hypermesh在MFX-ANSYS,CFX流固耦合中的应用

Hypermesh在MFX-ANSYS/CFX流固耦合中应用

(1)MFX-ANSYS/CFX

目前CFX 流场计算和ANSYS结构计算之间的耦合平台是MFX-ANSYS/CFX,该平台是2005年ANSYS10.0版本推出的专门用于计算多物理场耦合问题的计算模块,它可以同时运行ANSYS结构计算程序和CFX流体计算程序,真正实现了CFD/CSD的双向耦合求解。通过该平台把流场中的压力计算结果和结构场中的位移计算结果进行交换,进行耦合计算。即在流体区域内求解非定常流体方程,在固体的区域内求解固体方程,在每一个时间步长后,将求解流体方程得到的气动力传递给固体,将求解固体方程得到的节点位移作为边界条件传递给流体,然后进行下一步迭代。在耦合计算中,定义流固界面程序自动进行在流固界面进行平衡迭代,完成稳态和瞬态流固耦合分析。

本文分别在Hypermesh中建立结构域模型和流体域模型,对结构域划分有限元网格,定义边界条件和耦合面,定义结构域求解控制,最后生成*.inp(.cdb)文件供CFX-ANSYS/CFX调用。同样,对流体域划给有限元模型,定义流场域边界组元。把hypermesh 生成的流体网格导入cfx-pre,进一步定义边界条件和求解控制,之后会在CFX中针对流体域会生成*.def文件。有了这两个文件后,启动CFX-ANSYS/CFX求解器,分别指定*.def文件和*.cdb文件开始ANSYS和CFX之间的双向耦合计算。本文前处理工作绝大部分在hypermesh中完成。

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MFX-ANSYS/CFX流固耦合计算流程

(2)求解算例

平板在流场中振动是一个典型的流固耦合算例。已知在12m*0.06m*6m的流场控制域中放置一个1m*0.4m*0.06m的平板,流场控制域四周封闭,前后表面设置为对称边界条件,平板下端全约束,在平板和流场控制域相接面为流固耦合面。在平板左侧施加一平面压力100Pa使得平板向左侧弯曲,0.5s后该作用力释放,平板左右震荡试图回到垂直的位置。由于流体的阻尼的存在,使得平板振幅趋于减缓,最终平板将回到垂直位置。设置计算时间为50s(time,50.0)。

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(3)Hypermesh在计算中应用

结构域网格:对平板结构划分有限元网格,并赋予单元和材料属性,模型中设置两个节点集合(Analysis —entity sets),一个取名为pressure,存放平板受压面上的nodes,一个取名为FSIN_1,存放平板与流场接触面上的nodes,包括平板左右两侧面上的nodes以及上表面上的nodes。定义边界条件和求解控制,输出ansys的命令流文件plate.cdb。

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打开plate.cdb文件,添加如下命令:

*DIM,_loadvari27,TABLE,4,1,1,TIME !定义压力随时间变化table,变量名:_loadvari27 ! Time values

_loadvari27(1,0) = 0.

_loadvari27(2,0) = 0.499

_loadvari27(3,0) = 0.5

_loadvari27(4,0) = 50.

! Load values

_loadvari27(1,1) = 100.

_loadvari27(2,1) = 100.

_loadvari27(3,1) = 0.

_loadvari27(4,1) = 0.

在 /SOLU前添加命令CMSEL,S,PERSSURE,sf,all,pres,%_loadvari27%,这样把瞬态压力载荷添加到到平板压力面上。在CMBLOCK,perssure,NODE,2命令前添加SF,FSIN_1,FSIN,1,定义耦合面,以便在CFX中定于求解控制能够辨别耦合面。

流体域网格:打开hypermesh,转到CFD控制界面。划分流体控制域网格,由于流体和网格是两套网格,不要求结构和流体网格在耦合面节点重合,这里全部采用六面体划分流体网格。定义耦合面为fsi interface,控制域前后定义为对称面symm1,symm2,四周定义为wall,底部面定义为base,在CFX中,wall和base定于为无滑移边界。

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在hypermesh界面上,依次选择utilty,CFD I/O,Fluent CAS/MESH files,Write,输出fluid.cas 文件。至此流体域网格的划分和求解边界的设置。

(4)在CFX-PRE 中进行设置

1. 启动CFX-Pre,导入流体网格:

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2. 设置分析选项(Analysis type),按照下图所示操作。 mechanical input file 即是固体部分网

格,指定ansys文件位置,一般的该文件所在目录要与CFX的工作目录保持一致。

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3. 新建流体,取名为:MAT fluid,并设置新流体参数。

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4. 设置流体控制域domain 求解参数

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5. 设置边界条件:插入新边界设置,取名为:FSI interface,选取耦合面(abc 2)设置为no slip wall边界条件,mesh motion控制选项中,选中ansys mutilfield,ansys interface选项中选中

FSIN_1。

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同上,插入新边界条件,另取名为symm1,在boundary type中选择symmetry,在location中选中边界面symm1 2;重复上述操作,插入新边界条件,另取名为symm2,在boundary type中选择symmetry,在location中选中边界面symm2 2。

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其他从hypermesh中设置好的边界面,如base2和wall2,导入CFX后若没有重新设置的话,将默认为无滑移wall边界。如下图所示。

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6. 初始化流场:

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7. 求解控制:solver下选择solver control,反键点Edit。或者点快捷方式。

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8. output control:solver下选择output control,Edit。快捷方式:。

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Monitor:监视点(0,1,0)x方向位移。

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至此,在CFX-Pre中流场求解设置完毕,保存以上设置。

(5)求解

写求解文件:file —write solver file,保存为cfxUnnamed.def。保存后CFX将自启动CFX-Solver Manager,并要求Define Run。其设置按照如下所示,设置好后,点击start run,即可开始CFX和ANSYS双向耦合分析。

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