瞬態流場仿真的案例
內嚙合齒輪泵瞬態流場仿真
王鑫鑫
安世亞太沈陽分公司
利用ANSYS Fluent軟件能夠方便的計算齒輪泵工作過程中的性能參數，本文僅以內嚙合齒輪為例，介紹了仿真主要方法，對于其他類型如外嚙合齒輪泵可以此為參考，選擇合適的方法。
在對齒輪泵進行流場仿真計算時，通常會遇到三個方面的問題：
1）嚙合間隙如何處理？
2）劃分什么樣的網格？
3）動網格如何設置？
下面介紹如何使用ANSYS Fluent軟件解決這三方面問題，順利的實現齒輪泵動態流場的仿真。
本文所選取的實例模型如圖1所示，主要包含內齒圈、齒輪軸、月牙隔板、泵殼等部件。
圖 1.內嚙合齒輪模型
嚙合間隙的處理方法
如圖2，由于齒輪之間的嚙合間隙極小，會給流體域網格劃分帶來很大的困難，而且一般需要采用動網格技術模擬齒輪的旋轉運動，太小的間隙也會使嚙合區域網格重構時產生嚴重的扭曲，造成計算不收斂，所以通常都會對嚙合位置進行適當的處理。
圖2. 齒輪嚙合間隙示意
目前常用的處理方法主要是分離法，即通過增加兩個齒輪之間的安裝中心距來加大齒輪嚙合區域的間隙，這種方法保留了輪齒的真實形狀，但是可能會造成齒輪與其他結構干涉等問題。另一種方法是齒面移動法，即將兩側齒面分別繞著旋轉軸向內旋轉，保證嚙合區最小間隙在0.05mm左右。
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王鑫鑫
安世亞太沈陽分公司
利用ANSYS Fluent軟件能夠方便的計算齒輪泵工作過程中的性能參數，本文僅以內嚙合齒輪為例，介紹了仿真主要方法，對于其他類型如外嚙合齒輪泵可以此為參考，選擇合適的方法。
在對齒輪泵進行流場仿真計算時，通常會遇到三個方面的問題：
1）嚙合間隙如何處理？
2）劃分什么樣的網格？
3）動網格如何設置？
下面介紹如何使用ANSYS Fluent軟件解決這三方面問題，順利的實現齒輪泵動態流場的仿真。
大咖慧齒輪箱仿真專題
11月16日-18日
11月16-18日，安世亞太大咖慧推出齒輪箱仿真專題培訓，內容包含：Recurdyn齒輪嚙合分析、無網格液體流動仿真軟件Particleworks介紹及案例演示、齒輪泵動態流場仿真分析課程介紹介紹。（報名方式見底部）
本文所
選取的實例模型如圖1所示，主要包含內齒圈、齒輪軸、月牙隔板、泵殼等部件。
展開 技術講解 | 內嚙合齒輪泵瞬態流場仿真
作者：王鑫鑫，安世亞太沈陽分公司
來源：本文為安世亞太原創作品，上海安世亞太授權轉載
前言
利用ANSYS Fluent軟件能夠方便的計算齒輪泵工作過程中的性能參數，本文僅以內嚙合齒輪為例，介紹了仿真主要方法，對于其他類型如外嚙合齒輪泵可以此為參考，選擇合適的方法。
在對齒輪泵進行流場仿真計算時，通常會遇到三個方面的問題：
1）嚙合間隙如何處理？
2）劃分什么樣的網格？
3）動網格如何設置？下面介紹如何使用ANSYS Fluent軟件解決這三方面問題，順利的實現齒輪泵動態流場的仿真。
本文所選取的實例模型如圖1所示，主要包含內齒圈、齒輪軸、月牙隔板、泵殼等部件。
圖 1.內嚙合齒輪模型
01 嚙合間隙的處理方法
如圖2，由于齒輪之間的嚙合間隙極小，會給流體域網格劃分帶來很大的困難，而且一般需要采用動網格技術模擬齒輪的旋轉運動，太小的間隙也會使嚙合區域網格重構時產生嚴重的扭曲，造成計算不收斂，所以通常都會對嚙合位置進行適當的處理。
圖2. 齒輪嚙合間隙示意
目前常用的處理方法主要是分離法，即通過增加兩個齒輪之間的安裝中心距來加大齒輪嚙合區域的間隙，這種方法保留了輪齒的真實形狀，但是可能會造成齒輪與其他結構干涉等問題。另一種方法是齒面移動法，即將兩側齒面分別繞著旋轉軸向內旋轉，保證嚙合區最小間隙在0.05mm左右。
圖3.齒面移動示意圖
圖4.移動后的嚙合狀態
02 網格劃分方法
網格劃分對流場求解很重要，ANSYS提供了多種網格劃分工具，讓我們能夠根據模型特點、求解需求選擇最適合的工具和方法。
圖5.
展開 渦旋壓縮機切向泄漏瞬態流場特性
劉國平等、李超等運用有限元分析軟件中的動網格技術和選用RNG
k-
湍流模型對渦旋壓縮機流場進行三維數值模擬，得到了各壓縮腔隨時間周期性變化的流場、溫度場分布規律。Liu等采用有限元分析軟件對壓縮空氣儲能用渦旋膨脹機的工作過程進行了數值模擬，研究了渦旋膨脹機非穩態工作時性能的影響規律以及渦旋膨脹機不同進氣溫度對工作腔內流場的分布特性，該研究對壓縮空氣儲能用渦旋壓縮機流場特性的研究具有重要意義。
上述學者采用數值模擬的方法對渦旋機械工作腔內瞬態流場和溫度場進行研究，獲得了腔內流場和溫度場分布特點等流場信息，但是并未完整反映徑向間隙對工作腔內瞬態流場和溫度場的變化特性。且多采用非結構網格，通過網格拉伸和網格重構劃分動網格區域，導致動、靜渦旋盤的徑向間隙設置往往大于0.1 mm，與實際模型相比誤差較大，不符合實際且計算速度慢。
本文建立了渦旋壓縮機三維非穩態CFD數值模型，整體采用結構化網格劃分渦旋盤流體區域，研究了徑向間隙對腔內流場和溫度場的影響規律，分析總結了進出口流量、嚙合間隙處泄漏氣體速度和溫度的分布規律以及動、靜渦旋齒嚙合過程中工作腔壓力、速度、溫度分布不均勻原因。
1 模型分析
1.1 物理模型
在渦旋壓縮機的設計中，將兩個線型和參數相同、相位差為180°的動、靜渦旋盤安裝后，可以得到多對閉合的月牙形密封腔。
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Workbench fluent風力發電機組葉片流場及溫度場仿真，附詳解視頻及原模型 ￥96
軟件會自動創建接觸，無需單獨設置即可，流場會自動識別為接觸面。
關閉該模塊進入fluent模塊，雙擊對應模塊即可進入流體模塊。
3. 求解設置與邊界條件
材料屬性與求解器配置
材料庫設置，在Fluent中雙擊空氣材料（Air），可以設置對應材料屬性。
CREO ANSYS Simulation 旋流分離器的穩態仿真和瞬態仿真的區別
旋流分離器，普遍使用在各行業各領域。對于流體在旋流分離器內的仿真工作，要根據實體工件設計目的而分別對待，制定不同的仿真模式。
如上圖，如果仿真目的是研究內部流體所表現出來的速度、壓力。仿真模塊選擇“流動”即可。如果還要涉及湍能，物理模塊要增加“湍流”。使用穩態較合適，穩態模式主要研究流體達到穩定的“常態”之后所表現出來的物理特性。不考慮流體達到穩定之前的過程，即與時間無關。如上圖，旋流分離器內的流體是穩定的流動狀態，無論何時，狀態一致。
如果仿真目的除了上述速度、壓力、湍能，還要考慮隨流體一同流動的“顆粒”，仿真模塊另外還要增加“粒子”，顆粒有多少種，粒子模塊就要增加多少個（注意，此粒子有具體質量（密度&體積），與“流線”中無質量的“粒子”有本質的區別）。穩態的仿真模式就不能勝任了，粒子（顆粒）在隨流體“流動”過程中，粒子或沉積或隨波逐流而去，粒子和流體域隨時產生變化（注意，“隨時”兩個字），時間延長則沉積越多，可供流體占用的空間越少，直到顆粒塞滿全部腔體。流體永遠達不到常態的穩定。所以仿真模式必須使用瞬態。瞬態仿真是建立在時間節點上的仿真，其仿真結果第一要素是時間。
瞬態仿真結果，假設，自0開始，第0.1秒結果、第0.2秒結果，第0.3秒結果... ..第1秒......第3秒，共計30個結果連續在一起，形成時間連續的動畫，如上圖，就是30個粒子瞬態仿真結果。
那么，請問，如果我想獲得一個表達3秒種的，相對質量高的動畫，應該如何調整瞬態仿真呢？
播放時長=仿真時長，幀頻=24幀。格式MP4或者GIF。有興趣的朋友可以一試，本文附件為模型文件。
剛才出去吃飯，五個籠包飽了。想起一件事，一個朋友說，能否在穩態下仿真粒子的運動呢？手拿第六個籠包糾結了。五個籠包填飲肚皮，是我飯量的穩定狀態。
展開 Abaqus流場（流-固耦合）仿真案例講解
Abaqus流場（流-固耦合）仿真案例講解
Fluent仿真實例：渦輪增壓機流場仿真
渦輪增壓機，葉片的轉速是28,000 RPM，空氣進口溫度是302.6K，進口流量是1500 SCFM，壓力出口總壓是153507 Pa。
渦輪增壓器的網格劃分分成3部分：進風管道、葉片和蝸殼。分別獨立劃分網格，需要在交界面處網格加密，有利于交界面的數據精確傳遞。
渦輪增壓機的葉片如下：
1、啟動軟件導入網格
1.1 啟動Fluent軟件，選擇3D求解器。
1.2 導入網格。
重排網格分區，操作：Mesh > Reorder > Domain。
2、模型設置
設置湍流模型為k-epsilon模型。
3、材料設置
渦輪增壓機的轉速很快，會對空氣進行壓縮并產生熱量，所以這里將空氣設置為理想氣體。將空氣設置為理想氣體，軟件會提示將能量方程啟動。
4、計算域設置
首先設置轉速的單位，菜單欄Define > Units…
由于葉片區域是旋轉的，需要設置impeller區域。
在打開的設置頁面設置如下。
5、邊界設置
5.1 進口inlet邊界，Type設置為mass-flow-inlet類型。
5.2 出口outlet，Type設置為pressure-outlet類型。
5.3 葉片旋轉邊界impeller_wall，Type設置為wall類型。
5.4 其他的壁面設置，shell_wall和windin_wall，即所有與周圍空氣接觸的壁面。由于增壓機壁面會和周圍環境對流換熱，這里將對流系數設置為10 w/m2-k。
6、interface面設置
這里有兩個對interface面，操作：軟件左側樹目錄Mesh Interface > Create/Edit…
展開 Abaqus管道流場仿真(流-固耦合)案例講解（Part-3）
Abaqus管道流場仿真(流-固耦合)案例講解（Part-3）
如何使用HPC技術實現電磁場全波模型的瞬態仿真
瞬態仿真生成的眼圖和磁場與時域中的物理測量結果良好匹配。下一步是讓激勵回歸HFSS，以便重新計算EM場，這樣工程師能夠關注更重要的磁場。
采用默認設計、屏蔽和掩埋布線的平均磁場
評估合理的解決方案
工程師研究使用多種功能與物理布局方法，試圖尋求最安全合理的解決方案。他們將單元接口的轉換速率從5%提高到8%，從而進一步降低輻射電磁場；還實施了擴頻時鐘方法，在各種諧波上評估了在不同的諧波位置放置共模濾波器的效果。
在三個不同位置采用共模濾波的時鐘眼圖
結果表明，針對此設計方案而言，當靠近信號源放置濾波器時，共模濾波方案更有效率。
工程師利用HPC資源配合ANSYS仿真軟件得到了高精確度結果，能夠解決接口電磁共存問題，以及在原型構建之前評估眾多解決措施的相對效果。同時有效降低了成本，電子產品供應商能夠憑借更低的研發風險和更短的設計周期投入市場并創造收入。
展開 自主仿真 | 基于PERA SIM的水泵流場仿真分析
0.摘要
本文通過安世亞太自主開發的通用流體仿真軟件PERA SIM Fluid對水泵內流場進行計算分析，得到水泵在不同流量下的特性值。通過這個計算分析，展示PERA SIM Fluid的相關功能，希望對其他工程師有所幫助。
關鍵詞：水泵；MRF；揚程特性曲線；效率特性曲線
1.引言
水泵作為一種廣泛應用于各種工業、農業和民用領域的流體輸送設備，其功能和應用在現代社會中顯得尤為關鍵。水泵的主要功能是通過機械能的作用，將低處的水或其他液體提升至高處，或增加其壓力，以滿足灌溉、供水、排水、制冷、加熱等不同場合的需求。其應用不僅限于日常生活，更深入到能源、化工、環保等國民經濟的各個領域。然而，水泵在運行過程中受到諸多因素的影響，如流體的物性、管道布置、轉速、揚程等，這些因素直接關系到水泵的性能和效率。因此，對水泵特性進行深入研究，不僅有助于優化水泵設計、提高運行效率，而且對于節能減排、推動相關領域的技術進步具有重要意義。
在水泵的設計及優化過程中，仿真技術的重要性不可忽視。通過仿真模擬，研究人員可以在不實際制造或安裝水泵的情況下，預測其性能表現，從而大幅縮短研發周期，減少成本投入。仿真可以模擬各種工作條件和流體特性，分析水泵在不同場景下的效率、穩定性和可靠性。此外，仿真還有助于優化水泵設計，通過調整參數和模型，實現性能的最優化。在評估水泵的節能潛力和環境影響方面，仿真技術同樣發揮著關鍵作用。因此，仿真不僅為水泵研究提供了有效的分析工具，更為水泵技術的創新和應用提供了有力支撐。
本文通過通用流體分析軟件PERA SIM Fluid對離心泵內流場流動進行仿真分析，展示PERA SIM Fluid實現水泵特性研究的方法。
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WORKBENCH流固耦合案例#292-螺桿（單）擠出機流場和應力仿真
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WORKBENCH流固耦合案例#292-螺桿（單）擠出機流場和應力仿真
01
案例介紹
如圖所示的螺桿（單）擠出機，擠出量可以設定為800kgh，螺桿轉速340rpm，物料密度700kg/m3，粘度1620Pa.s，物料含水率為30%，要模擬此過程中的流場和螺桿應力分布。
內耳（耳蝸）流場及藥物傳遞仿真 ￥3500
最近，有研究人員探索發現，穩流可以用來沿耳蝸運輸藥物。穩流是一個非線性過程，伴隨著許多波動的流體運動，包括內耳的聲波。本篇文檔基于COMSOL軟件，在建立的三維螺旋耳蝸結構基礎上，仿真計算了穩流效應將藥物從耳蝸底部向頂點運輸的過程。
感興趣的朋友可下載模型了解詳細過程，也可加我Q：172497934，進一步交流與合作
基于Fluent電磁流場散熱特性仿真
控制合適的網格尺寸，為計算熱傳導過程，需對IGBT、整流橋、線圈盤等發熱元件設置固體計算域，因此空氣與各發熱元件的對流換熱過程可采用流固耦合模型進行計算。
圖2 電磁爐內部計算域網格
2.3 流體控制方程
仿真模型基于RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes）方程。
2.4 邊界條件設置
電磁爐系統中共有四個熱源，分別為微晶面板上表面、線圈盤、IGBT和整流橋。微晶面板上表面的熱量主要來自鍋體，可為微晶面板上表面設置與鍋體相同的固定溫度，因此當模擬燒水時，可設置微晶面板上表面為100℃。通過實驗測得線圈盤、IGBT和整流橋的發熱功率分別為100W、7.4W和3.3W左右，因此可為這三個發熱元件設置相應的體熱源。樣機所用軸流風機的型號為SF12025SM，其轉速為2500rpm，PQ性能曲線如圖3所示。為節約計算成本，縮短計算時間，可采用風扇模型來模擬風機的運行。發熱元件與散熱片之間以及發熱元件與空氣之間的熱傳遞過程采用耦合壁面模型進行計算，其他可忽略熱傳遞過程的壁面，如聚風板、導風筋、外殼等，可設置為絕熱壁。風機進風口和電磁爐出風口分別設置為壓力進口和壓力出口。采用定常求解器計算傳熱及流動過程，即忽略控制方程中的時間偏導項，這樣計算出的溫度場和流場均為不隨時間變化的穩定狀態。壓力與速度的耦合采用壓力耦合方程組半隱式算法（SIMPLE）來實現。
圖3 SF12025SM型號風機性能曲線
3 計算結果及分析
3.1 模型準確性驗證
為驗證仿真模型的準確性，需在與仿真模型相同的工況下對樣機進行測溫實驗，并將實驗數據與仿真結果進行比較。
展開 HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
背景介紹
最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)專指研究流體載荷對彈性結構的影響，例如飛機機翼氣動彈性問題，船舶螺旋槳的水彈性問題，核反應堆燃料棒的渦激振動問題等等。在數值仿真領域FSI概念擴展到一般性的CFD模型和FEA模型的數據交換問題。
FSI真實案例：大橋與風場組成了耦合系統，大風產生了一定頻率的卡門渦脫落，這個頻率與耦合系統中的結構固有頻率相近，使系統發生了共振，大橋劇烈晃動直至崩塌。
大橋劇烈晃動直至崩塌
HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：
?分析穩態的流場壓力和溫度場對固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
?分析流體動載荷引起的固體振動現象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
?瞬態流動引起固體大變形，并反饋給流場，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
?固體本身的變形量很小，可以認為是剛體，但是整體產生比較大的位移，可以采用CFD耦合MBD多體動力學分析，也屬于雙向耦合。
以上幾種分析都可以在SimLab模塊中完成，流固交界面的耦合數據在后臺傳遞，無需用戶編輯腳本。
TFSI模型的計算代價最小，通常用于流體靜載荷或溫度梯度引起的固體小變形，例如汽車排氣管的熱應力，發動機水套的熱應力，車燈的熱應力等等場景。
排氣歧管的TFSI分析案例
AcuSolve模型的管路入口為高溫高壓氣體，管路出口為大氣壓和環境溫度，管路外壁面是自然對流散熱邊界。AcuSolve結果傳遞給求解器OptiStruct再分析管路的熱應力和變形。
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