即将直播：ANSYS CFX高级流体仿真分析线上培训体验课程（3月26日）

一、CFX发展的光辉历程

CFX软件是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEA Technology 公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发，诞生在工业应用背景中的CFX一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着CFD技术的不断发展。

1995年，CFX收购了旋转机械领域著名的加拿大ASC公司，推出了专业的旋转机械设计与分析模块－CFX-Tascflow，CFX-Tascflow一直占据着80%以上的旋转机械CFD市场份额。同年，CFX成功突破了CFD领域的在算法上的又一大技术障碍，推出了全隐式多网格耦合算法，该算法以其稳健的收敛性能和优异的运算速度，成为CFD技术发展的重要里程碑。CFX一直和许多工业和大型研究项目保持着广泛的合作，这种合作确保了CFX能够紧密结合工业应用的需要，同时也使得CFX可以及时加入最先进的物理模型和数值算法。

2003年，CFX加入了全球最大的CAE仿真软件ANSYS的大家庭中并正式更名为ANSYS CFX。从此，ANSYS将可以提供包括固体力学、流体力学、传热学、电学、磁学等在内的多物理场及多场耦合整体解决方案。

虽然目前CFX定位与涡轮机械这一细分市场的领军工具，但其本质仍旧是全行业的通用流体求解器。子创立之初起，CFX软件就广泛的应用于各个行业的工业品设计之中，主要用于深入观察设备和过程的细节，可以有效提高生产效率、产品寿命并优化流程。在数十年的发展过程中，CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为其在全球8000多个用户解决了大量的实际问题。

图2 CFX软件计算内流场

二、软件丰富的物理模型 

※ 多相流模型

ANSYS CFX软件拥有数十多年的多相流仿真分析经验，可以模拟多组分流动、气泡、液滴、颗粒和自由表面流动进行模拟。粒子输运模型可以模拟连续相内的一个或多种粒子流。瞬态粒子追踪模拟能力，可以模拟火焰扑灭过程、粒子沉降和喷雾。粒子破碎模型可以模拟液体颗粒雾化，捕捉粒子在外力下的破碎过程，并考虑相间的作用力，壁面薄膜（Wall film）模型可以考虑颗粒在高温/低温壁面的反弹、滑移、破碎等现象。欧拉多相流模型可以很好地模拟相间动量、能量和质量传输，而且ANSYS CFX中包含丰富的曳力及非曳力模型，全隐式耦合算法对于求解相变导致的气蚀、蒸发、凝固、沸腾等问题具有很好的健壮性。MUSIG多尺度颗粒模型可以模拟颗粒在多分散相多相流动中的破碎和合并行为。利用粒子动力学理论和考虑固体相之间的作用，可以模拟流化床内的流动。在旋转机械领域ANSYS CFX一直拥有最丰富的模型材料库，平衡湿蒸气和非平衡湿蒸气模型可以准确预测汽轮机流动现象，丰富的真实气体模型可以准确预测各种非理想假设下的流动。

不论在燃气轮机燃烧设计、汽车发动机燃烧模拟、膛炉内煤粉燃烧还是火灾模拟，ANSYS CFX都提供了非常丰富的物理模型来模拟流动中的燃烧和化学反应问题。ANSYS CFX涵盖从层流到湍流，从快速化学反应到刚性化学反应，从预混燃烧到非预混燃烧的问题。所有的组分作为一个耦合的系统求解。对于复杂的反应系统能够加速收敛。模型包括单步/多步涡破碎模型、有限速率化学反应、层流火焰燃烧模型、湍流火焰模型、部分预混BVM模型、修正的部分预混ECM模型，同时NOx模型、soot模型、Zimont模型、废气再循环EGR模型、自动点火模型、壁面火焰作用（Quenching）模型、火花塞点火模型也包括在内。

图4 CFX模拟的500 MW电站煤粉锅炉炉内燃烧

 ※ 丰富的湍流模型

绝大多数的工业流动为湍流。因此，ANSYS CFX软件一直致力于提供并开发最先进的湍流模型，用来有效并准确地捕获湍流。湍流模型对CFD计算影响较大，尤其是复杂构型的阻力评估，存在层流到湍流的转捩，附面层分离、激波诱导附面层分离等复杂的流动现象，常规的二方程湍流模型难以胜任各种复杂流动，ANSYS CFX 拥有包括 S-A 模型在内的15种湍流模型，其中SST模型+低雷诺数修正可以更准确地模拟中度分离流、低速气动力，对于层流到湍流的转捩流动，可以采用基于SST的转捩模型。

而对于大分离非定常流动，常规的二方程湍流模型无能为力，ANSYS CFX 的 DES 分离涡模型、SAS 修正分离涡模型在边界层区域采用雷诺平均方程，在分离区域采用大涡模拟，因此可以有效减小大分离流动计算量，计算结果可以和大涡模拟的效果相当。

图5 CFX计算从层流到湍流的转捩

 ※ 可扩展性强的动网格模型

当流体模型包括几何运动，例如转子压缩机，齿轮泵，血液泵或者内燃机时，就要求网格的运动。特别是在流固耦合计算中涉及固体在流体中的大变形和大位移运动，ANSYS CFX结合ICEM CFD实现外部网格重构功能，用来模拟特别复杂构型的动网格问题，这种运动可以是指定规律的运动，比如汽缸的活门运动事件，也可以是通过求解刚体六自由度运动的结果，配合ANSYS CFX的多构型（Multi-Configuration）模拟，可以方便处理活塞封闭和边界接触计算。而且，对于螺杆泵、齿轮泵这种特殊的泵体运动，ANSYS CFX开发了独特的浸入固体方法（Immersed solid），不需要任何网格变形或重构，采用施加动量源项的方法来模拟固体在流体中的任意运动。基于以上两种动网格策略，用户可以方便地解决任意复杂的动网格问题。

图6 CFX与ICEM联合仿真的动网格模型（内燃机活塞缸）

 三、小巧但实用的亮点功能

※ 精确的数值方法

和大多数CFD软件不同的是，ANSYS CFX采用了基于有限元的有限体积法，在保证了有限体积法的守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性。

图7 基于有限元的有限体积法

• 基于有限元的有限体积法，对六面体网格单元采用24点积分，而单纯的有限体积法仅采用6点积分。

• 基于有限元的有限体积法，对四面体网格单元采用60点积分，而单纯的有限体积法仅采用4点积分。

 ※ 快速稳健的求解技术

ANSYS CFX的核心是其先进的求解技术：多重网格耦合求解技术。这是快速且稳健地得到可靠且准确结果的关键。用户可以跟踪收敛进度并动态监测数值和物理变量。求解参数、边界条件和其它参数可以在不停止求解器的情况下进行调整。ANSYS CFX求解器默认使用二阶精度的数值格式求解，确保用户总能得到最准确的预测结果。 

※ 高效的并行技术

ANSYS CFX的求解器获得了对并行计算最有利的几乎线形的“计算时间-网格数量”求解性能，这使工程技术人员敢于计算大型工程的真实流动问题。多核处理器和集群计算机的出现后，这种固有的特点变为更加重要。随着CPU和内存的发展，ANSYS CFX软件的计算能力也不断提高。ANSYS CFX可以无一例外地实现所有物理模型的并行计算。 

※ 基于CCL与CEL语言的二次开发

CFX具备有成熟的二次开发工具，包括additional variable、CEL语言、CCL语言等，用户可以根据自身的需求高自由度的进行定制化开发，代码的处理方式简便稳定，而且能够与workbench有效兼容。目前ANSYS软件中70%以上的流体仿真模板都是基于CFX软件开发的，这也从侧面证明了CCL与CEL语言的功能强大和高效。 

※ 计算自动终止技术

CFX具备根据已有条件自动判定仿真结果的能力，用户可以根据计算域中的物理变量随时停止当前的仿真，这一功能是其他CFD软件（尤其是Fluent）所不具备的。举个例子，比如说当我们需要进行一个瞬态仿真的时候，希望某一个区域温度最大值超过某个数值（比如500K）时停止计算，并给出停止计算的仿真时刻以及对应的温度分布。那么，此时的CFX就可以根据我们的需求，编写CEL表达式语言，并将该判断语句作为计算终止的条件，从而轻松实现我们的目的。 

总而言之，CFX仍旧是全行业可靠、稳健的流体求解器，有着自身相对鲜明的个性和特点。如果大家希望尝试Fluent之外的流体仿真工具，那么CFX仍旧是一个不错的选择。

图8 基于Workbench的CFX与Mechanical双向流固耦合案例

四、ANSYS CFX高级流体仿真分析线上培训

① CFD仿真方法概述

② ANSYS CFX 功能亮点简介

③ 典型CFX工程流体与热仿真案例实操

④ 线上培训课程内容简介及案例预览

① 有限元分析中流体仿真的基本流程及工作重点

② 在各个行业中ANSYS CFX软件可以解决哪些实际的问题

③ 对比Fluent软件，CFX有哪些优势和亮点

④ 如何针对某一个特定的模型进行流体仿真与热计算

听课方法：直接私信仿真小助手/仿真小能手走绿色通道。

• 第一部分：线上直播体验课。本课程为加密直播，只有对讲师感兴趣直播培训的用户参加，直播期间课所有人可申请免费体验。直播结束后，该视频在仿真秀官网可以付费观看。对于后续想参加讲师线上直播培训的用户，可以联系仿真小助手申请免费观看。提前付费报名讲师线上直播培训的学员，走绿色通道，并给与互动答疑机会。

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