在介绍CFD之前,我们先了解一下CAX—计算机辅助集成技术,CAX是近些年提出的一个理念,他是把CAD、CAM、CAE、CAPP等多项计算机辅助技术综合起来叫做CAX。C和A,就是Computer、Aided ,就是计算机辅助技术。
CAX-计算机辅助集成技术
在早期传统的产品设计过程之中,我们更多的是依托经验,或者是一些理论公式。而近些年,随着计算机辅助技术的发展,我们所有的产品设计,计算机都可以提供实时的互动,所以有了这种技术,不管是三维软件设计,还是进行虚拟仿真,在一些制造类或者工艺类的过程,都可以跟计算机的联系起来,这样我们的工作,严谨程度变得更高,效率也更高,所以CAX目前来看仍旧是产品设计过程当中一个主要的发展方向。
在CAX里面,比较重要的有CAD、CAE、CAM等,Fluent就是从属于CAE,我们又称之为计算机辅助工程,它主要就是通过计算机,把产品设备的性能通过仿真的形式描述出来,常见的分析类型的有流体、结构、电磁、热学、光学等。
CAE软件分类
CAE软件的可以分为两类。
第一类,专业的CAE软件。这种软件主要是,应用于一些固定的产品,或者固定的仿真模板,或者是一些专有的行业,这种仿真流程相对固化,更多的适用一些二次开发的场景。
第二类,通用的CAE软件。最为典型的Fluent,就是一个通用的CAE软件,它可以对多种类型的产品进行流体性能评估,不局限于某一固定的行业。这类通用的CAE软件,它的学习和使用难度,就相对要大一些,因为其可以自由发挥的空间很大,如果功能很少,使用面较窄,那就没法适应多个通用的行业,所以通用软件,优点是自由度高,缺点是对应的难度可能会更大。
从物理场的维度来看,CAE软件可以分为流体、结构、电磁、热学、光学等等。目前最常用的就是流体、结构,还有电磁,热的话,可能更多的是融合在这三个物理场里。光学的话,这块可能相对来讲要独立一些,近几年是有一个比较大的发展。
CAE的一个主要工作流程大概分三个步骤。首先是前处理,然后求解计算,最后是后处理。那这三个步骤,将会伴随我们这次课程全部内容,因为我们课程里包含大量的案例,案例的操作基本就是围绕这三个步骤进行的。最后就是CAE软件一些主要的作用,包括:可以减少设计成本、缩短设计和分析的循环周期,然后还有一些优化功能,最后,还可以进行一些故障诊断。
ANSYS多物理场仿真体系
既然提到ANSYS,我们还是稍微了解一下ANSYS多物理场仿真体系。
ANSYS从上世纪80年代开始了,就已经开始了有限元研发。最开就是从做结构起家(相信大家有些人,应该对ANSYS Mechanical命令流有一定了解),然后不断扩大规模,其中有一些是自行研发的软件,而更多是通过收购,包括流体、电子、半导体、光学等其他仿真软件,目前ANSYS已经是一个非常非常庞大的,非常完善的这样一个多物理场仿真体系。流体家族有很多产品,像Fluent、CFX、Chemkin、polyflow等等,这些软件,它的功能也是各有不同,我们这次培训还是以Fluent为主,就主要介绍Fluent的相关的技术。
ANSYS CFD 流体相关的产品体系也是非常庞大,如果以前有接触过我们CFD,或者是接触过流体力学的话,应该有所了解,CFD仿真通常要有四个步骤:几何、网格、求解,以及后处理。不同的步骤,同时不通的步骤,有不同的软件,可以实现相应的功能。简单的讲就是,每一个方块都是一个单独的、独立的软件,然后ANSYS CFD流体是集成在,整个Workbench平台下面进行仿真工作的。
虽然ANSYS产品的体系很庞大,但想要实现单一的CFD仿真功能,并不需要把这些所有的内容全部掌握,只需要掌握一条主线,能把几何、网格、求解、后处理,这几个步骤跑完就可以了。
最新官方工作思路
1、传统的工作流程
对于初学者,或者对于一些简单的问题,实际上在前几年采用的是这样一个工作思路。
第一几何,通过SCDM进行这样一个布置和处理。
第二网格,使用Workbench Meshing 进行网格处理。
第三求解器,用Fluent来做。
第四后处理,通过CFD-post进行一些后处理的工作(当然Fluent的本身也具备后处理的能力),所有的工作都在ANSYS Workbench 平台之下完成。
ANSYS的图形化的工作界面还是非常形象的,多工况处理显的也很容易,整个流程跑下来的话,难度也是比较适中,但他唯一的缺点就是,我们想要完成这样一个工作,需要学习很多个软件,这是是一个比较麻烦的事情,所以我们现在就把它定义成一个传统的流程。
2、全新工作流程
近两年ANSYS推出了一个全新的流体分析的流程,基于Fluent开发了一个全新的、统一的操作界面,而且支持的简体中文(就是界面的话是中文的),因为Fluent本身具备求解和后处理的能力,所以又吸收了Fluent Meshing 工具,作为前处理的步骤,而且针对Fluent Meshing 进行了大量的二次开发,开发了一个更易于上手的上工作流。全新的工作流程,不需要依托ANSYS Workbench开展,只需要Fluent一个软件就可以完成,整个CFD的仿真流程。
在左上角,放了一个很小的SCDM,因为在很多情况下,还是需要SCDM对整个的访仿真流程进行一些操作和帮助。但价值就远远低于上面传统流程里面SCDM地位。传统的工作流程,我们必须在SCDM里面做大量的工作,才能使我们仿真的进行下去。新版的话只需要在SCDM做很少一部分工作,甚至是不做也可以完成整个流体仿真,这就是我们全新的流程。
全新的工作流程,对比老版本他的传统流程,有一些优点,也会有一些缺点,但是我们必须要紧跟时代的步伐,按照ANSYS原厂的理念,掌握新的技术,并且应用起来,肯定是优势要大于劣势。
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