概念 72
6.1.1 块的层次结构 72
6.1.2 初始块的创建 72
6.1.3 块的关联操作 75
6.2 自顶向下构建块 79
6.2.1 常规切分 79
6.2.2 O型切分 80
6.2.3 Y型切分 87
6.2.4 【实例6-1】2D块切割实例 91
6.2.5 【实例6-2】3D块切割实例 96
6.3 自底向上构建块 98
6.3.1 From Vertices/Faces 99
6.3.2 Extrude Faces 100
6.3.3 由2D块形成3D块 101
6.3.4 【实例6-3】弹簧网格划分 102
6.4 常见分块策略 104
6.5 块变换操作 110
6.5.1 块平移 110
6.5.2 块旋转 110
6.5.3 块镜像 111
6.5.4 块缩放 111
6.5.5 周期块复制 111
6.5.6 【实例6-4】块平移操作 111
6.5.7 【实例6-5】块旋转操作 115
6.6 Edge网格参数设置 119
6.6.1 参数设置对话框及各参数含义 119
6.6.2 节点分布律 121
6.6.3 边界层网格 123
6.6.4 【实例6-6】分叉管网格划分 124
6.6.5 【实例6-7】外流场边界层网格 127
6.7 【实例6-8】排烟风道网格划分 129
6.8 本章小结 133
第7章 ICEM CFD非结构网格划分 134
7.1 非结构网格生成 134
7.2 全局网格参数设置 134
7.2.1 全局网格尺寸设置 135
7.2.2 壳网格参数 136
7.2.3 体网格参数设置 139
7.2.4 棱柱网格设置 139
7.2.5 周期网格设置 141
7.3 Part网格设置 141
7.4 面网格参数设置 143
7.5 线网格参数设置 144
7.6 密度盒 144
7.7 网格生成 145
7.8 【实例7-1】分支管非结构网格划分 146
7.9 【实例7-2】活塞阀装配体网格划分 148
第8章 ICEM CFD常用技巧 151
8.1 ICEM CFD快捷键 151
8.1.1 Geometry快捷键 151
8.1.2 Edit Mesh快捷键 152
8.1.3 Blocking快捷键 153
8.1.4 选择模式快捷键 154
8.2 创建多区域网格 156
8.2.1 Interface与Interior 156
8.2.2 【实例8-1】非结构网格多计算域模型 156
8.2.3 【实例8-2】结构网格多计算域模型 160
8.2.4 【实例8-3】网格模型组装 162
8.3 创建周期网格 164
8.3.1 指定几何周期 164
8.3.2 周期顶点定义 165
8.3.3 【实例8-4】2D旋转周期网格 165
8.3.4 【实例8-5】2D平移周期网格 173
8.3.5 【实例8-6】3D旋转周期网格 175
第三部分 求解器
第9章 FLUENT用户界面 180
9.1 FLUENT的启动 180
9.1.1 启动方式 180
9.1.2 FLUENT启动界面 181
9.2 软件界面 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 【实例10-1】Tet网格划分 192
10.2 【实例10-2】分区混合网格划分 196
第11章 FLUENT前处理基础 199
11.1 FLUENT前处理流程 199
11.2 网格控制 200
11.2.1 网格缩放 200
11.2.2 网格检查 201
11.2.3 网格显示 201
11.3 求解设置中的一些基本概念 202
11.3.1 压力基与密度基求解器 202
11.3.2 稳态与瞬态计算 203
11.3.3 FLUENT中的压力 205
11.4 湍流模型 207
11.4.1 湍流和层流判断 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 壁面函数 212
11.4.6 边界湍流设置 212
11.5 边界条件 214
11.5.1 边界条件分类 214
11.5.2 边界条件设置 215
第12章 FLUENT后处理基础 216
12.1 后处理概述 216
12.2 FLUENT后处理操作 216
12.2.1 创建特征位置 216
12.2.2 流场可视化 220
12.2.3 Graphics and Animations 220
12.2.4 动画创建 223
12.2.5 图形设置选项 225
12.2.6 Plot 227
12.2.7 Reports 228
第13章 基本流动问题计算 231
13.1 【实例13-1】翼型计算(可压流动) 231
13.1.1 问题描述 231
13.1.2 FLUENT前处理设置 231
13.1.3 结果后处理 237
13.2 【实例13-2】卡门涡街计算(瞬态计算) 239
13.2.1 问题描述 240
13.2.2 FLUENT前处理设置 241
13.2.3 结果后处理 245
第14章 动区域计算模型 246
14.1 运动区域计算概述 246
14.2 单运动参考系模型 247
14.2.1 SRF模型中的网格模型 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 多运动参考系模型 250
14.3.1 多参考系模型 250
14.3.2 混合面模型 252
14.3.3 滑移网格模型 253
14.4 【实例14-1】离心压缩机仿真计算(SRF模型) 253
14.4.1 问题描述 253
14.4.2 FLUENT前处理设置 253
14.4.3 后处理分析 260
14.5 【实例14-2】垂直轴风力机流场计算(MRF) 263
14.5.1 问题描述 263
14.5.2 FLUENT前处理设置 264
14.5.3 后处理分析 268
14.6 【实例14-3】垂直轴风力机流场计算(滑移网格) 270
14.6.1 模型描述 270
14.6.2 UDF定义 270
14.6.3 FLUENT前处理设置 271
14.6.4 后处理分析 274
第15章 动网格模型 276
15.1 FLUENT中使用动网格 276
15.2 网格更新方法 276
15.2.1 Smoothing 276
15.2.2 Layering 279
15.2.3 Remeshing 280
15.3 运动指定 281
15.3.1 瞬态Profile 281
15.3.2 动网格中的UDF 283
15.4 运动区域定义 284
15.4.1 静止部件(Stationary) 285
15.4.2 刚体(Rigid Body) 285
15.4.3 变形体(Deforming) 285
15.4.4 其他类型 286
15.5 网格预览 286
15.6 【实例15-1】齿轮泵仿真 287
15.6.1 问题描述 287
15.6.2 FLUENT前处理设置 288
15.6.3 计算后处理 296
15.7 【实例15-2】利用6DOF计算船舶行驶情况 296
15.7.1 问题描述 297
15.7.2 FLUENT前处理设置 297
15.7.3 计算后处理 305
15.8 【实例15-3】止回阀流场计算 307
15.8.1 问题描述 307
15.8.2 FLUENT前处理设置 308
15.8.3 计算后处理 312
第16章 多相流模型 313
16.1 多相流概述 313
16.1.1 多相流定义 313
16.1.2 多相流形态 313
16.2 FLUENT中的多相流模型 314
16.2.1 多相流模型的选择 315
16.2.2 FLUENT多相流模拟步骤 316
16.2.3 VOF模型设置 317
16.2.4 Mixture模型设置 318
16.2.5 Eulerian模型设置 319
16.3 【实例16-1】空化现象仿真计算(Mixture模型) 320
16.3.1 物理现象描述 320
16.3.2 几何模型 320
16.3.3 建立模型并划分网格 321
16.3.4 FLUENT前处理设置 323
16.3.5 后处理分析 328
16.4 【实例16-2】溃坝模拟(VOF模型) 329
16.4.1 问题描述 330
16.4.2 建立模型及划分网格 330
16.4.3 FLUENT前处理设置 330
16.4.4 后处理分析 334
16.5 【实例16-3】鼓泡塔仿真计算(Eulerian模型) 336
16.5.1 问题描述 336
16.5.2 几何模型 336
16.5.3 FLUENT前处理设置 336
16.5.4 后处理分析 340
第17章 组分输运及反应流模型 342
17.1 FLUENT中的组分输运及反应流模型 342
17.2 组分输运模型前处理 343
17.2.1 无反应组分输运模型 343
17.2.2 有限反应速率模型 345
17.3 【实例17-1】引擎着火导致气体扩散 345
17.3.1 问题描述 345
17.3.2 FLUENT前处理操作 346
17.3.3 计算后处理 351
17.4 【实例17-2】锥形燃烧器燃烧模拟(有限速率模型) 353
17.4.1 实例简介 353
17.4.2 问题描述 353
17.4.3 FLUENT前处理设置 353
17.4.4 计算后处理 357
17.5 【实例17-3】锥形燃烧器燃烧模拟(zimount预混模型) 358
17.5.1 实例概述 358
17.5.2 FLUENT前处理设置 359
17.5.3 计算后处理 362
第四部分 计算后处理及工程应用
第18章 流体计算后处理 366
18.1 流体计算后处理概述 366
18.2 常用的流体计算后处理工具 366
18.3 CFD-POST计算后处理一般流程 366
第19章 CFD-POST应用 360
19.1 CFD-POST的启动方式 368
19.1.1 直接启动CFD-POST 368
19.1.2 从Workbench中启动CFD-POST 369
19.1.3 从计算软件中启动CFD-POST 369
19.2 CFD-POST软件工作界面 369
19.2.1 CFD-POST的菜单项 370
19.2.2 工具栏按钮 371
19.3 CFD-POST后处理功能 371
19.3.1 创建后处理位置 371
19.3.2 生成后处理对象 378
19.3.3 数据操作 383
19.3.4 其他工具 387
19.4 【实例19-1】CFD-POST基本操作 387
19.5 【实例19-2】定量后处理 394
19.6 【实例19-3】比较多个CASE 397
19.7 【实例19-4】瞬态后处理 399
第20章 CFD-POST高级功能 402
20.1 CEL基础 402
20.1.1 运算符 402
20.1.2 常量 403
20.1.3 标准函数 403
20.1.4 基本变量 404
20.1.5 CFD-POST函数 405
20.2 CCL基础 406
20.2.1 CCL基本结构 406
20.2.2 CCL语法细节 407
20.3 CFD-POST自动化 408
20.3.1 报告模板定义 409
20.3.2 模板操作 410
20.3.3 【实例20-1】定义后处理模板 411
第21章 Design Xplorer优化设计 415
21.1 数值优化概述 415
21.2 Design Xplorer概述 415
21.3 Design Xplorer优化基础 416
21.3.1 基本概念 416
21.3.2 ANSYS Design Xplorer基本设置 417
21.3.3 目标驱动优化设计 420
前言/序言
CAE分析大系:ANSYS ICEM CFD工程实例详解 深入剖析行业级CFD建模技术,解锁复杂工程问题的仿真奥秘 本书是一部聚焦于计算流体动力学(CFD)建模核心技术——ANSYS ICEM CFD的权威指南。在当今工程设计与科学研究领域,CFD已成为不可或缺的分析工具,其仿真结果的准确性与可靠性,在很大程度上取决于前端几何建模与网格划分的质量。本书正是针对这一关键环节,从理论基础到实践应用,层层深入,为广大工程技术人员、科研学者及相关专业学生提供一套系统、详实、可操作的解决方案。 为何关注ICEM CFD? 在复杂的工程问题中,几何结构的精确描述和高质量的计算网格是CFD仿真的基石。粗糙或不准确的几何模型,以及带有缺陷的网格,都会严重影响流场计算的精度,甚至导致仿真失败。ANSYS ICEM CFD作为业界领先的CFD前处理软件,以其强大的几何处理能力、灵活多样的网格生成技术以及对各种复杂模型的良好支持,赢得了全球众多用户的青睐。无论是航空航天、汽车制造、能源动力,还是电子电器、生物医学等领域,ICEM CFD都扮演着至关重要的角色。 本书内容概览: 本书的编写,旨在全面提升读者在ANSYS ICEM CFD软件上的应用水平,使其能够独立、高效地完成各类工程问题的建模与网格划分任务。我们精选了行业内典型且具有代表性的工程案例,通过详实的步骤解析和深入的技术讲解,帮助读者掌握ICEM CFD的各项核心功能与进阶技巧。 第一部分:ICEM CFD核心理念与基础操作 CFD建模流程解析: 深入剖析CFD仿真的完整流程,强调几何建模与网格划分在整个流程中的关键作用,阐述为何高质量的前处理是成功仿真的前提。 ICEM CFD界面与环境: 全面介绍ICEM CFD的用户界面、菜单栏、工具栏以及各个模块的功能,使读者能够快速熟悉软件的操作环境。 几何导入与处理: 讲解如何导入各类CAD软件生成的几何模型(如STEP, IGES, Parasolid等),并重点介绍如何利用ICEM CFD强大的几何清理、修复、简化等工具,处理实际工程中常见的几何缺陷,确保几何模型的可用性。我们将详细演示如何针对破面、缝隙、重叠实体、冗余边线等问题进行精确修复。 曲面与体单元的定义: 介绍在ICEM CFD中如何精确定义计算域中的各个物理区域(域),包括流体域、固体域、壁面边界等,并演示如何将导入的几何实体与这些计算域进行关联。 第二部分:ICEM CFD网格生成技术详解 网格划分基础理论: 回顾CFD网格划分的基本原理,包括结构网格、非结构网格、混合网格的特点与适用范围,以及网格质量对仿真精度的影响。 点、线、面、体单元的创建与编辑: 系统介绍ICEM CFD中创建和编辑基础几何单元(点、线、面、体)的方法,为后续的网格生成奠定基础。 几何驱动的网格划分(Geometry Driven Meshing): 重点讲解基于几何特征的网格划分策略,包括如何控制网格尺寸、过渡区设置、局部加密等,以适应复杂几何形状。 曲面网格生成技术: 四边形网格(Quad Meshing): 详细介绍ICEM CFD生成高质量四边形曲面网格的多种方法,如Direct Meshing, Blocking, Patch Meshing等,并针对不同类型的曲面(规则曲面、自由曲面)提供优化技巧。 三角形网格(Tri Meshing): 演示如何生成三角形曲面网格,以及如何通过网格密度控制和局部优化来提高网格质量。 体网格生成技术: 结构网格(Structured Meshing): 讲解如何通过Blocking技术构建结构化网格,适用于几何规则的区域,以及如何在Blocking中实现网格的渐变与加密。 非结构网格(Unstructured Meshing): 详细介绍ICEM CFD生成高质量四面体、六面体、混合体网格的方法。重点演示: Tetra Meshing: 从曲面网格出发,生成四面体体网格,并介绍如何控制四面体的质量、局部加密、边界层设置等。 Hexa Meshing: 讲解如何生成纯六面体网格,其计算效率和精度优势,以及通过Blocking或Sweeping等技术实现复杂结构件的六面体网格划分。 Hybrid Meshing: 介绍如何结合使用不同类型的单元(如靠近壁面的六面体层与内部的四面体)来兼顾计算效率与精度,适用于复杂外形和内部流动的仿真。 边界层网格(Boundary Layer Meshing): 深入讲解边界层网格的重要性,以及在ICEM CFD中如何精确地生成高质量的边界层网格,包括多层边界层、楔形边界层、指数增长等设置,确保对近壁面流动的精确捕捉。 网格质量检查与优化: 详细介绍ICEM CFD提供的各类网格质量评估指标(如Aspect Ratio, Skewness, Warpage, Orthogonal Quality等),并提供针对性强的网格优化方法,指导读者如何识别和修复低质量网格,最终达到可用于仿真的标准。 第三部分:工程实例详解——实战应用 本书的精髓在于大量的工程实例。我们精心挑选了涵盖不同行业、不同复杂度的典型案例,通过“问题提出——几何处理——网格划分——质量检查——结果展示”的全流程演示,让读者在实践中学习ICEM CFD的强大功能。 案例一:汽车发动机进排气道流场仿真 重点:复杂曲面几何处理、多区域划分、Tetra/Hexa混合网格生成、边界层网格设置。 演示:如何处理CAD导入的复杂曲面,如何定义流体域与固体边界,如何生成贴合发动机内部结构的网格,以及如何检查和优化边界层网格质量。 案例二:飞机翼型绕流分析 重点:外形几何的精确建模、大范围网格生成、O型/C型网格结构的设计、细长比网格的控制。 演示:如何导入翼型几何,如何生成包含流动分离区域的网格,如何利用Blocking技术构建高质量结构网格,以及如何设置远场边界。 案例三:管道内多相流仿真(颗粒物输送) 重点:细长管道的网格划分、多相流计算域的定义、颗粒碰撞与磨损的几何考虑。 演示:如何处理长而细的几何,如何设置多相流的计算域,以及如何为颗粒物与壁面的相互作用生成合适的网格。 案例四:电子散热器内部对流换热仿真 重点:复杂内部结构(鳍片、通道)的几何简化与处理、紧凑型结构的网格划分、热边界条件的应用。 演示:如何从CAD模型中提取用于仿真的有效几何,如何处理密集的鳍片结构,如何生成符合换热需求的网格,以及如何在ICEM CFD中定义温度边界。 案例五:水轮机叶片水动力学分析 重点:复杂三维曲面网格生成、多重旋转域的设置、动量守恒的网格化策略。 演示:如何处理高精度曲面模型,如何构建适用于旋转机械的网格,以及如何确保不同区域间的网格匹配。 第四部分:高级应用与技巧 参数化建模与网格生成: 介绍如何利用ICEM CFD的参数化功能,快速生成不同尺寸或配置下的几何模型及网格,加速参数化研究。 网格批量处理与脚本应用: 讲解如何利用ICEM CFD的脚本功能(如TCL/Python)实现网格划分流程的自动化,提高工作效率。 与其他ANSYS工具的协同应用: 阐述ICEM CFD如何与其他ANSYS模块(如Fluent, CFX)无缝集成,实现从前处理到后处理的一站式仿真流程。 常见问题诊断与排除: 总结实际工作中可能遇到的各种问题,并提供有效的解决方案和故障排除指南。 本书特色: 实战导向: 全书以工程实例为核心,紧密结合实际工程应用,帮助读者快速掌握技能。 循序渐进: 从基础操作到高级技巧,内容组织逻辑清晰,适合不同水平的读者。 图文并茂: 大量精美截图与清晰的步骤说明,直观易懂。 理论与实践结合: 在讲解操作的同时,融入相关的CFD理论知识,加深读者理解。 前沿技术: 涵盖ICEM CFD最新的功能和网格生成技术,确保内容的实用性与时效性。 目标读者: 从事航空航天、汽车、能源、电子、机械等领域研发与设计的工程师。 高校相关专业的博士、硕士研究生及本科高年级学生。 希望提升CFD仿真能力,尤其是网格划分技能的科研人员。 CAE技术爱好者和从业者。 通过本书的学习,读者将能够熟练运用ANSYS ICEM CFD,高效、准确地完成各类复杂工程问题的几何建模与网格划分,为后续的CFD仿真分析打下坚实基础,从而在各自的工程实践中取得更大的突破。