CFX的应用案例
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摘要:1. 航空   CFX模拟美国F22战斗机的结果,计算状态为马赫数Ma=0.9,攻角=5。图中显示的是对称面上的马赫数分布。计算共采用了260万个网格单元。由于CFX具有强大的并行功能,软件自动将网格分为若干部分,分配到网络上的各个处理器计算,这使得大规模CFD问题的计算能..

关键词:CFX 应用 案例
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1. 航空

  CFX模拟美国F22战斗机的结果,计算状态为马赫数Ma=0.9,攻角=5。图中显示的是对称面上的马赫数分布。计算共采用了260万个网格单元。由于CFX具有强大的并行功能,软件自动将网格分为若干部分,分配到网络上的各个处理器计算,这使得大规模CFD问题的计算能够在短时间内得到结果。CFX模拟的升力、阻力及力矩系数都与实验值吻合的很好。

  某飞机多段翼周围的压力分布,CFX的最新网格技术包括:根据曲面曲率的大小自动加密网格;在附面层附近生成很薄的附面层网格;自适应网格能更有效得捕捉到激波。

  2003年AIAA第二届阻力预测研讨会上CFX计算的DLR-F6客机,设计点为马赫数为0.75,雷诺数为3E6,风洞试验是1993到1996年在ONERA S2MA压力风洞中进行的。模型用支架安装在跨音速段,马赫数变化范围为0.6到0.8。CFX5计算的升力和阻力最大误差与试验相比在没有短舱时为3.2%,有短舱时是5.5%。

  采用DES模型模拟的战斗机做高机动飞行时的翼面附近的气流旋涡分布。CFX中的DES模型在旋涡强烈的区域用LES模拟,在其它区域用雷诺平均法模拟,大大降低了大涡模拟所需的计算资源。

  采用CFX中先进的转捩模型(transient)模拟的直升机表面摩擦阻力系数。与一般的湍流模型相比,转捩模型模拟的阻力更为精确,尤其是在机头和后立尾的层流区域,转捩模型能明显地区分出层流区和湍流区。

  利用ANSYS 和CFX耦合计算的机翼颤振。ANSYS 和CFX最新开发的双向流固耦合模块是解决这类气弹颤振问题的最优秀工具。

  这是CFX对美国J-31型涡轮喷气发动机的整机模拟。包括进气道、压缩机、燃烧室、尾喷管四个部分。单独拿出这四个部分中的任何一个,都是一个很复杂的CFD问题。而CFX同时将这四个部分合起来进行模拟,在CFD应用领域尚属首次。计算中采用了CFX的动-静界面干涉模型和FlameFront燃烧模型。J-31型涡轮喷气发动机的研究人员认为,CFX是一个功能强大、模型丰富、稳健可靠的CFD软件。

  2. 航天

  利用ANSYS CFX进行钝头体进行高超音速气动模拟。钝头前端气动加热结果试验与计算差别在9%以内。

  CFX模拟的超高音速进气道内外流场,来流马赫数为20,图示为进气道内外侧的马赫数分布。

  CFX计算的某导弹周围的马赫数分布,计算状态为马赫数2.5,攻角14度。217万网格单元在100步迭代已经收敛,用时6.5小时。计算值和试验值吻合的很好。

  CFX计算的航天飞机外流场,图中显示的是CFX采用网格分布,全部的六面体网格单元由ICEM CFD生成。

  3. 汽车

  CFX为日本汽车工业协会JAA (Japan Automobile Association)模拟的某汽车外流场,图中显示了对称面、地面和车身表面的压力分布。1997年在东京召开的JAA CFD会议上,CFX现场演示了此计算结果,在日本汽车界引起了轰动,并引发了汽车工业采用CFD技术进行新车研发的高潮。JAA人员认为,采用CFD模拟,可以有效地减少风洞实验次数、节省经费、加快新车的研发过程。

  CFX模拟的F1方程式赛车的外流场,图中显示的是对称面和地面的压力分布。用ICEM生成的混合网格,共400万个单元。ICEM强大的网格功能大大缩短了前期建模的时间,并且能提供高质量复杂网格。计算考虑了车轮的转动,以及地面的运动。采用了CFX的并行功能。

  CFX模拟的汽车空调系统,36个风扇叶片周围的压力分布。通过CFX的模拟,能帮助汽车工程师提高空调的效率,降低汽车空调噪音,改善空调气流的品质,从而在整体上提高汽车的舒适程度。

  CFX计算的汽车前端散热分析。CFX强大的网格处理功能对复杂外形的流道能快速给出高质量的网格,而高效的收敛性能能在短时间内给出精确的计算结果。对优化散热效果有很大的帮助。

  CFX模拟的汽车发动机内部的燃烧流场,CFX中的动网格技术能灵活处理进气阀门的移动,燃烧模型能模拟出发动机内部的压力及温度场。

  汽车刹车盘的热分析,LucasVarity汽车公司是专门生产刹车盘的汽车厂家,为了散热效率,他们采用CFX分析,优化肋片的高度和长度,快速设计出到最优性能的刹车盘。

  4. 船舶

  CFX计算的船舶阻力问题。 试验模型的行进速度为2.064 [m/s] 或 4.03[knots],整船的计算阻力为43.9 [N],而实验结果为44.3[N]。误差几乎为1%,计算采用了CFX的自由液面模型,并用自适应网格技术来加密自由液面的网格,从而更精确地捕捉到自由液面。

  美国海军对某舰艇在受到生化武器攻击时危险性评估,图示为生化武器在舰艇上爆炸后的烟雾浓度等值面,能有效反映出舰艇上各个部位的安全性指标。

  德国的SVA (Schiffbau-Versuchanstalt Potsdam GmbH)采用CFX模拟的船后螺旋桨转动对船体的影响。计算采用瞬态rotor-stator模型,模拟显示了瞬态的压力脉动对船体和舵都有很大影响,并且压力脉动也是噪音的根源。SVA研究人员认为,和通常的稳态计算相比,此次瞬态模拟的结果更精确,也更加加深了他们对螺旋桨周围流动现象的理解。

  NSWCDD (Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division)是美国海军最大的研究实验室。上图是NSWCDD用CFX模拟的某型号潜艇在水下的运动。图中显示的是潜艇转弯时周围的流线。

  NSWCDD研究人员通过使用CFX,能更快地设计出在阻力、机动性等方面都有很大提高的潜艇。

  空泡数条件下,计算结果和试验解都吻合很好,能有效帮助设计出更好性能的螺旋桨。

  5. 能源工业

  CFX模拟的500 Mw电站煤粉锅炉炉内燃烧。该锅炉安装了48个旋流稳燃低Nox燃烧器,考虑了平板过热器的影响,结果显示了在燃烧器喷流交叉形成的高温、高氧区,Nox生成速率大。模拟了三种不同的英国煤在不同过量空气系数的工况下燃烧,其中Nox浓度和炉膛出口处的未燃碳与测量值的误差分别在15%和3%以内。此项目得到了英国贸易和工业部的支持。

  上图显示的是管壳换热器的流线及温度分布。CFX强大的全隐式耦合算法允许其同时考虑管外流体、管内流体、以及管壁部分的耦合传热。通过CFX的模拟,能得到换热器内局部过热的具体位置,为进一步改造提供了丰富的信息。

  Babcock & Wilcox公司采用CFX模拟的烟气脱硫塔内部的流动和反应,他们以前采用的模型试验需要花费8周时间,大约8万美金,在改用CFX模拟后,能在2周的时间内得到大量详细的对设计有用的信息,费用也降低到1万美金,节约了77%的投资。

  德国西门子公司在CFX的帮助下,设计出世界上效率最高的汽轮机,总效率达48.5%,该机组目前安装在德国BOXBERG的VEAG电厂。

  IRD燃料电池公司采用CFX模拟的燃料电池中氧浓度的分布。他们选用CFX的目的是因为CFX丰富的物理模型和灵活的用户子程序接口,IRD的工程师利用用户子程序开发了专门的电化学反应模型,通过催化层的电化学反应速率模拟当地的电流密度。该模型为更好地利用催化层提供了有用的信息,例如能得到不同变量的梯度,而通过实验是很难得到这些信息的。

  北美的EMP公司采用CFX模拟的常规涡壳水泵。BMP的工程师说,CFX的通用网格界面(GGI)模型使得他们能够用更短的时间,轻松完成涡壳和叶片的网格划分,而所得到的结果包括水泵内每一点的速度和压力,这是实验测量所无法完成的。他们通过CFX模拟,分析水泵内的分离区和回流区产生的原因并加以改进,提高了水泵的效率。

  法国电力公司(EDF)是世界上水电设备的主要制造商之一,图中显示的是EDF为莱茵河上的KEMBS水电站设计的Kaplan 水轮机。通过CFX模拟,EDF的设计人员发现,他们可以在不增加整机压力损失的前提下,有余力提高水轮机的流量。采用CFX后,EDF大大缩短了设计水电设备的时间。目前,CFX已经成为EDF进行设计分析的必需工具。

  英国ALSTOM公司采用CFX模拟的叶片内部冷却通道。采用ICEM生成了计算网格,考虑了流体和固体之间的耦合传热(CHT)。ICEM的高质量网格和CFX稳健的全隐式耦合多网格算法,使得这种复杂的流动和导热耦合问题得以成功模拟。

  6. 石油化工

  澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)利用CFX模拟的流化床内气泡的形成和发展过程。由于和许多工业和大型研究项目的广泛合作,CFX的多相流模型一直处于仿真技术的前列。这些模型可以模拟任何扩散和连续流动的组合,包括液体、固体、气体和化学物质。

  DOW化学公司采用CFX模拟废热回收装置内的温度变化过程,并准确预报了管内介质的出口温度。通过模拟,找出了原始设计的弊端在于换热面积过小,导致各管间温度相差较大。改进后的回收炉重新布置了管程的排列形式,提高了回收效率。DOW的设计人员认为,他们选择CFX的原因是因为其耦合传热功能和灵活的用户扩展性。

  Eastman化学公司在某化工设备中加入防腐添加剂后,用CFX模拟出添加剂的浓度分布。计算采用了CFX的网格自适应技术,以更好的捕捉添加剂的浓度变化。Eastman改变添加剂的投放位置,用CFX模拟来优化添加剂浓度分布,以达到最好的防腐效果。此项目缩短了Eastman的新设备设计周期,为其带来大约200万美元的附加收益。

  三菱化工采用CFX分析的搅拌反应器中的气液固三相流,搅拌器的上两层为直叶片,下面一层为弯曲叶片。三菱公司在CFX的分析下,得到了各层浆叶对流场的相互影响。图中所示为浆叶转速在每分钟100时搅拌器中气液固三相的体积分数分布。

  7. 建筑工业

  英国一家建筑工程服务咨询公司BDSP用 CFX模拟的伦敦街区一角的外部风场,图中显示了建筑物表面的压力分布。BDSP的人员称,采用CFX模拟建筑物的风载,可以为建筑的强度设计提供有效的压力数据,同时针对建筑物的具体特点,设计更灵活的通风系统。BDSP设计人员还借助CFX的模拟图片向客户解释一些复杂的问题。

  CFX模拟的某帐篷式大型体育场的内部通风问题。图中显示的是体育场表面的网格划分。CFX可以帮助设计师在设计初期就得到体育场内的详细流场信息,从而及时发现可能存在的通风隐患,修改通风设计方案,加快设计周期,提高设计质量。

  瑞士公用事业公司利用CFX模拟的Crosin山区的风场,用于改进风力发电厂的输出电力。由于风力发电机的输出电力是风速的三次方函数关系式,因此将风力发电机安装在风速最大的迎风坡面上,会大大提高风力发电厂的输出电力。有关人员采用CFX模拟得到山区周围的风场细节,不仅减少了许多繁重的风场测量工作,更能有效地节省设计时间。

  8. 火灾通风

  ICF Kaiser Engineers公司是一家历史悠久的交通工业企业,被公认为是地铁通风领域的技术创新者,也是首家利用CFD技术模拟地铁火灾及通风的企业。在对几个主要CFD软件的试用之后,ICF 最终选择了CFX作为其模拟地铁火灾通风的分析工具。ICF的工程师认为,CFX的稳健性和灵活性更能满足他们的要求。图中显示为ICF模拟的某地铁站着火后的温度和速度分布。

  CFX模拟的格林威治千年圆顶屋的火灾与通风。考虑了包括太阳、展览物、照明设备以及入口产生的热源,并且考虑了季节不同带来的差异。通过CFX的模拟,设计人员改善了通风条件,在保证安全的基础上,最大限度地提高了室内通风的气流品质,增加了游客在圆顶屋内的舒适度。

  CFX模拟的直径为20米的油池燃烧后的池火现象。采用了基于浮力修正的湍流模型,CFX成功克服了池火现象中层流和湍流并存而给模拟带来的困难。模拟出的池火特征和Cetegen-Ahmed关系式吻合良好。

  9. 空调制冷

  美国特灵(Trane)公司利用CFX模拟的空调离心压缩机。通过瞬态流场分析,找到了流动和结构振动之间的关系,指导设计人员设计出更小噪音的压缩机。

  CFX对汽车车内空调的模拟,能快速分析出空调安装位置及功率对车内的冷却效果,包括车内各处的风速和温度场分布。借助于CFX,设计师能改善空调气流的品质,整体上提高汽车的舒适度。

  空调室内贯流风机的模拟,模拟结过显示,不同流量下的压降和试验值都吻合得很好。设计人员表示,CFX对设计高效率的贯流风机有很大帮助

  10. 冶金工业

  CFX模拟的钢水铸造过程,图中显示的是铸造模具内的流线及表面温度分布。CFX丰富的物理模型中包括了凝固模型,该模型考虑了瞬态的潜热变化、凝固过程中熔融区的阻力以及相变过程中的湍流衰减。

  CFX模拟的连续加热炉,该炉采用直接加热方式,侧墙共布置12个烧嘴(钢带上面8个,下面4个)。通过CFX模拟可得出加热炉的总效率,钢带离开加热炉时横断面上的温度分布,以及从钢带表面的温度过热点。从图中温度分布可以看出,钢带有一角的温度过高,这会影响钢产品的质量。

  HTA钢铁公司用CFX模拟来优化铸造炉内烧嘴的类型和位置。采用瞬态计算来发现流动的不稳定性,同时考虑了烧嘴内的流动和融池内的流动。CFX很好地模拟出了融池内因浮力驱动产生的二次流现象,以及诸如回流区、涡、表面波的发展、温度分布的不均匀性等设计缺陷。通过优化烧嘴类型和位置来克服这些缺陷,取得了明显的效果。

  11. 电子散热

  CFX模拟的机箱内部的散热情况,CFX中的共扼传热模块对分析这类问题有明显的优势,对风扇来讲,CFX不用用户给出近似模型,而是直接对散热风扇进行详细模拟,这是保证整个模拟结果精确的重要环节。

  CFX对小型电钻的散热模拟,电机转速高达每分钟19000转,电机轴产生大量的热,需要充足的通风量保证散热效果。CFX可以预测出风扇以及通风口设置对散热效果的影响程度,从而对设计进行优化,给出最佳的设计方案。

  CFX模拟的轴向自通风方式的电机冷却,综合考虑了转子和定子的铁耗,交流线圈和励磁线圈的铜耗,以及机械损耗和杂项损耗。模拟的出口空气温度和实际值相差很小。对设计有很大的指导作用。

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