CFD分析技能

目的

CFD分析技能提供了与计算流体动力学工具的深度集成，用于内流和外流分析，实现流体仿真的系统化设置、执行和后处理。

能力

ANSYS Fluent、CFX、OpenFOAM工作流自动化
复杂几何体网格生成（结构化、非结构化）
湍流模型选择（k-epsilon、k-omega、SST、LES）
边界条件指定（入口、出口、壁面、对称）
稳态和瞬态流动仿真
压力、速度和流动可视化的后处理
网格无关性研究和验证
压降和流量系数计算

使用指南

前处理

几何准备

CAD清理
- 移除小特征（< 3个网格）
- 填补间隙和孔洞
- 创建平滑过渡
- 定义流体域边界
域定义
- 内流：提取流体体积
- 外流：创建远场边界
- 对称性：识别对称平面
- 周期性：定义周期性对

网格生成

网格类型

类型	应用	优点/缺点
结构化六面体	简单几何	质量高，工作量更大
非结构化四面体	复杂几何	灵活，网格数更多
多面体	复杂内部	质量好，网格数适中
混合	混合区域	为精度优化

边界层网格

首层网格高度：y+ = 1（壁面解析）
                  y+ = 30-300（壁面函数）

y = y+ * mu / (rho * u_tau)
u_tau = sqrt(tau_w / rho)

网格质量标准

正交性：> 0.1（> 0.3 更佳）
偏斜度：< 0.95（< 0.8 更佳）
长宽比：< 100（近壁面 < 20）

求解器配置

湍流模型

模型	应用	壁面处理
k-epsilon 标准	通用工业	壁面函数
k-epsilon Realizable	旋转、分离	壁面函数
k-omega SST	航空航天、分离	低雷诺数或壁面函数
Spalart-Allmaras	外部空气动力学	低雷诺数
LES/DES	非定常、涡脱落	壁面解析

边界条件

入口条件
- 质量流量或速度
- 湍流强度（通常1-5%）
- 水力直径或长度尺度
- 温度（如果包含能量方程）
出口条件
- 压力出口（最常见）
- 出流（充分发展）
- 质量流量出口（指定）
壁面条件
- 无滑移（默认）
- 粗糙度（如果显著）
- 热条件（绝热、固定温度、热通量）

求解设置

离散格式

对流项：二阶迎风（精度高）
           一阶（稳定性好）
压力项：PRESTO（复杂几何）
         标准（简单几何）

收敛标准

残差：< 1e-4（典型）
           < 1e-6（高精度）

监控：质量不平衡 < 0.1%
        力收敛

后处理

流动可视化
- 流线和迹线
- 速度矢量
- 等值线图（压力、速度、温度）
- 表面积分报告
定量结果
- 压降
- 流量系数（Cv）
- 传热系数
- 力和力矩

流程集成

ME-010：计算流体动力学（CFD）分析

输入模式

{
  "geometry": "CAD文件路径",
  "flow_type": "internal|external",
  "fluid": {
    "name": "string",
    "density": "number (kg/m3)",
    "viscosity": "number (Pa.s)",
    "specific_heat": "number (J/kg.K, 如果热分析)"
  },
  "inlet": {
    "type": "velocity|mass_flow|pressure",
    "value": "number",
    "temperature": "number (K, 如果热分析)"
  },
  "outlet": {
    "type": "pressure|outflow",
    "value": "number (如果是压力)"
  },
  "analysis_type": "steady|transient",
  "turbulence_model": "k-epsilon|k-omega-sst|spalart-allmaras|laminar"
}

输出模式

{
  "flow_results": {
    "pressure_drop": "number (Pa)",
    "flow_coefficient": "number (Cv)",
    "max_velocity": "number (m/s)",
    "reynolds_number": "number"
  },
  "forces": {
    "drag": "number (N)",
    "lift": "number (N)",
    "moment": "array [Mx, My, Mz]"
  },
  "thermal_results": {
    "heat_transfer_rate": "number (W)",
    "average_htc": "number (W/m2.K)",
    "outlet_temperature": "number (K)"
  },
  "mesh_statistics": {
    "cell_count": "number",
    "y_plus_range": [min, max],
    "orthogonality_min": "number"
  },
  "convergence": {
    "iterations": "number",
    "residuals": "object",
    "mass_imbalance": "number"
  }
}

最佳实践

始终执行网格无关性研究
验证y+值是否符合湍流模型要求
监控质量和能量不平衡
在可用时用实验数据验证
从稳态开始，再进行瞬态分析
根据流动物理特性使用合适的湍流模型

集成点

与CAD建模连接，用于几何处理
为共轭传热提供数据给热分析
支持换热器设计，用于性能预测
与测试关联集成，用于验证