基于CFX和Workbench的数值仿真技术

李丽丹，李 声

（中科院光电技术研究所，四川 成都 610209）

1 引 言

要确定一个飞行器的气动特性，往往要在一个或多个风洞中进行各种模拟实验，才能获得接近实际飞行时的飞行器的气动特性[1]。在风洞实验中，需要改变模型的姿态。模型大多采用尾部支撑方式，以减小支架对模型的影响[2]。同时为了在一次试验中测试各种角度的试验数据，往往需要能够连续调整姿态的机构以降低试验成本。为满足飞行器模型支撑机构的可靠性，还需要分析其工作时的强度和刚度。由于其工作于流场内，因此该文中利用CFX和Workbench对飞行器模型支撑机构进行流热固耦合仿真分析。

CFX是目前处于世界领先地位的CFD软件之一[3]，广泛用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和化学反应等问题[4]。Workbench是用Ansys求解实际问题的新一代产品[5]，它给Ansys的求解提供了强大的功能。这种环境为CAD系统和设计提供了全新的平台，保证了最好的CAE结果[6]。

耦合分析包括单项耦合和双项耦合。单项分析包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于某一物理场分析，通过将前一个分析的结果作为载荷施加到后一个分析的方式进行耦合。双项耦合分析只包含一个分析，使用包含多场自由度的耦合单元。风洞中的风载荷和飞行器模型支撑机构之间的流固耦合分析中，支撑机构的变形很小，对流体流动情况产生的影响很小可以忽略，因此采用单向的耦合[7]。热-应力分析也是间接问题，因为热分析得到的温度对结构分析的应变和应力有显著的影响，但结构的响应对热分析结果没有很大的影响，因此也采用单向耦合。

2 利用ICEM和CFX进行外流场分析

2.1 利用ICEM划分流场网格

ICEM能支持目前流行的CAD数据类型，具有强大的网格划分和先进的网格编辑功能。由于模型较复杂，所以该文利用四面体加棱柱网格对其划分。网格生成后，用户可以通过Output选择求解器并输出文件。该文选择的求解器是Ansys CFX，输出文件格式默认为*.CFX5。

2.2 CFX-Pre前处理

在CFX-Pre中，设置流体类型为理想气体（Air Ideal Gas），参考压力为1个大气压，由于视气体流速为超音速，所以Heat Transfer选为Total Energy，湍流模型选为k-Epsilon。

接下来施加边界条件。所谓边界条件，是指求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。流场的解法不同，对边界条件和初始条件的处理方式也不一样。该文飞行器支撑机构风洞模拟采用稳态求解，边界条件如下：（1）入口：入口速度600 m/s，方向垂直与所在面，温度恒为20℃，湍流强度设为中等。（2）出口：超音速。（3）固体表面：气流与模型接触面设为固体表面，绝热。该面对速度、压力使用无滑移边界条件。（4）风洞墙面：该面对速度、压力使用滑移边界条件，绝热。

2.3 CFX-Solver求解

求解之前，设置时间步长为Auto Timescale，收敛精度为e-5。求解残差收敛曲线如图1所示。

图1 残差收敛曲线

2.4 CFX-Post后处理

CFX提供了丰富的后处理选项，通过后处理可以直观地显示出流场计算结果，图2、图3、图4分别显示的是固体表面温度、压力与流场马赫数。

3 Workbench热结构耦合分析

热结构耦合采用单项耦合，由温度求解得到的节点温度将在结构分析中用作体载荷。在Workbench中只使用固体模型分析。由于实际主支板有一部分处于流场之外，所以先在DM中对模型在其与流场交接处用Slice将其分割，再Form a New Part，以便对其施加CFX结果载荷。还有一点很重要，就是DM中模型坐标方向要与CFX中一致，以确保Workbench能正确地从CFX中读取结果。

热结构分析步骤为：稳态热分析——温度场映射到结构模型上——结构分析。

在DM中建立好模型之后即可转入DS分析。飞行器模型支撑结构材料为30CrMnSi优质合金钢。首先进行稳态温度场分析，对模型表面加载CFX温度结果，通过“Insert/CFX Temperature”，在“Geometry”中选择所有与流场接触的固体表面，然后在“CFX”中Import CFX Result File。处于流场外的主支板部分表面温度设为22℃。最后在结果中选取“Temperature”，进行求解。

其次，进行结构静力分析，在菜单栏“New Analysis”中 选 择 “Static Structural”。 通 过“Insert/Thermal Condition”，在“Condition”中选择“Non Uniform Condition”读入温度场结果，并通过“Insert/CFX Pressure”对模型加载CFX压力载荷，在“Geometry”中选择所有与流场接触的固体表面，然后在“CFX”中Import CFX Result File。同时固定主支板底面。最后在结果中选择应力和变形，进行求解。求解结果如图5和图6所示。

4 结束语

图2 固体表面温度

图3 固体表面压力

图4 固体周围流场马赫数

利用Ansys CFX和Workbench软件，研究了超音速风洞中飞行器模型支撑机构的强度和刚度。首先在CFX中进行外流场分析，再将得到的固体表面温度和压力导入Workbench中进行分析，从而实现了流热固耦合仿真分析。从分析结果可以看到，最大应力为267.4MPa，小于材料的极限应力。主支板的变形也符合设计要求。该方法可以大大提高数值仿真效率，对CAE工程分析人员具有很大的借鉴意义，同时也给CAD设计人员对局部大应力部分结构的优化改进提供了指导。

图5 模型支撑机构应力图

图6 主支板变形

[1] 范洁川.世界风洞[M].北京：航天工业出版社，1992.

[2]董培涛，吴学忠.一种三自由度模型姿态调整机构的正反解分析[J].国防科技大学学报，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]王福军.计算流体力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[5]Moaveni S.有限元分析——Ansys理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[6] 李 兵，陈雪峰.Anays Workbench设计、仿真与优化[M].北京：清华大学出版社，2004.

[7] 娄 淘.基于Ansys的流固耦合问题数值模拟[D].兰州：兰州大学，2008.