CAE分析大系——ANSYS ICEM CFD工程實例詳解
內容描述
《CAE分析大系——ANSYS ICEM CFD工程實例詳解》以計算流體動力學(CFD)的分析流程為主線，全書涉及以下內容：CFD工程應用基礎，包括CFD的基本概念和CFD工程應用一般流程；計算前處理，主要通過實例講解ANSYS ICEM CFD的應用技巧；求解器，包括ANSYS FLUENT各計算模塊應用的實例講解；計算後處理，包括後處理結果處理軟件ANSYS CFD-POST的使用技巧以及ANSYS工程優化模塊Design Explorer的使用。
《CAE分析大系——ANSYS ICEM CFD工程實例詳解》有配套相關案例模型文件，並專門配備了視頻講解。此外，讀者還可以通過V公眾平臺iCAX與作者進行互動解答問題。
《CAE分析大系——ANSYS ICEM CFD工程實例詳解》可作為初學者的入門教程，也可作為中高 級使用者的參考資料。本書章節間沒有緊密的聯系，因此既適合全書閱讀，也適合分章節進行閱讀。
目錄大綱
第一部分 CFD工程應用基礎
第1章 概述 10
1．1 什麼是CFD 10
1．2 CFD發展概況 11
1．3 CFD工程應用領域 12
1．4 什麼時候使用CFD軟件 13
1．5 通用流體計算軟件的利與弊 13
1．6 本書讀者定位 14
1．7 本書特點 14
第2章 ANSYS CFD軟件簡介 16
2．1 CFD工程應用一般流程 16
2．1．1 計算前處理 16
2．1．2 計算求解器 16
2．1．3 計算後處理 17
2．2 ANSYS CFD軟件族簡介 17
2．2．1 前處理軟件：ICEM CFD 17
2．2．2 CFD求解器：Fluent 18
2．2．3 CFD求解器：CFX 19
2．2．4後處理模塊：CFD-POST 21
第二部分 計算前處理
第3章 流體計算域 24
3．1 計算域模型 24
3．1．1 內流計算域 24
3．1．2 外流計算域 25
3．1．3 混合計算域 25
3．2 計算域生成方法 25
3．2．1 直接建模 25
3．2．2 幾何抽取 25
3．3 計算域簡化 26
3．4 多區域計算模型 26
3．4．1 Interface 27
3．4．2 Interior 27
3．5 計算域創建工具ANSYS DesignModeler 27
3．5．1 Fill 功能 28
3．5．2 Enclosure 功能 29
3．6 計算域創建實例 29
3．6．1 【實例3-1】直接創建計算域 29
3．6．2 【實例3-2】Fills方式創建計算域模型 32
3．6．3 【實例3-3】Enclosure方式創建計算域模型 34
3．6．4 【實例3-4】創建混合計算域 35
3．7 本章小結 37
第4章 流體網格 38
4．1 流體網格基礎概念 38
4．1．1 網格術語 38
4．1．2 網格形狀 38
4．1．3 結構網格與非結構網格 39
4．2 網格的度量 39
4．2．1 網格數量 39
4．2．2 網格質量 40
4．3 流體網格劃分軟件：ICEM CFD簡介 40
4．3．1 ICEM CFD主要特點 41
4．3．2 ICEM CFD中的文件類型 41
4．3．3 ICEM CFD操作界面 41
4．3．4 ICEM CFD操作鍵 47
4．3．5 ICEM CFD的啟動 47
4．3．6 ICEM CFD網格劃分基本流程 48
4．4 本章小結 49
第5章 ICEM CFD幾何操作 50
5．1 ICEM CFD中的幾何組織形式 50
5．2 基本幾何創建 50
5．2．1 點的創建 50
5．2．2 線的創建 52
5．2．3 面操作 54
5．2．4 Body創建 55
5．3 幾何修補 56
5．3．1 幾何拓撲構建 56
5．3．2 幾何檢查 57
5．3．3 封閉孔洞與去除孔洞 58
5．3．4 邊匹配 58
5．3．5 特徵檢測 58
5．4 輔助幾何 59
5．5 幾何操作實例 59
5．5．1 【實例5-1】快速流道抽取 59
5．5．2 【實例5-2】幾何建模 62
5．5．3 【實例5-3】幾何修補 68
5．6 本章小結 71
第6章 ICEM CFD六面體網格劃分 72
6．1 塊基本概念 72
6．1．1 塊的層次結構 72
6．1．2 初始塊的創建 72
6．1．3 塊的關聯操作 75
6．2 自頂向下構建塊 79
6．2．1 常規切分 79
6．2．2 O型切分 80
6．2．3 Y型切分 87
6．2．4 【實例6-1】2D塊切割實例 91
6．2．5 【實例6-2】3D塊切割實例 96
6．3 自底向上構建塊 98
6．3．1 From Vertices/Faces 99
6．3．2 Extrude Faces 100
6．3．3 由2D塊形成3D塊 101
6．3．4 【實例6-3】彈簧網格劃分 102
6．4 常見分塊策略 104
6．5 塊變換操作 110
6．5．1 塊平移 110
6．5．2 塊旋轉 110
6．5．3 塊鏡像 111
6．5．4 塊縮放 111
6．5．5 週期塊複製 111
6．5．6 【實例6-4】塊平移操作 111
6．5．7 【實例6-5】塊旋轉操作 115
6．6 Edge網格參數設置 119
6．6．1 參數設置對話框及各參數含義 119
6．6．2 節點分佈律 121
6．6．3 邊界層網格 123
6．6．4 【實例6-6】分叉管網格劃分 124
6．6．5 【實例6-7】外流場邊界層網格 127
6．7 【實例6-8】排煙風道網格劃分 129
6．8 本章小結 133
第7章 ICEM CFD非結構網格劃分 134
7．1 非結構網格生成 134
7．2 全局網格參數設置 134
7．2．1 全局網格尺寸設置 135
7．2．2 殼網格參數 136
7．2．3 體網格參數設置 139
7．2．4 棱柱網格設置 139
7．2．5 週期網格設置 141
7．3 Part網格設置 141
7．4 面網格參數設置 143
7．5 線網格參數設置 144
7．6 密度盒 144
7．7 網格生成 145
7．8 【實例7-1】分支管非結構網格劃分 146
7．9 【實例7-2】活塞閥裝配體網格劃分 148
第8章 ICEM CFD常用技巧 151
8．1 ICEM CFD快捷鍵 151
8．1．1 Geometry快捷鍵 151
8．1．2 Edit Mesh快捷鍵 152
8．1．3 Blocking快捷鍵 153
8．1．4 選擇模式快捷鍵 154
8．2 創建多區域網格 156
8．2．1 Interface與Interior 156
8．2．2 【實例8-1】非結構網格多計算域模型 156
8．2．3 【實例8-2】結構網格多計算域模型 160
8．2．4 【實例8-3】網格模型組裝 162
8．3 創建週期網格 164
8．3．1 指定幾何週期 164
8．3．2 週期頂點定義 165
8．3．3 【實例8-4】2D旋轉週期網格 165
8．3．4 【實例8-5】2D平移週期網格 173
8．3．5 【實例8-6】3D旋轉週期網格 175
第三部分 求解器
第9章 FLUENT用戶界面 180
9．1 FLUENT的啟動 180
9．1．1 啟動方式 180
9．1．2 FLUENT啟動界面 181
9．2 軟件界面 183
9．2．1 Meshing模式界面 183
9．2．2 Solution模式界面 184
9．3 FLUENT操作流程 191
第10章 FLUENT Meshing模式 192
10．1 【實例10-1】Tet網格劃分 192
10．2 【實例10-2】分區混合網格劃分 196
第11章 FLUENT前處理基礎 199
11．1 FLUENT前處理流程 199
11．2 網格控制 200
11．2．1 網格縮放 200
11．2．2 網格檢查 201
11．2．3 網格顯示 201
11．3 求解設置中的一些基本概念 202
11．3．1 壓力基與密度基求解器 202
11．3．2 穩態與瞬態計算 203
11．3．3 FLUENT中的壓力 205
11．4 湍流模型 207
11．4．1 湍流和層流判斷 207
11．4．2 湍流求解方法 207
11．4．3 FLUENT中的湍流模型 208
11．4．4 y+的基本概念 210
11．4．5 壁面函數 212
11．4．6 邊界湍流設置 212
11．5 邊界條件 214
11．5．1 邊界條件分類 214
11．5．2 邊界條件設置 215
第12章 FLUENT後處理基礎 216
12．1 後處理概述 216
12．2 FLUENT後處理操作 216
12．2．1 創建特徵位置 216
12．2．2 流場可視化 220
12．2．3 Graphics and Animations 220
12．2．4 動畫創建 223
12．2．5 圖形設置選項 225
12．2．6 Plot 227
12．2．7 Reports 228
第13章 基本流動問題計算 231
13．1 【實例13-1】翼型計算(可壓流動) 231
13．1．1 問題描述 231
13．1．2 FLUENT前處理設置 231
13．1．3 結果後處理 237
13．2 【實例13-2】卡門渦街計算(瞬態計算) 239
13．2．1 問題描述 240
13．2．2 FLUENT前處理設置 241
13．2．3 結果後處理 245
第14章 動區域計算模型 246
14．1 運動區域計算概述 246
14．2 單運動參考系模型 247
14．2．1 SRF模型中的網格模型 247
14．2．2 在FLUENT中使用SRF模型 248
14．2．3 SRF模型求解策略 250
14．3 多運動參考系模型 250
14．3．1 多參考系模型 250
14．3．2 混合面模型 252
14．3．3 滑移網格模型 253
14．4 【實例14-1】離心壓縮機仿真計算(SRF模型) 253
14．4．1 問題描述 253
14．4．2 FLUENT前處理設置 253
14．4．3 後處理分析 260
14．5 【實例14-2】垂直軸風力機流場計算(MRF) 263
14．5．1 問題描述 263
14．5．2 FLUENT前處理設置 264
14．5．3 後處理分析 268
14．6 【實例14-3】垂直軸風力機流場計算(滑移網格) 270
14．6．1 模型描述 270
14．6．2 UDF定義 270
14．6．3 FLUENT前處理設置 271
14．6．4 後處理分析 274
第15章 動網格模型 276
15．1 FLUENT中使用動網格 276
15．2 網格更新方法 276
15．2．1 Smoothing 276
15．2．2 Layering 279
15．2．3 Remeshing 280
15．3 運動指定 281
15．3．1 瞬態Profile 281
15．3．2 動網格中的UDF 283
15．4 運動區域定義 284
15．4．1 靜止部件(Stationary) 285
15．4．2 剛體(Rigid Body) 285
15．4．3 變形體(Deforming) 285
15．4．4 其他類型 286
15．5 網格預覽 286
15．6 【實例15-1】齒輪泵仿真 287
15．6．1 問題描述 287
15．6．2 FLUENT前處理設置 288
15．6．3 計算後處理 296
15．7 【實例15-2】利用6DOF計算船舶行駛情況 296
15．7．1 問題描述 297
15．7．2 FLUENT前處理設置 297
15．7．3 計算後處理 305
15．8 【實例15-3】止回閥流場計算 307
15．8．1 問題描述 307
15．8．2 FLUENT前處理設置 308
15．8．3 計算後處理 312
第16章 多相流模型 313
16．1 多相流概述 313
16．1．1 多相流定義 313
16．1．2 多相流形態 313
16．2 FLUENT中的多相流模型 314
16．2．1 多相流模型的選擇 315
16．2．2 FLUENT多相流模擬步驟 316
16．2．3 VOF模型設置 317
16．2．4 Mixture模型設置 318
16．2．5 Eulerian模型設置 319
16．3 【實例16-1】空化現象仿真計算(Mixture模型) 320
16．3．1 物理現象描述 320
16．3．2 幾何模型 320
16．3．3 建立模型並劃分網格 321
16．3．4 FLUENT前處理設置 323
16．3．5 後處理分析 328
16．4 【實例16-2】潰壩模擬(VOF模型) 329
16．4．1 問題描述 330
16．4．2 建立模型及劃分網格 330
16．4．3 FLUENT前處理設置 330
16．4．4 後處理分析 334
16．5 【實例16-3】鼓泡塔仿真計算(Eulerian模型) 336
16．5．1 問題描述 336
16．5．2 幾何模型 336
16．5．3 FLUENT前處理設置 336
16．5．4 後處理分析 340
第17章 組分輸運及反應流模型 342
17．1 FLUENT中的組分輸運及反應流模型 342
17．2 組分輸運模型前處理 343
17．2．1 無反應組分輸運模型 343
17．2．2 有限反應速率模型 345
17．3 【實例17-1】引擎著火導致氣體擴散 345
17．3．1 問題描述 345
17．3．2 FLUENT前處理操作 346
17．3．3 計算後處理 351
17．4 【實例17-2】錐形燃燒器燃燒模擬(有限速率模型) 353
17．4．1 實例簡介 353
17．4．2 問題描述 353
17．4．3 FLUENT前處理設置 353
17．4．4 計算後處理 357
17．5 【實例17-3】錐形燃燒器燃燒模擬(zimount預混模型) 358
17．5．1 實例概述 358
17．5．2 FLUENT前處理設置 359
17．5．3 計算後處理 362
第四部分 計算後處理及工程應用
第18章 流體計算後處理 366
18．1 流體計算後處理概述 366
18．2 常用的流體計算後處理工具 366
18．3 CFD-POST計算後處理一般流程 366
第19章 CFD-POST應用 360
19．1 CFD-POST的啟動方式 368
19．1．1 直接啟動CFD-POST 368
19．1．2 從Workbench中啟動CFD-POST 369
19．1．3 從計算軟件中啟動CFD-POST 369
19．2 CFD-POST軟件工作界面 369
19．2．1 CFD-POST的菜單項 370
19．2．2 工具欄按鈕 371
19．3 CFD-POST後處理功能 371
19．3．1 創建後處理位置 371
19．3．2 生成後處理對象 378
19．3．3 數據操作 383
19．3．4 其他工具 387
19．4 【實例19-1】CFD-POST基本操作 387
19．5 【實例19-2】定量後處理 394
19．6 【實例19-3】比較多個CASE 397
19．7 【實例19-4】瞬態後處理 399
第20章 CFD-POST高級功能 402
20．1 CEL基礎 402
20．1．1 運算符 402
20．1．2 常量 403
20．1．3 標準函數 403
20．1．4 基本變量 404
20．1．5 CFD-POST函數 405
20．2 CCL基礎 406
20．2．1 CCL基本結構 406
20．2．2 CCL語法細節 407
20．3 CFD-POST自動化 408
20．3．1 報告模板定義 409
20．3．2 模板操作 410
20．3．3 【實例20-1】定義後處理模板 411
第21章 Design Xplorer優化設計 415
21．1 數值優化概述 415
21．2 Design Xplorer概述 415
21．3 Design Xplorer優化基礎 416
21．3．1 基本概念 416
21．3．2 ANSYS Design Xplorer基本設置 417
21．3．3 目標驅動優化設計 420
作者介紹
胡坤，博士，就職於西南石油大學機電工程學院，從事石油天然氣裝備研發及教學工作。擁有8年ANSYS CFD軟件應用經驗，曾利用CFD軟件對水力旋流器、臥式螺旋分離器、水力噴砂射孔器和井噴失控災害預測等進行過研究，熟悉ANSYS CFD軟件仿真流程。
李振北，工程師，現為中國機械科學研究總院機械設計及理論專業博士研究生，就職於中石油管道檢測技術有限責任公司，從事油氣管道監測器設計及研發工作。
