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CFD(Computational Fluid Dynamics)是计算流体力学的简称，其核心就是基于现代计算流体力学的有限单元分析技术。众所周知在计算流体力学中，其计算网格的质量好坏、边界条件的施加以及求解器的求解方法等都将直接影响流体数值仿真的精确程度。目前市面上广泛使用的流体分析软件非常多，有的十分繁琐。本文提供了一种使用流体软件ANSYS CFX与其前处理软件——ANSYS ICEM CFD相结合数值仿真方法，可以大大提高工程分析的效率。
1 ANSYS ICEM CFD和CFX简介
CFX是目前处于世界领先地位的CFD软件之一，广泛用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和化学反应等问题。CFX的前处理模块是ICEMCFD，它提供广泛的CAD和CAE软件接口，可以快速生成多种形式的网格。它在生成网格时，可实现边界层网格自动加密、流场变化剧烈区域网格局部加密、分离流模拟等，这大大提高了数值仿真的精度。
下面以计算浸入式水口浇钢温度场和流场为例来说明在ANSYS ICEM CFD和CFX中的数值仿真技术。
2 运用ICEM OFD建立CAE模型
2.1 几何模型的导入及清理
ICEM CFD提供了广泛的CAD软件接口，当几何实体模型建好以后可以通过ICEM CFD中的File／Import Geometry直接导入CATIA V4、STEP、IGES、UG、PROE等格式的CAD几何模型文件。由于不同的文件格式导入ICEM CFD后的结果会有差异。模型复杂一点的IGES格式，导入后会有很多面的丢失，相对而言CATIA的文件格式比较方便。
在导入几何模型后，需要对模型进行清理。ICEM CFD的Geometry页面中的Repajr Gcome时菜单提供了大量的优化模型和清理模型的工具。对只导入面的模型自动生成了曲线和点，便于网格的划分。
2.2 划分计算网格
ICEM CFD通过映射技术的六面体网格划分功能在拓扑空间进行网格划分，自动映射到物理空间，可在任意形状的模型中划分出六面体网格；也可以应用其自动划分网格功能来生成自由网格。要指出的是由于ICEM CFD自由划分网格的功能十分便捷，因此很多人为了方便直接采用tetra网格。然而对于流场分析，结构网格能够对关键区域进行局部划分，获得高质量的网格，进而得到更可靠的计算结果。如在处理近壁面附近层时，常常需要长的薄单元，由于四面体单元在某一特定方向拉长时，其数值求解特性会变差，计算误差大，方程不易收敛，而使用结构网格可以大大减小计算误差。因此建立六面体网格将大大提高计算的收敛速度和准确度。除了这两种类型的网格外，ICEM CFD还可以建四面体网格、棱柱体网格、六面体混合网格及表面网格，适合不同边界条件的需要。
在使用ICEM CFD生成好网格后，用Pre-Mesh Quality命令对该网格进行质量检查并用Smooth命令对网格质量进行优化。若网格出现负体积，可以通过Move Vertex命令拉动Block顶点，直到质量达到标准。对于湍流边界层，我们需要用Pre-Mesh Params／Meshing Parameters菜单来对边界网格和某些特殊部位进行加密，这可以大大提高计算精度。图1是采用全六面体生成的该容器有限元模型。该模型共有68007个节点，71568个单元。
图1 有限元模型
2.3 导出ANSYS CFX格式的有限元模型
ANSYS ICEM CFD本身附带了多种有限元求解软件的输入输出转换器。用户可以通过Output／Select SolVer选择求解器，并通过Output／Write Input来输出文件。本文选择的求解器是ANSYS CFX，输出文件格式默认为*.CFX5。
3 运用ANSYS CFX求解计算
3.1 导入有限元模型
CFX可以导入不同格式的网格，如CFX Mesh(gtm)、Ansys及Nastran等，从ICEM CFD中导入网格直接选择ICEM CFD网格格式。
3.2 设置流体或固体的物理参数
设置正确合理的材料参数是进行仿真分析的前提，在CFX中所有流体或固体参数均可通过Materials来创建、存储和管理。CFX中自建了理想气体、水和铝铜钢等常用流体和固体的物理参数。分析人员也可通过Create Materials来设置新的流体或固体的密度、粘度、导热系数和比热容等。由于ICEM CFD本身不存在量纲，因此在CFX中设置流体或固体的物理参数时应该注意单位的协调。浸入式水口和钢水物理性质如表l所示。
表1 浸入式水口和钢水物理参数及常用单位
3.3 施加边界条件
所谓边界条件，是指求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。所有CFD问题都需要有边界条件，对于瞬态问题还需要有初始条件。流场的解法不同，对边界条件和初始条件的处理方式也不一样。在CFD模拟时，基本边界条件包括：流动进出口边界、给定压力边界、壁面边界、对称边界和周期性边界等。不同的求解模型，边界条件的选择也不同。本文中浸入式水口浇钢温度场和流场采用稳态求解，边界条件如下：
1)固体表面：浸入式水口与外界接触的面设为固体表面。与外界接触的表面设置成对流换热，对流换热系数为12W／(m·K)，设外界温度恒为300K。该面对速度、压力使用无滑移边界条件。
2)进出口：入口的速度垂直于所在面，并视为稳定的一维流动。入口处为水口上部定义速度为2m／s，入口温度为T=l580℃，湍流强度设为中等。出口处则设置静压力为0个大气压边界。
3.4 设置求解参数
在求解之前，可通过Solver Control设置对流格式和时间步长以及收敛精度。对于瞬态求解还需设置Output Control。最后通过Write Solver File写出*.def文件进行求解计算。
3.5 计算结果的后处理
CFX可以用多种方式显示和输出计算结果，例如，显示速度矢量图、压力等值线图、等温线图、压力云图、流线图、绘制XY散点图、参差图，生成流场变化的动画，进行粒子追踪等。图2、3分别表示水口浇钢后的温度分布云图和钢水速度矢量图。
图2 温度分布云图 图3 钢水速度矢量图
4 结论
在ANSYS ICEM CFD中建立有限元模型十分方便快捷，能够满足不同流体边界条件的需要，而且其模型能够很好地导入到ANSYS CFX中施加边界条件进行求解计算，在CFX后处理中也能够很好地反应计算结果。这种基于ANSYS ICEM CFD和CFX的流体数值仿真技术能够大大提高工程流体分析的速度和精度。
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