不可壓縮流動分析的案例
CFD學習：翼型上不可壓縮流動的分析
作者Cadence CFD 解決方案
要點
分析機翼上不可壓縮流動的重要性。
翼型流體流動分析方法。
用于不可壓縮流動分析的最佳 CFD 工具。
不可壓縮流與可壓縮流
在物理學中，有一個大多數人都會同意的力悖論：當不可阻擋的力遇到不可移動的物體時會發生什么？對于外行來說，任何尋求解決此問題的努力似乎都是浪費時間。另一方面，科學家或工程師可能會應用需要充分審查的科學方法，以便可以從數學上定義假設。如果可以設計一個模型，那么就可以得到一個解決方案。
研究看似不可能的情況通常很有用。例如，了解接近這些條件的系統的物理特性或量化參數以優化物理設備的設計。這方面的一個例子是機翼上不可壓縮流動的研究。空氣是可壓縮的；然而，假設不可壓縮性對于空氣動力學分析和設計來說是有優勢的。
分析機翼上不可壓縮流動的重要性
在設計或研究當今的飛行平臺時，了解機翼周圍的氣流（無論是對稱的還是弧形的）至關重要。這對于確定飛機運行速度范圍內機翼和螺旋槳的最佳材料和形狀非常重要。而速度較慢的飛機（例如馬赫數 < 0.3）的氣流往往會滿足不可壓縮性的標準。
所有真實或自然的流體（包括空氣）都是可壓縮的。然而，如果速度恒定或接近恒定，飛機和機翼周圍的空氣流可以被視為不可壓縮。這等效地意味著，對于可定義的體積或流量塊，密度是恒定的。做出這一假設可以顯著簡化翼型氣流的 CFD 分析。
翼型流體流動分析方法
求解大多數流體力學分析以及翼型研究的基礎是可壓縮納維-斯托克斯方程，如下所示。
可壓縮納維-斯托克斯方程
該方程通常用連續性方程求解，計算量大且耗時。因此，如果可能的話，通常會追求簡化。
展開 FLUENT收斂型噴嘴內不可壓縮流動模擬
本文授權轉載自訂閱號：南流坊
關于ANSYS 2022 版本的學習資料
可在上海安世亞太訂閱號自助領取
從噴水器和真空系統到燃氣灶和按摩浴缸，再到化油器和燃油噴射系統，噴嘴在許多工程應用中都很常見。噴嘴是具有不同橫截面積的幾何結構，其目的是控制流經噴嘴流體的特性。它們通常用于改變（增加）流體流動的速度。噴嘴的核心是質量守恒和動量守恒。
對于密度恒定的不可壓縮流，質量守恒規定流體的速度與噴嘴的橫截面積成反比。這意味著，隨著噴嘴橫截面積的減小，流體的速度增加。如果我們進一步假設流體的粘度可以忽略不計，即流動是無粘的，那么線動量守恒就簡化為著名的伯努利方程。本例的目的是了解守恒定律在確定通過收斂噴嘴的不可壓縮空氣流物理過程中的作用。
1、啟動FLUENT并導入網格
（1）在Windows系統下執行“開始”→“所有程序”→ANSYS 2021 R1→Fluid Dynamics→Fluent 2021 R1命令，啟動Fluent 2021 R1。
（2）單擊主菜單中File→Read→Mesh命令，導入.msh網格文件。
2、定義模型
單擊命令結構樹中General按鈕，彈出General（總體模型設定）面板，在Solver中Time選擇Steady，進行穩態計算，2D Space選擇Axisymmetric。
3、設置邊界條件
（1）在邊界條件面板中，雙擊inlet彈出邊界條件設置對話框。Velocity Magnitude輸入10，單擊OK按鈕確認退出。
（2）雙擊outlet彈出邊界條件設置對話框。保持默認值，單擊OK按鈕確認退出。
展開 力學筆記#3：物質的可壓縮性和流動的可壓縮性之間的區別是什么？
所以在流體運動中，速度散度完全可以表征可壓縮性。另外，從流體連續性方程（吳望一P107式3.1.3）
也可以推導出，流體密度物質導（物質點在流動過程中的密度變化率）：dρ/dt(ρ為密度)等于-div(v)，也可以表征流體可壓縮性。根據下式（吳望一P101第二式）：
dρ/dt可以表示為（吳望一P501第一式，黃克智P246式6.4.13）：
根據該式，可以看出當速度很小的時候，該式第二項（對流項）接近一個很小的數，而第一項表示定常性（吳望一P109），定常流動下第一項為0，所以直接導致密度對時間的物質導dρ/dt小到可以忽略。通過這種忽略對方程的簡化進而解出來的解是比較符合實際觀察的，也滿足工程需要（早些時候的機翼升力理論的基礎），所以這種對方程的簡化（速度散度為0）就沿襲下來了，這類流動叫做不可壓流動（吳望一P221底部）。
但是當速度很大的時候，該項就具有很大的值，這樣密度對時間的物質導數很大，流體在這種情況下的可壓性就不能忽略了，這種流動也叫做可壓流動。總之，實際上可壓流動才是正常存在的，不可壓流動只是對方程的一種理想化（這種理想化是滿足工程應用的）。空氣雖然是一種比較可壓的物質，但是在低速的情況下，其流動是一種不可壓流動，也就是速度還沒大到產生讓其體積或密度沿著流線產生明顯變化的壓力。
總結：流動的可壓不可壓是表示在建立方程的時候要不要忽略體積的變化，或者要不要將流體當成是可壓縮性無窮大的物質。
參考資料：
吳望一《流體力學》第二版，北京大學出版社。
黃克智《張量分析》第二版，清華大學出版社。
米海珍《塑性力學》，清華大學出版社，2014。
展開 五十二、Fluent瞬態可壓縮流動
可壓縮流動概念</strong></p><p><br></p><p>對于部分易于壓縮的流體，如果計算域內各處壓力變化很大則密度變化也很大。如Ma大于0.3，則密度變化不可忽略，屬可壓縮流動。</p><p><br></p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZyicPH1DZ9AZuoFRAXjM5QicllYYB1LGxLRsmlVsOEBfSjtFdaGMzN7ic648ibUGicar0SNNCnH5AoX17gQ/640?wx_fmt=jpeg" width="100%"></p><p><br></p><p>可壓縮流動按馬赫數大小可分為亞聲速流動（Ma=0.3～0.8左右）、跨聲速流動（Ma=0.8～1.2左右）、超聲速流動(Ma=1.2～5.0左右)和高超聲速流動（Ma>5.0）。</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZyicPH1DZ9AZuoFRAXjM5Qicllx4J1QWfpxdP3ESAO4M9QNKDicmPIOJeAYHhshtocv4zKs51KhBWthDw/640?wx_fmt=jpeg" width="100%"></p><p>一般Ma大于0.3就認為流體屬于可壓縮流動，Ma小于0.3屬于不可壓縮流動。</p><p><br></p><p><strong>2. 模型描述</strong></p><p><br></p><p>模型為二維planar的噴嘴，噴嘴輪廓為正弦形狀，噴嘴入口高度0.2m，壓力為0.9atm；噴嘴出口壓力0.7369atm。
展開 
分享：可壓縮湍流流動
參考資料：ANSYS Fluid Dynamics Verification Manual
算例說明
本案例介紹了方腔內兩股高速氣流的混合流動。
計算域：300mm X 72 mm
物質屬性：理想氣體，比熱為1006.43J/kg-K，導熱系數為0.0242 W/m-K，粘度1.4399e-05kg/m-s
邊界條件：氣流（1）：總壓487 kPa，靜壓36 kPa，溫度360 K，馬赫數2.35，湍動能74 m2/s2，湍流耗散率62300 m2/s3
氣流（2）：總壓37.6kPa，靜壓36 kPa，溫度290 K，馬赫數0.36，湍動能226 m2/s2，湍流耗散率332000 m2/s3
網格劃分
采用矩形網格，網格數量為3000
注意：這里左側為壓力入口邊界，平均分為上下兩個部分，上方為氣流1流入，下方為氣流2流入，同樣，在右側壓力出口處也分為上下兩個部分。
計算設置
本次計算為穩態湍流計算，求解選擇密度基。
物質屬性
計算物質設置它的密度、比熱、導熱系數和粘性
湍流模型
選擇RNG k-e湍流模型
能量方程
激活能量方程
邊界條件
設置上下兩束氣流
壓力出口上下對應兩個位置的設置
設置求解方法和松弛因子
計算結果
計算域速度場云圖
計算值與實驗值對比
x=50mm位置處水平速度值對比圖
參考文獻
S.G. Goebel, J.C. Dutton. “Experimental Study of Compressible Turbulent Mixing Layers”. AIAA Journal, Vol. 29, pp. 538-546, 1991.
展開 OpenFOAM中的可壓縮流動模擬 ￥10
1. 前言
2.使用Docker安裝OpenFOAM
3.在Windows上與其他附加軟件一起安裝
4. rhoCentralFoam中的沖擊管模擬
5.設置rhoPimpleFoam和rhoCentralFoam的缺點
800M，英文視頻，中文字幕，帶案例文件
LS-Dyna ICFD不可壓縮流心臟瓣膜模擬 ￥199
1.LS-Dyna ICFD求解器介紹
不可壓縮流動求解器基于應用于流體力學的現有有限元技術。它與固體力學求解器完全耦合。FSI 耦合分析，允許通過顯式技術進行穩健的弱 FSI 耦合分析，或使用隱式進行強 FSI 耦合分析。除了能夠處理自由 表面流動之外，使用保守的水平集界面跟蹤技術,還可進行雙相流分析功能。還支持基本湍流模型。本求解器是 LS-DYNA 中第一個應用新的體網格劃分器，它只需將流體域邊界的高質量表面網格作為輸入，然后由 程序自動生成體網格。另外，在隨著不可壓縮流的時間推進期間，求解器將自適應地重新網格化輸入求解器 特點。網格劃分器的另一個重要特征是能夠創建邊界層網格。當在流體壁附近計算剪切應力時，這些各向異性邊界層網格是模型求解關鍵。
圖 1 ICFD 汽車外流場、水流沖擊大壩、圓柱擾流案列
2. LS-DYNA ICFD 基本功能
2.1自動體網格生成
ICFD 求解器使用自動體網格器劃分流體域。 這極大地簡化了前處理階段，而且，提供高質量的表面網 格。 對于 FSI 流-固耦合分析，求解器使用 ALE 方法進行網格移動。 在 FSI 模擬導致大位移的情況下，求解器可以自動重新網格化以保證可接受的網格質量。
圖 2 ICFD自動生成邊界層及體網格
2.2網格細化和自適應網格劃分工具
LS-Dyna為用戶提供了幾種工具用于細化局部體網格，以便更好地捕獲網格敏感現象，例如湍流渦流或邊界層分離和再附著。在幾何體設置期間，網格劃分器可以根據用戶指定曲面，生成體積內的局部網格尺寸。如果沒有使用內部網格來指定大小，則網格器將使用封閉體的表面大小進行線性插值。
展開 5-流體的幾組基本概念——壓縮與不可壓縮流、牛頓與非牛頓流、定常與非定常流
認識流體之壓縮與不可壓縮流、牛頓與非牛頓流、定常與非定常流
1、不可壓縮流和可壓縮流
壓縮性是流體的基本屬性。
任何流體都是可以壓縮的，只不過可壓縮的程度不同而已。
液體的壓縮性都很小，隨著壓強和溫度的變化，液體的密度僅有微小的變化，在大多數情況下，可以忽略壓縮性的影響，認為液體的密度是一個常數。
氣體的壓縮性都很大。從熱力學中可知，當溫度不變時，完全氣體的體積與壓強成反比，壓強增加一倍，體積減小為原來的一半；當壓強不變時，溫度升高1℃體積就比0℃時的體積膨脹1/273。所以，通常把氣體看成是可壓縮流體，即它的密度不能作為常數，而是隨壓強和溫度的變化而變化的。我們把密度隨溫度和壓強變化的流體稱為可壓縮流體。把液體看作是不可壓縮流體，氣體看作是可壓縮流體，都不是絕對的。在實際工程中，要不要考慮流體的壓縮性，要視具體情況而定。
2、牛頓流體與非牛頓流體
考慮流體的剪切應力和速度梯度之間的關系。如果流動過程中流體層間所產生的剪應力與法向速度梯度成正比，而與壓力無關，則這種流體為牛頓流體。
非牛頓流體廣是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，指的是其剪應力與剪切應變率之間不是線性關系的流體，粘性隨著剪切力或者剪切速率而變化而改變。非牛頓流體其實很常見，絕大多數生物流體都屬于現在所定義的非牛頓流體。比如人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的“半流體”都屬于非牛頓流體。
太（白）粉溶液是典型的非牛頓流體，它的主要特征是：流體的粘度會因為受到的壓力或速度而變化，壓力越大速度越快，粘度會增加，甚至可以成為暫時性的固體。一盆太（白）粉的水溶液，如果你將手緩慢的插入水溶液中你的手會沒入其中，當你拿出來時手上會沾滿白色的太（白）粉溶液。
展開 Moldex3D模流分析之透視壓縮制程塑料流動行為達到預填料最佳配置
Moldex3D壓縮模塊新增了可視化功能，讓用戶可透視塑料粒子在模穴中的流動行為，以獲取塑料流動平衡性及預填料區體積等信息。如此一來，就能藉此決定最佳的預填料區大小及配置，避免潛在的成型問題。以下將介紹Moldex3D壓縮模塊可視化功能設定步驟，以及分析結果判讀。
步驟1：開啟項目內的計算參數窗口，在充填/保壓接口中勾選粒子追蹤字段。
步驟2：完成充填/壓縮分析后，開啟流動結果中的預填料區ID，顯示粒子追蹤的分析結果。使用者可以選擇用點或線條方式來表現流動行為。
粒子追蹤功能展示
1.此長條產品幾何含有一個壓縮區間與兩個預填料區(如下圖)。
2.分析后在流動/保壓結果中，選擇預填料區ID，可以看到兩種不同顏色(分別代表從兩處預填料區流入的塑料粒子)所顯示的粒子流動行為。由下圖可看出流動行為相當不平衡，使用者可考慮移動預填料位置來改善此情形。
3.修改預填料位置后，再次進行分析。發現壓縮充填的流動變得更加平衡，代表可得到較好的壓力分布，進而改善翹曲變形問題。
展開 定常不可壓縮后臺階湍流FLUENT仿真 ￥299
湍流模型一直是CFD計算中非常重要的一部分內容，以上圖所示的平板流動為例，勻速流體接觸到平板的前緣，開始形成一個層流邊界層。該區域的流動很容易預測。經過一段距離后，流場中開始出現較小的混沌振動，流動開始轉變為湍流，并最終完全轉變為湍流。
以后臺階湍流為例，研究FLUENT中提供的湍流模型計算結果與實驗數據對比，說明湍流仿真中的注意事項。
網格模型
充分發展湍流入口速度分布，以udf形式給定
速度分布
壁面摩擦系數，仿真計算結果對比
收費文件列表
Moldex3D模流分析之飛綠產品的流動不平衡改善了99%！
然而，采用閥式熱澆道卻產生了轉角效應，導致流動不平衡，并引發結合線、包封及熱暈痕問題。飛綠團隊藉由Moldex3D一系列的仿真分析，成功確認問題成因，并驗證解決對策，順利克服問題，達成穩定24小時連續性生產的目標。
挑戰
流動不平衡
包封與結合線
熱暈痕
解決方案
以Moldex3D充填分析及Hexa-based網格技術，找出改善流動平衡的方法
效益
克服外觀瑕疵
成型良率改善99%
穩定生產
案例研究
本產品為一透明儲物罐(圖一)，材料為AS，尺寸為140mm * 140mm * 210mm。模具為雙模穴設計，采閥式熱澆道系統，從底部開始充填。該制程規畫為高量型產品，且需要滿足24小時連續生產的需求。雖然使用閥式熱澆道系統及優良的冷卻水路設計，能有效改善表面缺陷并縮短成型時間，但仍會因為流動不平衡而產生縫合線、包封和熱暈痕等問題。
圖一 產品: 透明儲物罐
根據Moldex3D的模擬結果，確實有偵測到流動不平衡現象(圖二)。進一步觀察溫度結果剖面，可發現因為熔膠繞過閥針而產生轉角效應，導致高溫熔膠大部分往外側分布，并延續至成品(圖三)。
圖二 由Moldex3D的流動波前等值線(左)可看出流動不平衡現象，且與實驗結果(右)相符。
圖三 觀察溫度剖面，發現熔膠通過閥針(左)后產生溫度分配，并延續至成品(右)
仿真結果與實驗驗證皆清楚地顯示，閥針是影響流動平衡的關鍵。因此飛綠嘗試透過CAE快速驗證修改閥針長度和移除閥針的結果后，發現移除閥針后流動平衡有明顯的改善(圖四)，實際成型驗證亦與分析結果吻合(圖五)。
最后飛綠透過翻轉式流道設計，縮小了熔膠通過澆口后的溫度差異(圖六)，并改善了流動平衡(圖七)。
展開 
Moldex3D模流分析之一次解決電子零件的流動不平衡、縫合線及包封問題
圜達團隊使用Moldex3D分析并設計變更出解決方案，使充填產品流動平衡及縮短成型周期，并改善包封、結合線、缺料等外觀缺陷，應用模流分析來提升產品之良率及降低成本。
挑戰
改善包封、結合線、缺料等缺陷
改善流動不平衡之流道
縮短周期時間
解決方案
圜達團隊藉由使用Moldex3D分析來幫助改變并設計流道位置，使產品充填時流動平衡，并降低殘留應力及縮短成型周期。后又藉由增加溢流區及變更產品外型等設計，來改善包封、縫合線、缺料等外觀缺陷。最終應用Moldex3D將整體良率提升了39.68%，生產周期也降低16%。
效益
有效控制縫合線位置
流動平衡
減少澆道料頭節省材料
縮短成型周期
提升良率
案例研究
本案例之T3C輕觸零件尺寸為3mm * 2mm * 0.6mm，模具為八個模穴的設計(圖一)，內側模穴的平均厚度為0.06~0.09mm，使得制造技巧難度較一般產品高。
圖一 本案例產品之原始設計
經由Moldex3D模擬，發現確實有流動不平衡的問題。由于魚骨型的流道設計，造成內側的塑料會流動得比外側還要快(圖二)。
圖二 分流道區域有流動不平衡的情形
此外因流道區域的最大冷卻時間過長，使得成型周期也連帶拉長，達到7~8秒(圖三)。
圖三 仿真顯示冷卻時間過長
進一步觀察到縫合線(圖四紅線處)集中在產品背部凹孔處，此將導致流體容易滲入，使產品導通不良。
圖四 潛在的縫合線位置
此外，最大剪切應力(圖五)約為6MPa也過高，將使塑料產生裂解及過多殘余應力。
圖五 產品有過高的剪切應力
仿真結果及實驗都清楚顯示，流道設計為影響流動不平衡的主因。因此根據Moldex3D的分析及多次實際驗證結果，設計了新的流道以取代原始方案。
展開 ANSYS中看似簡單的彈簧壓縮分析，其實不簡單 ￥8.8
基于workbench的彈簧接觸分析
Ansys Workbench的非線性分析主要包括大變形非線和接觸非線性分析，其設置容易求解難成了一大問題，本實例通過一個錐形彈簧壓縮實例來解釋大變形和接觸的部分設置方法使之收斂（微信：fwz0703）
1.建立模型
DM中可以建立彈簧模型，不過還是建議從其他三維軟件導入吧，畢竟dm中部分功能不容易實現
2.劃分網格
該模型劃分簡單，直接劃分成為四面體，另外上下面設置成剛性體，減小網格數量和接觸搜索范圍
3.設置接觸
設置相應的接觸為bond接觸和frictionless接觸形式
4.設置求解
該分析需要設置分步求解，為什么需要分步求解呢，因為計算多了就明白了，不需要分步的時候是一步計算是不收斂的，計算到一半位移的時候差不多就停止了，所以需要分步，第一步設置10個子步，第二步加密步數到20個子步就可以了
5.重啟動設置
該分析的難點之一便是第二步求解之后依舊不收斂，到后面停止，但是不要緊，將步數設置為50步，然后重啟動采用人工不是，從剛才的位置繼續計算就可以了，直到最后求解結束
6.提取結果
應力和變形結果如下
計算源文件和設置方法，以及非線性接觸計算需要收斂的方法
歡迎關注 https://www.yqgqt.org.cn/z/290258
展開 Moldex3D模流分析之怎樣改善單穴閥式熱澆道之流動不平衡及型蕊偏移現象
圖九 產品改善前后質量大幅提升
結果
飛綠股份有限公司藉由Moldex3D的模流分析掌握影響成形的有效因子，分別為模具鋼材、公模仁位移及正反操作側模溫差控制…等，掌握塑料流動狀況，判斷最佳流道形式，并以最適當且具有效率的方式調整制程參數，最終達到消除包封、結合線，符合產品外觀質量…等要求，并達到成形生產良率由0%至99.7%良率的提升(0.3%不良為其他因素)，且穩定連續24小時生產的目標。因此，透過Moldex3D強而有力的分析模塊，整合材料、模具設計、成型參數，可有效預測缺陷并制定調整對策，縮短開發時間與減少模修次數，大幅降低開發成本。
展開 提升有限元分析核心能力，這三類概念思維不可或缺
實際上，溫度應力是由于溫差和結構的約束共同作用引起的，當溫度變化時，材料中產生熱應變（伸長或縮短），結構的約束使其不能自由伸縮時即產生熱應力。因此，熱應力計算時一定涉及到兩個溫度，即：參考溫度和工作溫度，而參考溫度同樣需要正確輸入。
3、在網格劃分時，需要結合幾何特征和彈性力學的基本概念，
決定網格的合適密度。圓孔附近的應力集中問題解答就是彈性力學概念在這方面的一個典型的應用。在應力集中區域選擇合適的網格密度，以獲取較高精度的應力解答。
根據材料力學，不受橫向分布荷載作用的梁，其撓曲線為三次，因此如采用線性插值的BEAM188單元，分析不受橫向載荷作用的梁、柱時，沿長度宜劃分為至少3~4個單元，否則位移精度無法滿足。
4、此外，在建立計算模型時
，有的時候需要取一部分而不是整體結構作為建模的范圍。實際上，整體結構處于平衡狀態，則其任何局部均處于平衡狀態，因此結構的任何局部均可作為研究對象加以分析，但是在確定建模范圍（求解域）時，需要根據概念來判斷所取范圍的邊界是否明確，不能把求解域的邊界設置在邊界條件不明確的位置。
二、運用概念指導邊界條件的施加
邊界條件和載荷的施加是有限元分析中的關鍵環節，
如果說劃分網格會影響到計算的精度，那么邊界條件的施加則直接決定了計算是否正確。
1、施加約束和荷載時，注意方法并不唯一。
一個典型的問題就是采用簡支梁加載形式還是懸臂梁加載形式。一個在跨中承受集中力的簡支梁，如果跨中截面被固定，左右支座位置處去掉支座代之以反力，則簡支梁變成兩段懸臂梁，約束條件不同，但是梁的受力狀態完全一致。
2、在機械結構分析中，邊界條件的施加方法往往也不是唯一的。
展開 