ANSYS瞬态CFD分析实战：流体自控振荡器仿真解析

由于CFD分析的计算量一般比较大，工程师往往都是尽可能地对研究对象进行稳态工况分析，这样可以在很大程度上提升研发效率。但实际中，由于物体运动、边界条件改变或流动自身特性等原因，流动现象都是随时间变化而变化的，这就必须进行瞬态CFD分析。今天我们就以流体自控振荡器为例来了解下如何使用ANSYS进行瞬态CFD分析。

图1显示的是一个振荡器结构，为了减少计算量，我们采用2D模型来分析。由于康达效应的影响，入口射流会有偏向一侧曲面的趋势，而结构又是对称的，因此射流一开始会随机偏向任意一侧。当流体偏向某一侧的时候，由于结构存在反馈回路（红色虚线），反馈流体会对入口射流产生干扰，使得射流偏向另一侧。这样，即使在入口射流流量不变的条件下，射流将会在两个偏转状态之间不断来回切换，出口处就形成了交替出流的情况。这是一个明显的瞬态现象，需要进行瞬态分析。

图1 流体自控振荡器结构图

瞬态分析有两点是需要特别注意的：

1、 合理给定初始值。与稳态分析的初始值不同，瞬态分析的初始值是有实际物理意义的，表示瞬态现象在0时刻的物理状态，对于流动内部自发的瞬态现象，可以先求解一个稳态解作为瞬态分析的初始值。

2、 合理设定时间步Δt。如果周期T已知，那么Δt< T/20，如果T未知，那么

其中L为特征网格长度，V为特征速度。

所以，我们先按稳态模型设置的过程求解出一个稳态解。模型基本设置如下：

‒    分析类型：Steady

‒    湍流模型：Standard k-ε，Standard Wall Functions

‒    流体域：水

‒    入口边界：速度入口（10m/s）

‒    出口边界：压力出口（0Pa）

‒    求解方法：SIMPLE

‒    监视器：残差、出口流量

经过了一定的迭代步数，从图2和图3可以看出，残差振荡且无法减小，两个出口的流量也呈现周期性变化，这些结果都说明，流体内部存在周期性瞬态的物理现象，是无法计算出一个稳定的解的，但是这个稳态解可以作为瞬态分析的初始值。这里也可以给我们一些启发，当稳态计算无论如何都无法得到一个稳定的收敛解，那这时就需要考虑到，我们分析的稳态对象可能在实际上是瞬态的。

图2 稳态计算结果（残差图）

图3 稳态计算结果（出口流量图）

在ANSYS Workbench中，可以建立如图4所示的完整分析流程，将稳态解作为瞬态分析的初始值。瞬态模型主要有如下修改：

‒    分析类型：Transient

‒    求解方法：PISO

‒    监视器：残差、出口流量（随时间变化）

‒    设置自动保存

‒    时间步长：0.0001s

‒    总求解时间：0.5s

‒    每时间步最大迭代步数：20

图4 ANSYS Workbench分析模型

从图5的计算结果可以看出，两个出口流量都是周期性变化的，且总量一定，一个出口达到最大值时，另一个达到最小值，这就说明入口流体是间歇性地从两个出口流出。从图表数据直接可以得到，一个周期大约包含1250个时间步，即流体振荡的周期T≈0.125s。或者，对流量结果进行傅里叶变化（图6），频率峰值约为8Hz，那么T=1/8=0.125s。

图5 瞬态计算结果（两个出口流量）

图6 瞬态分析结果（出口流量傅里叶变换）

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