基于CFX和Workbench的數值仿真技術

李麗丹，李 聲

（中科院光電技術研究所，四川 成都 610209）

1 引 言

要確定一個飛行器的氣動特性，往往要在一個或多個風洞中進行各種模擬實驗，才能獲得接近實際飛行時的飛行器的氣動特性[1]。在風洞實驗中，需要改變模型的姿態。模型大多采用尾部支撐方式，以減小支架對模型的影響[2]。同時為了在一次試驗中測試各種角度的試驗數據，往往需要能夠連續調整姿態的機構以降低試驗成本。為滿足飛行器模型支撐機構的可靠性，還需要分析其工作時的強度和剛度。由于其工作于流場內，因此該文中利用CFX和Workbench對飛行器模型支撐機構進行流熱固耦合仿真分析。

CFX是目前處于世界領先地位的CFD軟件之一[3]，廣泛用于模擬各種流體流動、傳熱、燃燒和化學反應等問題[4]。Workbench是用Ansys求解實際問題的新一代產品[5]，它給Ansys的求解提供了強大的功能。這種環境為CAD系統和設計提供了全新的平臺，保證了最好的CAE結果[6]。

耦合分析包括單項耦合和雙項耦合。單項分析包括兩個或多個按一定順序排列的分析，每一種屬于某一物理場分析，通過將前一個分析的結果作為載荷施加到后一個分析的方式進行耦合。雙項耦合分析只包含一個分析，使用包含多場自由度的耦合單元。風洞中的風載荷和飛行器模型支撐機構之間的流固耦合分析中，支撐機構的變形很小，對流體流動情況產生的影響很小可以忽略，因此采用單向的耦合[7]。熱-應力分析也是間接問題，因為熱分析得到的溫度對結構分析的應變和應力有顯著的影響，但結構的響應對熱分析結果沒有很大的影響，因此也采用單向耦合。

2 利用ICEM和CFX進行外流場分析

2.1 利用ICEM劃分流場網格

ICEM能支持目前流行的CAD數據類型，具有強大的網格劃分和先進的網格編輯功能。由于模型較復雜，所以該文利用四面體加棱柱網格對其劃分。網格生成后，用戶可以通過Output選擇求解器并輸出文件。該文選擇的求解器是Ansys CFX，輸出文件格式默認為*.CFX5。

2.2 CFX-Pre前處理

在CFX-Pre中，設置流體類型為理想氣體（Air Ideal Gas），參考壓力為1個大氣壓，由于視氣體流速為超音速，所以Heat Transfer選為Total Energy，湍流模型選為k-Epsilon。

接下來施加邊界條件。所謂邊界條件，是指求解域的邊界上所求解的變量或其一階導數隨地點及時間變化的規律。流場的解法不同，對邊界條件和初始條件的處理方式也不一樣。該文飛行器支撐機構風洞模擬采用穩態求解，邊界條件如下：（1）入口：入口速度600 m/s，方向垂直與所在面，溫度恒為20℃，湍流強度設為中等。（2）出口：超音速。（3）固體表面：氣流與模型接觸面設為固體表面，絕熱。該面對速度、壓力使用無滑移邊界條件。（4）風洞墻面：該面對速度、壓力使用滑移邊界條件，絕熱。

2.3 CFX-Solver求解

求解之前，設置時間步長為Auto Timescale，收斂精度為e-5。求解殘差收斂曲線如圖1所示。

圖1 殘差收斂曲線

2.4 CFX-Post后處理

CFX提供了豐富的后處理選項，通過后處理可以直觀地顯示出流場計算結果，圖2、圖3、圖4分別顯示的是固體表面溫度、壓力與流場馬赫數。

3 Workbench熱結構耦合分析

熱結構耦合采用單項耦合，由溫度求解得到的節點溫度將在結構分析中用作體載荷。在Workbench中只使用固體模型分析。由于實際主支板有一部分處于流場之外，所以先在DM中對模型在其與流場交接處用Slice將其分割，再Form a New Part，以便對其施加CFX結果載荷。還有一點很重要，就是DM中模型坐標方向要與CFX中一致，以確保Workbench能正確地從CFX中讀取結果。

熱結構分析步驟為：穩態熱分析——溫度場映射到結構模型上——結構分析。

在DM中建立好模型之后即可轉入DS分析。飛行器模型支撐結構材料為30CrMnSi優質合金鋼。首先進行穩態溫度場分析，對模型表面加載CFX溫度結果，通過“Insert/CFX Temperature”，在“Geometry”中選擇所有與流場接觸的固體表面，然后在“CFX”中Import CFX Result File。處于流場外的主支板部分表面溫度設為22℃。最后在結果中選取“Temperature”，進行求解。

其次，進行結構靜力分析，在菜單欄“New Analysis”中 選 擇 “Static Structural”。 通 過“Insert/Thermal Condition”，在“Condition”中選擇“Non Uniform Condition”讀入溫度場結果，并通過“Insert/CFX Pressure”對模型加載CFX壓力載荷，在“Geometry”中選擇所有與流場接觸的固體表面，然后在“CFX”中Import CFX Result File。同時固定主支板底面。最后在結果中選擇應力和變形，進行求解。求解結果如圖5和圖6所示。

4 結束語

圖2 固體表面溫度

圖3 固體表面壓力

圖4 固體周圍流場馬赫數

利用Ansys CFX和Workbench軟件，研究了超音速風洞中飛行器模型支撐機構的強度和剛度。首先在CFX中進行外流場分析，再將得到的固體表面溫度和壓力導入Workbench中進行分析，從而實現了流熱固耦合仿真分析。從分析結果可以看到，最大應力為267.4MPa，小于材料的極限應力。主支板的變形也符合設計要求。該方法可以大大提高數值仿真效率，對CAE工程分析人員具有很大的借鑒意義，同時也給CAD設計人員對局部大應力部分結構的優化改進提供了指導。

圖5 模型支撐機構應力圖

圖6 主支板變形

[1] 范潔川.世界風洞[M].北京：航天工業出版社，1992.

[2]董培濤，吳學忠.一種三自由度模型姿態調整機構的正反解分析[J].國防科技大學學報，2004，26（2）：84-88.

[3] Patankar S V，Spalding D B.A calculation procedure for heat，mass，and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows[J].International Journal of Heat and Transfer，1972（15）：1787-1806.

[4]王福軍.計算流體力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[5]Moaveni S.有限元分析——Ansys理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[6] 李 兵，陳雪峰.Anays Workbench設計、仿真與優化[M].北京：清華大學出版社，2004.

[7] 婁 淘.基于Ansys的流固耦合問題數值模擬[D].蘭州：蘭州大學，2008.