FLUENT参数化分析方法详解

本教程通过一个仿真分析汽车供暖、通风和空调（HVAC）管道系统中的三维湍流流动和传热问题的案例，介绍ANSYS Workbench中可用的参数分析实用工具。

在本教程中，将通过在输入参数中添加约束来重新定义在ANSYS DM中创建的几何参数。使用ANSYS FLUENT来建立和解决CFD问题，在定义问题的同时，您还将学习在ANSYS中定义输入参数。本教程还将提供如何在ANSYS CFD-POST中创建输出参数。

在过去的汽车空调系统设计中，一般需要制作工程样机在实验室中通过实验的手段进行性能测试。然而，随着计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）和计算机辅助制造（CAM）技术的引入，现代汽车空调系统的设计过程得到了改进。使用CFD进行空调系统性能仿真测试可以得到包括流体速度（气流）、压力值和温度分布在内的计算结果。

作为分析的一部分，设计者可以改变系统的几何形状或入口速度、流量等边界条件，并观察流体流动模式的影响。本教程演示了一个有代表性的汽车空调系统的空调设计优化过程，它包括一个用于冷却的蒸发器和一个用于加热要求的热交换器。这个暖通空调系统是对称的，所以几何通过使用对称平面进行简化，以减少计算时间。

1、启动WORKBENCH并导入模型

1）在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 18.2→Workbench 18.2命令，启动Workbench 18.2。

2）在Workbench主界面中，单击主菜单中File→Restore Archive按钮，弹出Select Archive to Restore（导入保存文件）对话框，选择文件名为fluent-workbench-param.wbpz的文件，单击OPEN按钮弹出Save As（另存为）对话框，保存为fluent-workbench-param.wbpj和相应的fluent-workbench-param_files文件夹，在Workbench主界面中显示本案例项目。

3）单击主菜单中View→Files按钮，在Workbench界面中显示项目所涉及的各类文件及其存储位置。

4）在窗口中双击Parameter Set（参数设置），弹出Parameter Set（参数设置）选项卡。

在Outline of All Parameters视窗中，参数hcpos代表模型换热器阀门的开度大小，当hcpos值为25时，阀门开启流体可以经过换热器，当hcpos值为90时，阀门完全关闭。

参数ftpos代表模型风管阀门的开度大小，当ftpos值为20时，阀门完全关闭，当ftpos值为60时，阀门开启流体可以经过风管。

参数wsfpos代表模型挡风玻璃和前面板阀门的开度大小，当wsfpos值为15时，阀门开启流体可以经过挡风玻璃，当wsfpos值为90时，阀门完全关闭，当wsfpos值为175时，阀门开启流体可以经过挡风玻璃和前面板。

5）在Outline of All Parameters视窗中，在New input parameter行中，在Parameter Name中输入input_hcpos，input_ftpos和input_wsfpos，建立三个新的变量，在Value中对应输入15，25和90三个值。

6）在Outline of All Parameters视窗中，单击变量hcpos，在Properties of Outline视窗中改变Expression中的值为min(max(25,P4),90)。

7）同样的，改变变量ftpos的Expression值为min(max(20,P5),60)，改变变量wsfpos的Expression值为min(max(15,P6),175)。

8）点击Parameters Set选项卡旁边的X关闭窗口，更新项目的Geometry和Mesh。

2、设置求解参数

1）在窗口中双击Setup（设置），启动FLUENT 18.2。在FLUENT Launcher界面中保持默认值，单击OK按钮进入FLUENT主界面。

2）在主菜单Setting Up Physics→Solver中，保持默认设置。

3）单击主菜单Setting Up Physics→Models按钮，勾选Energy。单击Viscous按钮，弹出Viscous Model（湍流模型）对话框，选择k-epsilon (2 eqn)湍流模型，在Near-Wall Treatment中选择Enhanced Wall Treatment，单击OK按钮关闭湍流模型对话框。

4）单击主菜单中Define→Cell Zone Conditions按钮启动Cell Zone Condition（区域条件）面板。选择fluid-evaporator单击Edit按钮弹出Fluid对话框，勾选Source Terms，在Source Terms选项卡中，在Energy旁单击Edit按钮弹出Energy sources对话框，在Number of Energy sources中输入1，输入-787401.6W/m3，单击OK按钮关闭窗口。

3、设置参数值

1）单击主菜单中Define→Boundary Conditions按钮启动的边界条件面板。

2）在边界条件面板中，双击inlet-air弹出边界条件设置对话框。

在Velocity Magnitude中选择New Input Parameter弹出Input Parameter Properties对话框，在Name中填入in_velocity，在Current Value中输入0.5，单击OK按钮确认退出。

在Specification Method中选择Intensity and Hydraulic Diameter，在Hydraulic Diameter中填入0.061。

在Thermal选项卡中，设置Name为in_temp的参数，在Current Value中输入310。

3）在FLUENT主界面左侧的模型树中，单击Parameters & Customization→Parameters →Input Parameters可查看设置好的边界条件参数。

4）在边界条件面板中，双击outlet-front-mid弹出边界条件设置对话框。

在Specification Method中选择Intensity and Hydraulic Diameter，在Hydraulic Diameter中填入0.044。

5）在边界条件面板中，单击Copy按钮弹出Copy Conditions（边界条件复制）对话框。

在From Boundary Zone中选择outlet-front-mid，在To Boundary Zone中选择outlet-front-side-left，单击Copy按钮完成复制。

6）同样的，在outlet-foot-left中，在Specification Method中选择Intensity and Hydraulic Diameter，在Hydraulic Diameter中填入0.052。

4、计算求解

1）单击主菜单中Solve→Methods按钮，弹出Solution Methods（求解方法设置）面板。

在Scheme中选择Coupled，在Spatial Discretization中Pressure选择PRESTO!，Momentum选择First Order Upwind，Energy选择First Order Upwind。

2）单击主菜单中Solve→Initialization按钮，弹出Solution Initialization（初始化设置）面板。

Initialization Methods中选择Hybrid Initialization，单击Initialize按钮进行初始化。

3）单击主菜单中Solve→Run Calculation按钮，弹出Run Calculation（运行计算）面板。

在Number of Iterations中输入1000，单击Calculate开始计算。

4）计算完成后，关闭FLUENT软件，返回Workbench主界面。

5、后处理设置输出参数

1）双击Workbench界面中Results项，进入CFD-Post界面。

2）在outline栏中双击Default Legend View 1，弹出Details of Default Legend View 1面板，在Definition选项卡中Title Mode选择Variable，在Appearance选项卡中Precision中填入 2并且选择Fixed，单击Apply按钮。

3）单击任务栏中（矢量）按钮，弹出Insert Vector（创建矢量）对话框。默认矢量名称为“Vector 1”，单击OK按钮进入矢量设定面板。

4）在Geometry（几何）选项卡中Locations选择symmetry central unit，Sampling选择Equally Spaced，# of Points中填入10000，Projection选择Tangential。

在Color（颜色）选项卡中，Mode选择Variable，Variable选择Pressure。

在Symbol（符号）选项卡中，Symbol Size中填入0,05，勾选Normalize Symbols，单击Apply按钮创建矢量图。

5）单击主菜单中Insert→Location→Surface Group按钮，弹出Insert Surface Group（创建表面组）对话框，名称设置为“alloutlets”，单击OK按钮进入Details（细节）面板。

6）在Geometry（几何）选项卡中，单击Locations旁边的按钮，弹出Location Selector对话框，选择outlet foot left，outlet front mid，outlet front side left和outlet windshield四个表面单击OK按钮确认，则alloutlets出现在outline选项卡User Locations and Plots中。

7）同（5）~（6）步，创建名称为frontoutlets的表面组，选择的表面包括outlet front mid和outlet front side left。

8）单击主菜单中Insert→Expression按钮，弹出Insert Expression（创建表达式）对话框，名称设置为“floutfront”，单击OK按钮进入Details（细节）面板。

9）在Definition（定义）选项卡中输入-(massFlow()@frontoutlets)*2，单击Apply按钮创建，在Expressions（表达式）选项卡中，右键单击新建的floutfront表达式选择Use as Workbench Output Parameter。

10）同步骤（8）~（9），创建名称为floutwindshield，floutfoot和outlettemp的公式，对应的表达式分别为：-(massFlow()@outlet windshield)*2，-(massFlow()@outlet foot left)*2和massFlowAveAbs(Temperature)@alloutlets，且全部选择为Use as Workbench Output Parameter。

11）关闭CFD-POST软件，返回Workbench主界面。