作者：胡坤 顾中浩 马海峰
出版社：人民邮电出版社
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CAE分析大系——ANSYS CFD疑难问题实例详解试读：
前言
及封面的二维码可获取相关资源。前言ANSYS中包含了流体求解计算的完整方案，这其中包括了计算前处理器（ICEM CFD与TGrid）、计算求解器（CFX与FLUENT）、计算后处理（CFD-POST）。这些软件模块可以作为独立的模块运行，也可以通过ANSYS Workbench关联到一起形成完整的计算求解方案，多种形式的选择方案无疑给用户提供了最大的灵活性。
这些软件模块，无论是前处理器ICEM CFD还是计算求解器CFX与FLUENT，都是流体仿真业界非常成熟的通用软件。相对于专业软件来讲，它们功能强大，能适应非常复杂的场合，然而强大的功能也意味着掌握并熟练应用它们需要较长的学习周期，这对于当今社会产品研发周期越来越短的现状来讲，无疑是一件极为不利的事情。
作为一款成熟的商用软件，ANSYS提供了完善的随机文档，无论是ICEM CFD，还是FLUENT，抑或是作为后处理器的CFD-POST，用户均可以在软件的随机文档中找到软件的使用细节描述。然而，对于非英语国家的用户来讲，面对长达几千页的英文文档，想要快速地找到问题的处理方案也是一件较为麻烦的事情。在此背景下，关于ANSYS CFD的学习资料层出不穷。这些资料的出现，一方面极大地方便了各类零基础读者的快速入门，另一方面也为软件的推广立下了汗马功劳。
ANSYS CFD使用者在工作过程中要频繁地与软件打交道，努力提高软件的使用熟练程度，有利于提高工作效率。当前市面上关于ANSYS CFD的学习资料大致可分为两类：一类以“Step by Step”的方式讲述软件功能及使用方法；另一类则偏重于CFD理论的讲解，辅以软件操作。虽然说这两类资料对于CFD使用者来说都是必不可少的，但是笔者个人认为，除了这两类资料外，还应该有一种软件提高类资料，这类资料应该是对第一类资料的补充和加强。笔者从周围CFD工作者的学习历程中发现，很多人已经熟悉了软件的操作界面、操作流程，但是碰到新的工程问题时仍然一筹莫展，存在新的几何模型难以生成高质量的网格、新的物理现象无法抽象为计算模型、计算结果不会解读等问题，因此迫切需要在现有资料的基础上，提供一类帮助他们进一步提高应用技能的资料。
本书特色
入门型图书应当给读者指明前进的方向，理论型图书则应当给读者提供前进的动力，而本书则旨在告诉读者前进路上的坑洼坎坷，以及跨越或避开这些坑洼坎坷的基本方法和技巧。因此本书与前两类资料的不同之处在于：（1）本书不再假定读者毫无CFD应用基础。阅读本书之前，请提前阅读有关CFD应用的入门类教程，或者参阅本书姐妹篇《CAE分析大系——ANSYS ICEM CFD工程实例详解》。（2）本书不会纠缠于CFD基本理论或行业背景理论，因为关于此类理论已有大量教材可供选用，其中不乏优秀作品。在使用CFD的道路上，读者应当始终将提高自己的理论背景作为头等要事。（3）本书以ANSYS CFD软件应用过程中可能会遇到的典型问题作为讨论对象。由于不同读者群工程背景的差异，因此在工作中所能碰到的问题存在较大的差异。本书不以特定CFD用户群为对象，而是从软件使用过程中可能会遇到的问题出发，力求成为一部CFD软件使用过程中的工具书。在软件使用过程中遇到疑难问题，可迅速通过本书内容得到解决。同时本书提供大量ANSYS CFD软件使用过程中的操作技巧，可帮助读者提高工作效率。
主要内容
本书所讲述的软件操作界面基于ANSYS 17.0版本。虽说本书中探讨的问题与软件的版本并无太大关联，但是明确指定软件的版本有利于问题的提出。另外，由于版本的不一致，软件操作界面也存在些许差异。
本书内容主要分为ANSYS ICEM CFD及ANSYS FLUENT两大部分，其中ICEM CFD部分主要包括ICEM CFD基础、几何处理、网格基础、分块网格基础以及非结构网格；FLUENT部分则包含了FLUENT基础、流动问题计算、传热计算、运动部件建模、多相流计算、反应流计算、耦合问题计算等。
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限于时间和作者的能力，书中难免有疏漏之处，恳请读者批评指正。胡坤2017年4月30日第一篇 ICEM CFD常见问题解答
第1章 ICEM CFD基础
第2章 几何处理
第3章 网格基础
第4章 分块网格基础
第5章 非结构网格第1章 ICEM CFD基础
使用ANSYS系列CFD软件的读者可能对ICEM CFD都不会陌生，它是一款前处理软件，特别适合于生成CFD计算网格，尤其是ANSYS CFD系列软件，如CFX及FLUENT等。作为一款前处理软件，ICEM CFD在几何操作、网格生成方面具有独特的优势。ICEM CFD功能强大，这同时还也给使用者带来了使用上的困难。本章将以实例的方式剖析ICEM CFD使用过程中可能会存在的一些问题，并在后续各章中对这些问题进行解答。【Q1】 ICEM CFD的基本使用流程
ICEM CFD是一款前处理软件，其基本任务是为CAE求解器提供计算网格文件。ICEM CFD网络生成流程如图1-1所示。图1-1 ICEM CFD网格生成流程【Q2】 ICEM CFD的功能
ICEM CFD是一款用于数值计算前处理的软件，具备前处理软件所有应具备的如下几项功能。
1. 几何兼容性
作为一款前处理软件，ICEM CFD的输入文件通常为几何模型。ICEM CFD除可以输入ANSYS系列几何文件（如SpaceClaim、Design Modeler、Bladegen等）外，还兼容当前几乎所有的通用几何格式（如Parasolid、IGES、STEP等），同时还支持当前主流CAD软件（如SolidWorks、Catia、Creo、Solid Edge等），如图1-2所示。图1-2 几何模型
除此之外，ICEM CFD还支持导入刻面数据、点云数据，具有极强的几何兼容性，如图1-3所示。图1-3 导入其他类型几何
2. 几何创建功能
ICEM CFD具有较强的几何创建功能，对于仿真计算的绝大多数几何模型都可以通过ICEM CFD进行创建。其建模方式包括以下两种。
● 由点→线→面逐层构建的方式。
● 由基本几何组合，编辑曲面的方式。
几何创建功能位于Geometry标签页下。
3. 几何编辑功能
ICEM CFD的几何编辑功能同几何创建功能位于相同的功能按钮内。其几何编辑功能包括点编辑、线编辑和面编辑，同时还具备几何体变换功能。
为辅助几何编辑，ICEM CFD还提供了Part方式组织几何。
4. 网格生成功能
ICEM CFD的网格生成功能比较全面，支持绝大多数种类的网格，如四面体、五面体、六面体、棱柱网格、三角形、四边形、笛卡儿网格等。
ICEM CFD提供以下两类网格生成方式。
● Block网格生成。采用构建Block的方式生成六面体或四边形网格。
● 非结构网格生成。常用的网格生成方法包括八叉树法、阵面推进法、Delaunay等，同时还包括CFD边界层计算所需的棱柱网格。
除了网格生成外，ICEM CFD还提供了众多的网格编辑功能。
5. 网格输出功能
ICEM CFD支持超过100种数值计算求解器（输出求解器），如图1-4所示。图1-4 输出求解器
6. 结构计算前处理
ICEM CFD还支持结构计算前处理，包括网格属性设置、材料本构设置、边界约束设置、载荷设置、接触设置等。这些功能分布在Properties、Constraints、Load、FEA Solver Options标签页下。【Q3】 ICEM CFD软件的类型
ICEM CFD是一款计算前处理软件，主要用于数值计算过程中的网格生成。ICEM CFD具备良好的几何接口，可以很容易地导入由其他专业CAD软件（如CATIA、UG、PRO/E、Solidworks等）生成的计算模型，同时支持绝大多数中间几何文件格式（如IGS、STP、ParaSolid等）。除此之外，ICEM CFD还具备一定的几何建模功能。
ICEM CFD具备强大的几何操作功能，对于工程上复杂的几何模型，若在导入后存在几何缺陷，ICEM CFD具备众多功能可以对几何缺陷进行修复。这些功能包括常见的几何点、线、面的创建，几何孔洞的去除，面分割与合并，面偏移等。
在网格生成方面，ICEM CFD具备强大的分块六面体生成功能，拥有灵活的分块方式，支持自顶向下的块切割方式，同时还支持自底向上的2D→3D块生成方式，这对于复杂几何的分块无疑是非常有用的。
除了分块六面体网格生成方式，ICEM CFD同时还具备强大的非结构网格生成功能，支持四面体、三角形、笛卡儿网格等网格形式。对于常用的四面体网格，ICEM CFD提供了Octree、Delaunay、Advancing Front三种网格生成算法，能够满足绝大多数工程数值网格生成的需求。
作为一款前处理软件，ICEM CFD不仅可以为流体计算求解器（如FLUENT、CFX等）输出计算网格文件，同时还支持为一些结构计算求解器（如ANSYS、Abaqus、Adina、Nastran等）输出计算网格。ICEM CFD支持100多种不同的计算求解器。
ICEM CFD可作为单独的软件运行，在ANSYS 14.5之后的版本中，ICEM CFD还可作为ANSYS Workbench中的一个模块运行。说明：ICEM CFD的早期版本（13.0以前的版本）除了支持网格生成功能外，还包括计算后处理功能，同时还拥有一款名为Cart3D的流体计算求解器。【Q4】 ICEM CFD工作路径设置
ICEM CFD在工作过程中会生成较多的临时文件，这些文件会存储在工作路径中。用户可以自行设置ICEM CFD的工作路径。若用户没有对工作路径进行任何设置，ICEM CFD会使用默认工作路径，默认路径通常为c:\users\计算机名。在工程应用中，若ICEM CFD生成的网格数量较多，则临时文件可能会占用较多的硬盘空间，为了不使这些文件占据C盘空间，常常需要对ICEM CFD的工作路径进行设置。通常可以采用如下两种方式指定ICEM CFD的工作路径。
方法1：临时设置法
此方法为一次性设置法，下次启动ICEM CFD后仍然采用默认工作路径。
● 依次单击菜单【File】>【Change Working Dir…】，弹出图1-5所示的文件路径设置对话框，选择需要设置的工作路径，单击确定按钮即可。
方法2：一劳永逸法
如果每次都要进行设置，势必会觉得比较麻烦，其实可以采用如下步骤来永久地设置ICEM CFD的工作路径。
● 鼠标右键单击ICEM CFD快捷方式，选择菜单【属性】，在弹出对话框中的“起始位置”文本框中输入工作路径，单击确定按钮确认操作，如图1-6所示。图1-5 文件路径设置对话框图1-6 设置ICEM CFD属性
如此设置完毕后，之后每次启动ICEM CFD均会将起始位置的路径作为其工作路径。此可谓一劳永逸的解决办法。小技巧：（1）可以在图1-6所示对话框的“快捷键”设置项中设置ICEM CFD启动快捷键。（2）临时设置法具有较高的优先级。也就是说，如果在快捷方式属性中设置了ICEM CFD的工作路径，同时又在软件中设置了工作路径，则以软件中设置的工作路径为准。【Q5】 设置ICEM CFD的背景颜色
默认情况下，ICEM CFD图形窗口背景颜色为上蓝下白的渐进色，而在撰写计算报告时，常常需要抓取白底图片，因此需要将ICEM CFD的图形背景颜色设置为白色。背景颜色的设置方法如下。
● 依次单击菜单【Settings】>【Background Style】，弹出的操作窗口如图1-7所示，设置Background Style为Solid，并设置Background Color及Background Color2均为白色，然后单击Apply按钮即可将背景颜色设置为单白色。图1-7 操作窗口【Q6】 ICEM CFD多核并行处理设置
设置多核并行处理可以在一定程度上加快处理速度。可以在ICEM CFD将进行网格生成及光顺过程中，设置处理器数量。
● 依次单击菜单【Settings】>【General】，在弹出的操作窗口中，设置选项Number of Processors为CPU数量。（该选项默认设置为1，用户可以设置为0~256的任何值），若设置为0，则自动设置为可用的最大CPU数量，如图1-8所示。图1-8 基本设置小技巧：多核并行在网格生成过程中感觉不出来有什么效果，不过在网格光顺过程中有较大的性能提升。个人认为这是由数值算法所决定的。【Q7】 ICEM CFD中的几何单位设置
对复杂的工程几何模型语言，通常采用专业的CAD软件进行建模，然后通过几何导入的方式读入ICEM CFD。由于几何模型文件携带了单位信息，因此大多数情况下不需要考虑单位的问题。但是，如果用户一定要设置几何单位的话（比如说利用ICEM CFD自身的几何建模功能创建几何），可以采用如下方式进行设置。
● 依次单击菜单【Settings】>【Model/Units】，将弹出一个操作窗口用户只需在Length Units下选择合适的单位，然后单击Apply按钮即可，如图1-9所示。图1-9 单位设置
ICEM CFD默认采用Unitless，即无单位设置。如用户设置了单位，则设置的单位信息会被写入Tin文件中。提示：一般情况下不需要进行单位设置，直接采用默认Unitless即可。【Q8】 鼠标中键的替代方案
在ICEM CFD中通常利用鼠标中键进行确认操作，但是对于只有两个按键的笔记本触摸板该怎么办呢？其实是有办法的。ICEM CFD拥有众多的快捷键可以替代这一操作，其中替代鼠标中键的快捷键为“]”键。提示：在使用快捷键时，确保使用的是英文输入法。【案例1】ICEM CFD自动网格划分
本例的几何模型来自ICEM CFD的Tutorial。
对图1-10所示的几何模型划分计算网格。图中表示了几何各边界的命名。在划分网格过程中，Cylinder 1与Cylinder 2边界需要生成边界层网格。图1-10 几何及边界
Step 1：启动ICEM CFD
启动ICEM CFD，利用菜单【File】>【Change Working Dir…】设置工作路径。提示：启动ICEM CFD后，养成设置工作路径的好习惯。
Step 2：导入几何并进行拓扑构建
● 启动ICEM CFD，利用菜单【File】>【Geometry】>【Open Geometry…】，在弹出的文件选择对话框中选择几何模型ex2-1.tin。
● 单击Geometry标签页下的Repair Geometry按钮，在左下角Repair Geometry面板中选择Build Diagnostic Topology工具，设置参数面板中的Tolerance参数值为0.25，单击Apply按钮进行几何拓扑构建。完成拓扑构建后的几何如图1-11所示。图1-11 完成拓扑构建后的几何注意：对于外部导入的几何模型，一般情况下都需要进行拓扑构建操作，在构建拓扑过程中，大多数情况下可以使用默认参数值。对于3D模型，构建拓扑后的结果应当是所有的线条颜色均为红色。若有其他颜色线条，则需要检查几何模型或调整拓扑构建参数。
Step 3：创建Part
创建Part的目的是给边界命名。一般要求在生成网格之前对边界命名。
● 在树状菜单Parts节点上单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择Create Part，如图1-12所示。
● 在左下角的参数设置面板中，设置Part名称为INLET，如图1-13所示。在图形显示窗口中选择图1-10所示的小半圆面，单击鼠标中键确认操作。图1-12 创建Part图1-13 创建Part
以同样的步骤创建其他的Part：Outlet、Symmetry1、Symmetry2、Cylinder1及Cylinder2。
Step 4：设置全局网格尺寸
选择Mesh标签页下的Global Mesh Setup按钮，如图1-14所示。图1-14 选择Global Mesh Setup按钮
在左下角的Global Mesh Setup设置面板中设置Scale factor为2，设置Max element为16，其他参数保持默认设置，然后单击Apply按钮确认，如图1-15所示。图1-15 设置全局网络尺寸提示：（1）Sacle factor的作用是对所有的网格尺寸进行缩放。该因子与Max element的乘积为真实最大网格尺寸。（2）设置最大网格尺寸前，可以先测量一下几何的尺寸，获取尺寸所在的量级，防止该参数设置过小导致网格量巨大而死机。（3）Max element参数值通常设置为2的幂，如2、4、8、16、32等。
Step 5：Part Mesh设置
虽然说很多情况下，设置完全局尺寸后就可以直接进行网格生成了，但是为了获取更精细的网格，尤其是在几何中存在尺寸跨度比较大的特征时，给不同的Part分别设置尺寸是非常有必要的。
单击Mesh标签页下的Part Mesh Setup按钮，如图1-16所示。图1-16 单击Part Mesh Setup按钮
弹出的Part尺寸设置面板如图1-17所示。设置Cylinder1的最大网格尺寸为2，其他部件的最大网格尺寸均为2，然后单击Apply按钮确认设置。图1-17 Part尺寸设置面板
Step 6：生成网格
单击Mesh标签页下的Compute Mesh按钮。左下角的Compute mesh设置面板如图1-18所示。该面板中的参数包括以下几种。
Mesh Type：指定生成的网格的类型。如四面体、六面体、笛卡儿网格等。
Mesh Method：网格生成算法。如Octree、Delauney、Advancing Front等。
Create Prism Layers：是否包含边界层网格的生成。
Create Hexa-Core：生成六面体核心。
Select Geometry：选择几何体进行网格划分，默认划分所有的几何体。
这里先采用默认设置，单击Compute按钮生成计算网格。
生成的网格如图1-19所示。可以看出Cylinder1面上的网格尺寸要小于其他面，这是因为在part网格尺寸设置中，Cylinder1面上尺寸值设置较小所造成的。图1-18 Compute Mesh设置面板图1-19 生成的网格提示：除了可以设置part尺寸外，还可以对面和线指定网格尺寸。
Step 7：添加边界层网格
● 设置prism参数
在Mesh标签页中选择全局网格设置，然后选择Prism Meshng Parameters，设置参数值Initial height为0.25，设置Height ratio为1.2，Number of layers为5，Total height值可以通过单击按钮Compute params计算得到，如图1-20所示。图1-20 设置Prism参数
单击Apply按钮确认参数设置。
● 生成Prism网格
在Mesh标签页下单击Compute Mesh按钮，在左下侧的设置面板中选择Prism Mesh，然后单击按钮Select Parts for Prism Layer，在弹出的对话框中选择Cylinder1与Cylinder2。单击Compute按钮生成网格，如图1-21所示。图1-21 生成Prism网格
Step 8：网格质量检查
利用Edit标签页下的Display Mesh Quality按钮进行网格质量检查，如图1-22所示。图1-22 质量检查
在左下角的参数设置面板中，采用默认参数进行设置，单击Apply按钮确认操作。右下角显示出的网格质量直方图，如图1-23所示。图1-23 网格质量直方图
对于网格质量来讲，越接近1表示质量越好。图中显示网格质量最低为0.19，已经可以用于CFD计算了。大部分CFD求解器能够接受质量0.1以上的网格。
Step 9：进行网格光顺
对网格进行光顺处理，可以在一定程度上提高网格质量。单击Mesh标签页下Smooth Mesh Globally按钮，在左下参数设置面板中设置Up to value值为0.4，单击Apply按钮，此时软件将对已生成的网格进行光顺操作，并自动更新光顺后的网格质量直方图，如图1-24所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]