在航空中ansys cfx流固耦合模擬的應(yīng)用

《在航空中ansys cfx流固耦合模擬的應(yīng)用》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、在航空中ANSYSCFX流固耦合模擬的應(yīng)用如今計算流體力學(xué)(CFD)已經(jīng)發(fā)展成為分析工業(yè)設(shè)備外部和內(nèi)部流動的可靠工具，其所面臨的新挑戰(zhàn)是對于涉及不同物理現(xiàn)象的多物理場的模擬。一個重要的例子是流動與周圍固體結(jié)構(gòu)的干擾。干擾可以是流體作用力與固體變形的力學(xué)耦合，也可以是流固界面之間溫度和熱通量的熱耦合。一個典型的例子是機翼或葉片顫振力學(xué)耦合系統(tǒng)的數(shù)值模擬?！　≡诒疚牡难芯恐校珹NSYS公司的兩個軟件包ANSYS和CFX被用于結(jié)構(gòu)和流動力學(xué)耦合的模擬。ANSYS是多用途非線性的有限元求解器，用于計算固體結(jié)構(gòu)和非固體結(jié)構(gòu)(例如，靜電場、靜磁場、聲學(xué))。CFX是通用的CFD代碼，以

2、高魯棒性和高精度的流動數(shù)值算法、高級湍流模式和多種復(fù)雜物理模型而著稱?！　NSYSCFX軟件介紹　　在CFX中，NS方程組采用守恒形式的有限體積法來離散，時間采用隱格式，可以計算混合網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格單元可以是六面體型、棱柱型、楔型和四面體型。在每個網(wǎng)格節(jié)點周圍構(gòu)造控制體，通量通過位于兩個控制體界面上的結(jié)合點來計算。離散方程采用有界的高精度對流格式來求解。通過Rhie和Chow的算法來計算質(zhì)量流量，以保證壓力速度耦合?！　‰x散方程組通過由Raw發(fā)展的耦合代數(shù)多重網(wǎng)格法求解。該方法的數(shù)值能力隨參與計算的網(wǎng)格節(jié)點的數(shù)量增加而線性增加。定常計算采用時間迭代法，直到達到用戶

3、指定的收斂標準。對于非定常計算，迭代程序在每個時間步內(nèi)更新非線性系數(shù)，而時間步由外層循環(huán)來推進。由于力學(xué)耦合，將導(dǎo)致流體和固體之間的界面發(fā)生移動。因此，離散方程必須被拓展以允許網(wǎng)格移動和網(wǎng)格變形。這種拓展通過空間守恒律來實現(xiàn)?！　”诿婢W(wǎng)格節(jié)點界面的移動需要重新計算求解域內(nèi)部網(wǎng)格節(jié)點的位置，可以通過求解描述網(wǎng)格變形的拉普拉斯方程來實現(xiàn)，這類似于網(wǎng)格光順所做的操作。它是描述動網(wǎng)格運動的經(jīng)典粘彈動力學(xué)方程的簡化形式。如果網(wǎng)格嚴重變形，光順網(wǎng)格的方法不足以提供高質(zhì)量的網(wǎng)格。在這種情況下，必須建立擁有不同網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)的新網(wǎng)格，在下一時間步，通過二階插值將求解變量插值到新網(wǎng)格節(jié)點上。

4、　　ANSYS軟件介紹　　ANSYS軟件提供了大量的非線性和線性網(wǎng)格單元，本構(gòu)關(guān)系覆蓋金屬到橡膠等大量物質(zhì)，是最全面的一套求解器。它可以處理復(fù)雜的特種裝配過程中具有高度非線性的有摩擦和無摩擦的接觸問題。ANSYS軟件具有矩陣耦合場(或多物理場)的分析功能，包括聲學(xué)、壓電、熱/結(jié)構(gòu)、熱/電的耦合分析。ANSYS多物理場分析綜合了直接(矩陣)和順序(載荷向量)的耦合方式，以組合需要精確可靠模擬的相應(yīng)的“物理場”，應(yīng)用范圍包括制冷系統(tǒng)，發(fā)電設(shè)備、一直到生物技和微機電系統(tǒng)(MEMS)。該軟件可以模擬復(fù)雜的熱-機械，流動-結(jié)構(gòu)，靜電-結(jié)構(gòu)干擾問題，包括ANSYS所有迭代的，直接和基

5、于特征值的矩陣求解器。　　氣彈FSI耦合　　作為氣動彈性耦合的例子，計算分析了AGARD機翼445.6。關(guān)于該機翼詳細的實驗資料，可參考AGARDreportR-765。該機翼展長0.76m，四分之一弦線后掠45度。機翼的總重1.8kg?！　GARD445.6機翼計算的幾何外形　　機翼固體計算域的離散使用了6300個網(wǎng)格點，流體計算域采用了300000個網(wǎng)格點。機翼材料為層狀木質(zhì)。參照AGARD報告中該模型的材料屬性，選擇楊氏模量E=0.25×109Pa，剪切模量G=0.412*109Pa，泊松比ν=0.31。材料屬性的各相異性沒有進一步詳細考慮。為了驗證選擇的材料屬性

6、的正確性，用ANSYS進行了模態(tài)分析?！　GARD機翼的前兩個模態(tài)(彎曲和扭轉(zhuǎn))　　作為第一步計算，先得到每個工況定常的CFD計算結(jié)果(非耦合的)，采用實驗數(shù)據(jù)確定馬赫數(shù)Ma，入口速度和密度。從該流動解出發(fā)，流動和結(jié)構(gòu)耦合計算在0.001S開始。在每一時間步，CFX發(fā)送作用力數(shù)據(jù)(壓力和粘性力)到ANSYS，ANSYS將界面位移傳回CFX。　　機翼以顫振頻率開始振動。圖中給出了計算和實驗得到的顫振頻率隨馬赫數(shù)變化曲線的比較。計算結(jié)果比試驗數(shù)據(jù)曲線稍低，但是該差別與實驗和計算得到的機翼模態(tài)頻率是一致的。當相對于第一扭轉(zhuǎn)頻率來計算顫振頻率時，該差別就幾乎消失了。將會使實驗和

7、計算結(jié)果更加一致。本文的計算結(jié)果與其它研究者計算結(jié)果也進行了比較。　　AGARD445.6機翼顫振頻率和顫振頻率比隨馬赫數(shù)的變化　　ANSYS和CFX耦合計算被用于不同的算例。本文所做的非定常氣動力和柔性耦合相結(jié)合用于計算AGARD445.6機翼顫振。計算結(jié)果與實驗相比較在很寬的馬赫數(shù)范圍內(nèi)都十分一致?！　”疚氖且粋€最基本的流固耦合算例，在顫振計算領(lǐng)域仍然需要進一步的驗證研究。在單場計算分析中常用的驗證計算質(zhì)量的方法將被考慮用于多物理場耦合計算的研究中來，比如時間步長和網(wǎng)格密度等參數(shù)的研究，這些研究將有助于更精確的判斷耦合計算