在航空中ansys cfx流固耦合模擬的應(yīng)用

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1、在航空中ANSYSCFX流固耦合模擬的應(yīng)用如今計(jì)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(dòng)的可靠工具，其所面臨的新挑戰(zhàn)是對(duì)于涉及不同物理現(xiàn)象的多物理場(chǎng)的模擬。一個(gè)重要的例子是流動(dòng)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(gè)典型的例子是機(jī)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(gè)軟件包ANSYS和CFX被用于結(jié)構(gòu)和流動(dòng)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(jì)算固體結(jié)構(gòu)和非固體結(jié)構(gòu)(例如，靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)、聲學(xué))。CFX是通用的CFD代碼，以高魯棒性和高精

2、度的流動(dòng)數(shù)值算法、高級(jí)湍流模式和多種復(fù)雜物理模型而著稱。　　ANSYSCFX軟件介紹　　在CFX中，NS方程組采用守恒形式的有限體積法來(lái)離散，時(shí)間采用隱格式，可以計(jì)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(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)周圍構(gòu)造控制體，通量通過(guò)位于兩個(gè)控制體界面上的結(jié)合點(diǎn)來(lái)計(jì)算。離散方程采用有界的高精度對(duì)流格式來(lái)求解。通過(guò)Rhie和Chow的算法來(lái)計(jì)算質(zhì)量流量，以保證壓力速度耦合?！　‰x散方程組通過(guò)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(jì)算的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加而線性增加。定常計(jì)算采用時(shí)間迭代法，直到達(dá)到用戶指定的收斂標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于非定常計(jì)

3、算，迭代程序在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)更新非線性系數(shù)，而時(shí)間步由外層循環(huán)來(lái)推進(jìn)。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(dòng)。因此，離散方程必須被拓展以允許網(wǎng)格移動(dòng)和網(wǎng)格變形。這種拓展通過(guò)空間守恒律來(lái)實(shí)現(xiàn)?！　”诿婢W(wǎng)格節(jié)點(diǎn)界面的移動(dòng)需要重新計(jì)算求解域內(nèi)部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置，可以通過(guò)求解描述網(wǎng)格變形的拉普拉斯方程來(lái)實(shí)現(xiàn)，這類似于網(wǎng)格光順?biāo)龅牟僮鳌Ｋ敲枋鰟?dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典粘彈動(dòng)力學(xué)方程的簡(jiǎn)化形式。如果網(wǎng)格嚴(yán)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新網(wǎng)格，在下一時(shí)間步，通過(guò)二階插值將求解變量插值到新網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上?！　NSYS軟件介紹　　ANSYS軟件提

4、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(guò)程中具有高度非線性的有摩擦和無(wú)摩擦的接觸問(wèn)題。ANSYS軟件具有矩陣耦合場(chǎng)(或多物理場(chǎng))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(chǎng)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(chǎng)”，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(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。該軟件可以模擬復(fù)雜的熱-機(jī)械，流動(dòng)-結(jié)構(gòu)，靜電-結(jié)構(gòu)干擾問(wèn)題，包括ANSYS所有迭代的，直接和基于特征值的矩陣求解器?！　鈴桭SI耦合　　作為氣動(dòng)彈性

5、耦合的例子，計(jì)算分析了AGARD機(jī)翼445.6。關(guān)于該機(jī)翼詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)資料，可參考AGARDreportR-765。該機(jī)翼展長(zhǎng)0.76m，四分之一弦線后掠45度。機(jī)翼的總重1.8kg。　　AGARD445.6機(jī)翼計(jì)算的幾何外形　　機(jī)翼固體計(jì)算域的離散使用了6300個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，流體計(jì)算域采用了300000個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。機(jī)翼材料為層狀木質(zhì)。參照AGARD報(bào)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(méi)有進(jìn)一步詳細(xì)考慮。為了驗(yàn)證選擇的材料屬性的正確性，用ANSYS進(jìn)行了模態(tài)分析?！　GARD機(jī)翼的前兩個(gè)模態(tài)(

6、彎曲和扭轉(zhuǎn))　　作為第一步計(jì)算，先得到每個(gè)工況定常的CFD計(jì)算結(jié)果(非耦合的)，采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定馬赫數(shù)Ma，入口速度和密度。從該流動(dòng)解出發(fā)，流動(dòng)和結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算在0.001S開(kāi)始。在每一時(shí)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?！　C(jī)翼以顫振頻率開(kāi)始振動(dòng)。圖中給出了計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得到的顫振頻率隨馬赫數(shù)變化曲線的比較。計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線稍低，但是該差別與實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得到的機(jī)翼模態(tài)頻率是一致的。當(dāng)相對(duì)于第一扭轉(zhuǎn)頻率來(lái)計(jì)算顫振頻率時(shí)，該差別就幾乎消失了。將會(huì)使實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果更加一致。本文的計(jì)算結(jié)果與其它研究者計(jì)算結(jié)果也進(jìn)行了比較?！　GARD44

7、5.6機(jī)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(jì)算被用于不同的算例。本文所做的非定常氣動(dòng)力和柔性耦合相結(jié)合用于計(jì)算AGARD445.6機(jī)翼顫振。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相比較在很寬的馬赫數(shù)范圍內(nèi)都十分一致?！　”疚氖且粋€(gè)最基本的流固耦合算例，在顫振計(jì)算領(lǐng)域仍然需要進(jìn)一步的驗(yàn)證研究。在單場(chǎng)計(jì)算分析中常用的驗(yàn)證計(jì)算質(zhì)量的方法將被考慮用于多物理場(chǎng)耦合計(jì)算的研究中來(lái)，比如時(shí)間步長(zhǎng)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(jì)算