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  • CFX的應用案例
    責任編輯:chineselng    瀏覽:5919次    時間: 2008-04-06 09:47:08      

    摘要:1. 航空   CFX模擬美國F22戰斗機的結果,計算狀態為馬赫數Ma=0.9,攻角=5。圖中顯示的是對稱面上的馬赫數分布。計算共采用了260萬個網格單元。由于CFX具有強大的并行功能,軟件自動將網格分為若干部分,分配到網絡上的各個處理器計算,這使得大規模CFD問題的計算能..

    關鍵詞:CFX 應用 案例
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    1. 航空

      CFX模擬美國F22戰斗機的結果,計算狀態為馬赫數Ma=0.9,攻角=5。圖中顯示的是對稱面上的馬赫數分布。計算共采用了260萬個網格單元。由于CFX具有強大的并行功能,軟件自動將網格分為若干部分,分配到網絡上的各個處理器計算,這使得大規模CFD問題的計算能夠在短時間內得到結果。CFX模擬的升力、阻力及力矩系數都與實驗值吻合的很好。

      某飛機多段翼周圍的壓力分布,CFX的最新網格技術包括:根據曲面曲率的大小自動加密網格;在附面層附近生成很薄的附面層網格;自適應網格能更有效得捕捉到激波。

      2003年AIAA第二屆阻力預測研討會上CFX計算的DLR-F6客機,設計點為馬赫數為0.75,雷諾數為3E6,風洞試驗是1993到1996年在ONERA S2MA壓力風洞中進行的。模型用支架安裝在跨音速段,馬赫數變化范圍為0.6到0.8。CFX5計算的升力和阻力最大誤差與試驗相比在沒有短艙時為3.2%,有短艙時是5.5%。

      采用DES模型模擬的戰斗機做高機動飛行時的翼面附近的氣流旋渦分布。CFX中的DES模型在旋渦強烈的區域用LES模擬,在其它區域用雷諾平均法模擬,大大降低了大渦模擬所需的計算資源。

      采用CFX中先進的轉捩模型(transient)模擬的直升機表面摩擦阻力系數。與一般的湍流模型相比,轉捩模型模擬的阻力更為精確,尤其是在機頭和后立尾的層流區域,轉捩模型能明顯地區分出層流區和湍流區。

      利用ANSYS 和CFX耦合計算的機翼顫振。ANSYS 和CFX最新開發的雙向流固耦合模塊是解決這類氣彈顫振問題的最優秀工具。

      這是CFX對美國J-31型渦輪噴氣發動機的整機模擬。包括進氣道、壓縮機、燃燒室、尾噴管四個部分。單獨拿出這四個部分中的任何一個,都是一個很復雜的CFD問題。而CFX同時將這四個部分合起來進行模擬,在CFD應用領域尚屬首次。計算中采用了CFX的動-靜界面干涉模型和FlameFront燃燒模型。J-31型渦輪噴氣發動機的研究人員認為,CFX是一個功能強大、模型豐富、穩健可靠的CFD軟件。

      2. 航天

      利用ANSYS CFX進行鈍頭體進行高超音速氣動模擬。鈍頭前端氣動加熱結果試驗與計算差別在9%以內。

      CFX模擬的超高音速進氣道內外流場,來流馬赫數為20,圖示為進氣道內外側的馬赫數分布。

      CFX計算的某導彈周圍的馬赫數分布,計算狀態為馬赫數2.5,攻角14度。217萬網格單元在100步迭代已經收斂,用時6.5小時。計算值和試驗值吻合的很好。

      CFX計算的航天飛機外流場,圖中顯示的是CFX采用網格分布,全部的六面體網格單元由ICEM CFD生成。

      3. 汽車

      CFX為日本汽車工業協會JAA (Japan Automobile Association)模擬的某汽車外流場,圖中顯示了對稱面、地面和車身表面的壓力分布。1997年在東京召開的JAA CFD會議上,CFX現場演示了此計算結果,在日本汽車界引起了轟動,并引發了汽車工業采用CFD技術進行新車研發的高潮。JAA人員認為,采用CFD模擬,可以有效地減少風洞實驗次數、節省經費、加快新車的研發過程。

      CFX模擬的F1方程式賽車的外流場,圖中顯示的是對稱面和地面的壓力分布。用ICEM生成的混合網格,共400萬個單元。ICEM強大的網格功能大大縮短了前期建模的時間,并且能提供高質量復雜網格。計算考慮了車輪的轉動,以及地面的運動。采用了CFX的并行功能。

      CFX模擬的汽車空調系統,36個風扇葉片周圍的壓力分布。通過CFX的模擬,能幫助汽車工程師提高空調的效率,降低汽車空調噪音,改善空調氣流的品質,從而在整體上提高汽車的舒適程度。

      CFX計算的汽車前端散熱分析。CFX強大的網格處理功能對復雜外形的流道能快速給出高質量的網格,而高效的收斂性能能在短時間內給出精確的計算結果。對優化散熱效果有很大的幫助。

      CFX模擬的汽車發動機內部的燃燒流場,CFX中的動網格技術能靈活處理進氣閥門的移動,燃燒模型能模擬出發動機內部的壓力及溫度場。

      汽車剎車盤的熱分析,LucasVarity汽車公司是專門生產剎車盤的汽車廠家,為了散熱效率,他們采用CFX分析,優化肋片的高度和長度,快速設計出到最優性能的剎車盤。

      4. 船舶

      CFX計算的船舶阻力問題。 試驗模型的行進速度為2.064 [m/s] 或 4.03[knots],整船的計算阻力為43.9 [N],而實驗結果為44.3[N]。誤差幾乎為1%,計算采用了CFX的自由液面模型,并用自適應網格技術來加密自由液面的網格,從而更精確地捕捉到自由液面。

      美國海軍對某艦艇在受到生化武器攻擊時危險性評估,圖示為生化武器在艦艇上爆炸后的煙霧濃度等值面,能有效反映出艦艇上各個部位的安全性指標。

      德國的SVA (Schiffbau-Versuchanstalt Potsdam GmbH)采用CFX模擬的船后螺旋槳轉動對船體的影響。計算采用瞬態rotor-stator模型,模擬顯示了瞬態的壓力脈動對船體和舵都有很大影響,并且壓力脈動也是噪音的根源。SVA研究人員認為,和通常的穩態計算相比,此次瞬態模擬的結果更精確,也更加加深了他們對螺旋槳周圍流動現象的理解。

      NSWCDD (Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division)是美國海軍最大的研究實驗室。上圖是NSWCDD用CFX模擬的某型號潛艇在水下的運動。圖中顯示的是潛艇轉彎時周圍的流線。

      NSWCDD研究人員通過使用CFX,能更快地設計出在阻力、機動性等方面都有很大提高的潛艇。

      空泡數條件下,計算結果和試驗解都吻合很好,能有效幫助設計出更好性能的螺旋槳。

      5. 能源工業

      CFX模擬的500 Mw電站煤粉鍋爐爐內燃燒。該鍋爐安裝了48個旋流穩燃低Nox燃燒器,考慮了平板過熱器的影響,結果顯示了在燃燒器噴流交叉形成的高溫、高氧區,Nox生成速率大。模擬了三種不同的英國煤在不同過量空氣系數的工況下燃燒,其中Nox濃度和爐膛出口處的未燃碳與測量值的誤差分別在15%和3%以內。此項目得到了英國貿易和工業部的支持。

      上圖顯示的是管殼換熱器的流線及溫度分布。CFX強大的全隱式耦合算法允許其同時考慮管外流體、管內流體、以及管壁部分的耦合傳熱。通過CFX的模擬,能得到換熱器內局部過熱的具體位置,為進一步改造提供了豐富的信息。

      Babcock & Wilcox公司采用CFX模擬的煙氣脫硫塔內部的流動和反應,他們以前采用的模型試驗需要花費8周時間,大約8萬美金,在改用CFX模擬后,能在2周的時間內得到大量詳細的對設計有用的信息,費用也降低到1萬美金,節約了77%的投資。

      德國西門子公司在CFX的幫助下,設計出世界上效率最高的汽輪機,總效率達48.5%,該機組目前安裝在德國BOXBERG的VEAG電廠。

      IRD燃料電池公司采用CFX模擬的燃料電池中氧濃度的分布。他們選用CFX的目的是因為CFX豐富的物理模型和靈活的用戶子程序接口,IRD的工程師利用用戶子程序開發了專門的電化學反應模型,通過催化層的電化學反應速率模擬當地的電流密度。該模型為更好地利用催化層提供了有用的信息,例如能得到不同變量的梯度,而通過實驗是很難得到這些信息的。

      北美的EMP公司采用CFX模擬的常規渦殼水泵。BMP的工程師說,CFX的通用網格界面(GGI)模型使得他們能夠用更短的時間,輕松完成渦殼和葉片的網格劃分,而所得到的結果包括水泵內每一點的速度和壓力,這是實驗測量所無法完成的。他們通過CFX模擬,分析水泵內的分離區和回流區產生的原因并加以改進,提高了水泵的效率。

      法國電力公司(EDF)是世界上水電設備的主要制造商之一,圖中顯示的是EDF為萊茵河上的KEMBS水電站設計的Kaplan 水輪機。通過CFX模擬,EDF的設計人員發現,他們可以在不增加整機壓力損失的前提下,有余力提高水輪機的流量。采用CFX后,EDF大大縮短了設計水電設備的時間。目前,CFX已經成為EDF進行設計分析的必需工具。

      英國ALSTOM公司采用CFX模擬的葉片內部冷卻通道。采用ICEM生成了計算網格,考慮了流體和固體之間的耦合傳熱(CHT)。ICEM的高質量網格和CFX穩健的全隱式耦合多網格算法,使得這種復雜的流動和導熱耦合問題得以成功模擬。

      6. 石油化工

      澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)利用CFX模擬的流化床內氣泡的形成和發展過程。由于和許多工業和大型研究項目的廣泛合作,CFX的多相流模型一直處于仿真技術的前列。這些模型可以模擬任何擴散和連續流動的組合,包括液體、固體、氣體和化學物質。

      DOW化學公司采用CFX模擬廢熱回收裝置內的溫度變化過程,并準確預報了管內介質的出口溫度。通過模擬,找出了原始設計的弊端在于換熱面積過小,導致各管間溫度相差較大。改進后的回收爐重新布置了管程的排列形式,提高了回收效率。DOW的設計人員認為,他們選擇CFX的原因是因為其耦合傳熱功能和靈活的用戶擴展性。

      Eastman化學公司在某化工設備中加入防腐添加劑后,用CFX模擬出添加劑的濃度分布。計算采用了CFX的網格自適應技術,以更好的捕捉添加劑的濃度變化。Eastman改變添加劑的投放位置,用CFX模擬來優化添加劑濃度分布,以達到最好的防腐效果。此項目縮短了Eastman的新設備設計周期,為其帶來大約200萬美元的附加收益。

      三菱化工采用CFX分析的攪拌反應器中的氣液固三相流,攪拌器的上兩層為直葉片,下面一層為彎曲葉片。三菱公司在CFX的分析下,得到了各層漿葉對流場的相互影響。圖中所示為漿葉轉速在每分鐘100時攪拌器中氣液固三相的體積分數分布。

      7. 建筑工業

      英國一家建筑工程服務咨詢公司BDSP用 CFX模擬的倫敦街區一角的外部風場,圖中顯示了建筑物表面的壓力分布。BDSP的人員稱,采用CFX模擬建筑物的風載,可以為建筑的強度設計提供有效的壓力數據,同時針對建筑物的具體特點,設計更靈活的通風系統。BDSP設計人員還借助CFX的模擬圖片向客戶解釋一些復雜的問題。

      CFX模擬的某帳篷式大型體育場的內部通風問題。圖中顯示的是體育場表面的網格劃分。CFX可以幫助設計師在設計初期就得到體育場內的詳細流場信息,從而及時發現可能存在的通風隱患,修改通風設計方案,加快設計周期,提高設計質量。

      瑞士公用事業公司利用CFX模擬的Crosin山區的風場,用于改進風力發電廠的輸出電力。由于風力發電機的輸出電力是風速的三次方函數關系式,因此將風力發電機安裝在風速最大的迎風坡面上,會大大提高風力發電廠的輸出電力。有關人員采用CFX模擬得到山區周圍的風場細節,不僅減少了許多繁重的風場測量工作,更能有效地節省設計時間。

      8. 火災通風

      ICF Kaiser Engineers公司是一家歷史悠久的交通工業企業,被公認為是地鐵通風領域的技術創新者,也是首家利用CFD技術模擬地鐵火災及通風的企業。在對幾個主要CFD軟件的試用之后,ICF 最終選擇了CFX作為其模擬地鐵火災通風的分析工具。ICF的工程師認為,CFX的穩健性和靈活性更能滿足他們的要求。圖中顯示為ICF模擬的某地鐵站著火后的溫度和速度分布。

      CFX模擬的格林威治千年圓頂屋的火災與通風。考慮了包括太陽、展覽物、照明設備以及入口產生的熱源,并且考慮了季節不同帶來的差異。通過CFX的模擬,設計人員改善了通風條件,在保證安全的基礎上,最大限度地提高了室內通風的氣流品質,增加了游客在圓頂屋內的舒適度。

      CFX模擬的直徑為20米的油池燃燒后的池火現象。采用了基于浮力修正的湍流模型,CFX成功克服了池火現象中層流和湍流并存而給模擬帶來的困難。模擬出的池火特征和Cetegen-Ahmed關系式吻合良好。

      9. 空調制冷

      美國特靈(Trane)公司利用CFX模擬的空調離心壓縮機。通過瞬態流場分析,找到了流動和結構振動之間的關系,指導設計人員設計出更小噪音的壓縮機。

      CFX對汽車車內空調的模擬,能快速分析出空調安裝位置及功率對車內的冷卻效果,包括車內各處的風速和溫度場分布。借助于CFX,設計師能改善空調氣流的品質,整體上提高汽車的舒適度。

      空調室內貫流風機的模擬,模擬結過顯示,不同流量下的壓降和試驗值都吻合得很好。設計人員表示,CFX對設計高效率的貫流風機有很大幫助

      10. 冶金工業

      CFX模擬的鋼水鑄造過程,圖中顯示的是鑄造模具內的流線及表面溫度分布。CFX豐富的物理模型中包括了凝固模型,該模型考慮了瞬態的潛熱變化、凝固過程中熔融區的阻力以及相變過程中的湍流衰減。

      CFX模擬的連續加熱爐,該爐采用直接加熱方式,側墻共布置12個燒嘴(鋼帶上面8個,下面4個)。通過CFX模擬可得出加熱爐的總效率,鋼帶離開加熱爐時橫斷面上的溫度分布,以及從鋼帶表面的溫度過熱點。從圖中溫度分布可以看出,鋼帶有一角的溫度過高,這會影響鋼產品的質量。

      HTA鋼鐵公司用CFX模擬來優化鑄造爐內燒嘴的類型和位置。采用瞬態計算來發現流動的不穩定性,同時考慮了燒嘴內的流動和融池內的流動。CFX很好地模擬出了融池內因浮力驅動產生的二次流現象,以及諸如回流區、渦、表面波的發展、溫度分布的不均勻性等設計缺陷。通過優化燒嘴類型和位置來克服這些缺陷,取得了明顯的效果。

      11. 電子散熱

      CFX模擬的機箱內部的散熱情況,CFX中的共扼傳熱模塊對分析這類問題有明顯的優勢,對風扇來講,CFX不用用戶給出近似模型,而是直接對散熱風扇進行詳細模擬,這是保證整個模擬結果精確的重要環節。

      CFX對小型電鉆的散熱模擬,電機轉速高達每分鐘19000轉,電機軸產生大量的熱,需要充足的通風量保證散熱效果。CFX可以預測出風扇以及通風口設置對散熱效果的影響程度,從而對設計進行優化,給出最佳的設計方案。

      CFX模擬的軸向自通風方式的電機冷卻,綜合考慮了轉子和定子的鐵耗,交流線圈和勵磁線圈的銅耗,以及機械損耗和雜項損耗。模擬的出口空氣溫度和實際值相差很小。對設計有很大的指導作用。

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