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ANSYS


CFX

ANSYS CFX在电力系统 的主要应用
ANSYS CHINA 2004年3月

ANSYS CHINA 2004

Slide serial no 1

? 2004 ANSYS CFX

目录
CFX
?锅炉系统 ?汽机系统 ?辅机系统 ?电厂环境系统 ?室内通风及安全性 ?ANSYS CFD软件的独有特点
?新一代CFD软件 ?世界顶尖的网格技术 ?全隐式耦合多重网格迭代算法 ?SST湍流模型+自动璧面函数

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Slide serial no 2

? 2004 ANSYS CFX

目录
CFX
?锅炉系统 ?汽机系统 ?辅机系统(水泵、风机) ?电厂环境系统 ?室内通风及安全性 ?ANSYS CFD软件的独有特点
?新一代CFD软件 ?世界顶尖的网格技术 ?全隐式耦合多重网格迭代算法 ?SST湍流模型+自动璧面函数

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Slide serial no 3

? 2004 ANSYS CFX

燃烧模拟-不同工况的流场分布
CFX

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Slide serial no 4

? 2004 ANSYS CFX

燃烧模拟(温度分布)
CFX
?

多烧嘴之间的相互作用影 响炉膛的根本工况
? ? ? 燃烧稳定性 炉壁结渣 燃料燃烧效率

?

右图显示了Swinburne褐 煤燃烧炉的三维温度分布

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Slide serial no 5

? 2004 ANSYS CFX

燃烧模拟-不同工况
CFX

关闭部分烧嘴对炉膛内速度场温度场的影响
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Slide serial no 6

? 2004 ANSYS CFX

燃烧模拟-煤颗粒运动轨迹
CFX

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Slide serial no 7

? 2004 ANSYS CFX

Nox排放预测(不同工况) CFX

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Slide serial no 8

? 2004 ANSYS CFX

燃烧及燃烧器模拟
CFX

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Slide serial no 9

? 2004 ANSYS CFX

锅炉燃烧示例
CFX
? ? ?

美国公用事业部门200MWe前墙式煤粉炉的改造项目 改造燃烧器,以根本减少Nox排放 结论:必须在低Nox排放与高热效率之间有所折中
? ? 低Nox烧嘴的长火焰会冲刷后墙甚至烧损炉管 加入过热空气可减少Nox,但也减少了煤粉的烧烬

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Slide serial no 10

? 2004 ANSYS CFX

燃煤锅炉
CFX

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Slide serial no 11

? 2004 ANSYS CFX

燃煤锅炉
CFX
? ? ? ?

4组24个燃烧器 6个上部燃尽风喷口 312,000 cells 5.5 - 7.5% excess O2

500

NOx
400
Predicted

300 200 100 0 0 100 200 300 400 500
Measured

Temperature

NOx
Slide serial no 12

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? 2004 ANSYS CFX

锅炉模拟与实验值比较
CFX
未烧烬炭(%) 平均出口温度(F) 最大出口温度(F) Nox(ppmv) 过氧量(%)
出口温度与Nox结果较好 UBC偏高,因此过氧量偏高

试验 4.2 2175 2358 250 2.5

模拟 8.6 2155 2388 234 2.72

? ?

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Slide serial no 13

? 2004 ANSYS CFX

BERL燃烧器分析
CFX
?

验证CFX在燃烧器模拟的精度
? 确定的几何形状和边界条件 ? 可靠的流场试验数据

BERL燃烧器分析

? ?

300kw单级天然气燃烧器 在Sandia Burner Engineering Research Laboratory (BERL) 完成

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Slide serial no 14

? 2004 ANSYS CFX

BERL燃烧器分析
CFX
入口形状及计算网格 天然气
?
?

? ?

径向喷入

空气
? ? ? 轴向喷入 涡流 涡流系数S=0.56

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Slide serial no 15

? 2004 ANSYS CFX

BERL燃烧器分析
CFX
? ?

速度矢量,以温度着色 低温、密度大、涡旋的空 气沿外壁喷出
? 由于气流的角动量 有利于稳定火焰

?

明显的回流区
?

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Slide serial no 16

? 2004 ANSYS CFX

BERL燃烧器分析
CFX
?

?

下游27mm处径向速 度分布(计算与实测 值) 模拟值与实测值吻合 很好

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Slide serial no 17

? 2004 ANSYS CFX

BERL燃烧器分析
CFX
? ?

?

温度云图 模拟的火焰形状总体上比观测到 的瘦、长 由于二维模拟时,天然气实际上 从环形狭缝喷入,而不是从实际 的24个小孔喷出,燃料与空气接 触面积减小,延迟了混合效应, 造成火焰瘦长。

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Slide serial no 18

? 2004 ANSYS CFX

BERL燃烧器分析
CFX

?

三维模拟结果
? 温度云图

?

火焰形状与观测结果吻 合很好,证明了以上分 析

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Slide serial no 19

? 2004 ANSYS CFX

Coen公司焙烧炉改造
CFX
? ?

CFX分析故障原因 燃油的燃烧模拟
? 跟踪燃油液滴的运动 ? 燃油液滴的挥发 ? 挥发物的燃烧反应

? ? ?

湍流效应 辐射传热 浮力

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Slide serial no 20

? 2004 ANSYS CFX

Coen公司焙烧炉改造
CFX
不合理的喷管位 置

废气火焰不能充分进 入炉膛

炉膛内温度分布

挡板后贴壁燃 烧

炉膛内速度分布
炉衬烧毁
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Slide serial no 21

? 2004 ANSYS CFX

Coen公司焙烧炉改造
CFX
改进方案
? 燃油喷管向下倾斜并稍微偏离轴 线 ? 废气枪形成独立的温度较低的火 焰

结果
? 上壁不再受高温火焰冲刷 ? 下壁温度均匀 ? 炉衬寿命延长了两倍,培烧效率提高了 80%~90%

温度云图

速度云图

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Slide serial no 22

? 2004 ANSYS CFX

ABB公司城市垃圾焚烧炉改造
CFX
? ?

城市垃圾焚烧炉内换热管的经常性烧蚀 换热管表面保护性氧化层的烧蚀
? 高速高温气流消弱氧化层保护作用加速烧蚀 ? 由于焚烧各种燃料而形成腐蚀性物质

?

由于换热管的安全厚度,加速的烧蚀造成频繁的停产和检修

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Slide serial no 23

? 2004 ANSYS CFX

ABB公司城市垃圾焚烧炉改造
CFX
?

用CFX为手段改造
? 深入理解问题的原因 ? 评价多种改造方案的效果

?

实施步骤:
? ? ? ? 在计算机上构造三维模型 确定操作条件,包括空气、燃料的流量、特性等参数 得到模拟结果,验证,分析,提出改造方案 预测多个新方案的效果并进行比较

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Slide serial no 24

? 2004 ANSYS CFX

ABB公司城市垃圾焚烧炉改造
CFX
?

?

验证模拟结果 由于炉内恶劣的环境、大型结构和缺乏有效探测设备,获得 炉膛内真实速度场,温度场和浓度场极为困难 通常采用相关性验证,即模拟结果是否与通常观测的现象或 常规吻合

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Slide serial no 25

? 2004 ANSYS CFX

ABB公司城市垃圾焚烧炉改造
CFX
?

?

前墙上波峰状突起的炉渣沉积与 模拟结果中的流场特点吻合:高 温炉渣被二次风夹带而附着在前 墙。 超声波检测到的换热管变薄处与 模拟结果中的高流速区、高温区 、低氧浓度区吻合。

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Slide serial no 26

? 2004 ANSYS CFX

ABB公司城市垃圾焚烧炉改造
CFX
?

原先结构的单级二次风对炉膛内流动 模式有主要影响
? ? ? 产生大范围的回流区和卷吸带 增加了气流中燃烧颗粒的携带量 形成空气的短路,缩短了相当一部分空气的 滞留时间

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Slide serial no 27

? 2004 ANSYS CFX

ABB公司城市垃圾焚烧炉改造
CFX
?

模拟了20多种改造方案
? ? ? ? 不同的二次风喷嘴数量和高度 不同的喷射角度 不同的喷嘴直径 不同的气流喷射速度

?

目标是获得较为均匀的垂直速度场
? 加速二次风与底部空气的混合 ? 减小回流区、卷吸区、高速气流通道 ? 加速固体颗粒的烧烬

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Slide serial no 28

? 2004 ANSYS CFX

ABB公司城市垃圾焚烧炉改造
CFX
?

优化后的结果是:单级二次风喷 嘴改为高度方向上交错的两级二 次风喷嘴以及恰当的喷射角度
? ? ? 减小了最大垂直气流速度,增强了混 合 火焰离开炉墙 根本上降低了换热管的烧蚀速度

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Slide serial no 29

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ABB公司城市垃圾焚烧炉改造
CFX

炉膛内垂直速度云图原结构与改造后结构的对比

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Slide serial no 30

? 2004 ANSYS CFX

ABB公司城市垃圾焚烧炉改造
CFX

炉膛内速度矢量(以温度着色) 原结构与改造后结构的对比
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Slide serial no 31

? 2004 ANSYS CFX

目录
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?锅炉系统 ?汽机系统 ?辅机系统(水泵、风机) ?电厂环境系统 ?室内通风及安全性 ?ANSYS CFD软件的独有特点
?新一代CFD软件 ?世界顶尖的网格技术 ?全隐式耦合多重网格迭代算法 ?SST湍流模型+自动璧面函数

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Slide serial no 32

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静、动干扰的瞬态计算
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Slide serial no 33

? 2004 ANSYS CFX

CFX

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Slide serial no 34

? 2004 ANSYS CFX

CFX

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Slide serial no 35

? 2004 ANSYS CFX

CFX

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Slide serial no 36

? 2004 ANSYS CFX

目录
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?锅炉系统 ?汽机系统 ?辅机系统(水泵、风机) ?电厂环境系统 ?室内通风及安全性 ?ANSYS CFD软件的独有特点
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Slide serial no 37

? 2004 ANSYS CFX

水泵
CFX

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Slide serial no 38

? 2004 ANSYS CFX

水轮机
CFX

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Slide serial no 39

? 2004 ANSYS CFX

风机计算模型
CFX
煤气入口

风机叶轮 煤气出口 大小叶片

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Slide serial no 40

? 2004 ANSYS CFX

流线
CFX

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Slide serial no 41

? 2004 ANSYS CFX

速度矢量
CFX

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Slide serial no 42

? 2004 ANSYS CFX

动画
CFX

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Slide serial no 43

? 2004 ANSYS CFX

涡轮
CFX

(请点击画面)

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Slide serial no 44

? 2004 ANSYS CFX

目录
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?锅炉系统 ?汽机系统 ?辅机系统(水泵、风机) ?电厂环境系统 ?室内通风及安全性 ?ANSYS CFD软件的独有特点
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Slide serial no 45

? 2004 ANSYS CFX

英国伦敦街区一角
CFX

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Slide serial no 46

? 2004 ANSYS CFX

山区风场模拟
CFX

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Slide serial no 47

? 2004 ANSYS CFX

建筑群
CFX

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Slide serial no 48

? 2004 ANSYS CFX

冷水塔横风影响
CFX

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Slide serial no 49

? 2004 ANSYS CFX

目录
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?锅炉系统 ?汽机系统 ?辅机系统(水泵、风机) ?电厂环境系统 ?室内通风及安全性 ?ANSYS CFD软件的独有特点
?新一代CFD软件 ?世界顶尖的网格技术 ?全隐式耦合多重网格迭代算法 ?SST湍流模型+自动璧面函数

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Slide serial no 50

? 2004 ANSYS CFX

室内通风
CFX

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Slide serial no 51

? 2004 ANSYS CFX

室内通风
CFX

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Slide serial no 52

? 2004 ANSYS CFX

室内通风
CFX

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Slide serial no 53

? 2004 ANSYS CFX

厂房火灾
CFX

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Slide serial no 54

? 2004 ANSYS CFX

室内通风
CFX

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Slide serial no 55

? 2004 ANSYS CFX

车内通风
CFX

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Slide serial no 56

? 2004 ANSYS CFX

房间着火及灭火
CFX

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Slide serial no 57

? 2004 ANSYS CFX

房间着火及灭火
CFX

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Slide serial no 58

? 2004 ANSYS CFX

气幕对房间内温度场的影响
CFX

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Slide serial no 59

? 2004 ANSYS CFX

通风口设计对室内流场的影响
CFX

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Slide serial no 60

? 2004 ANSYS CFX

室内空调效果的模拟
CFX

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Slide serial no 61

? 2004 ANSYS CFX

火灾通风
CFX

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Slide serial no 62

? 2004 ANSYS CFX

目录
CFX
?锅炉系统 ?汽机系统 ?辅机系统(水泵、风机) ?电厂环境系统 ?室内通风及安全性 ?ANSYS CFD软件的独有特点
?新一代CFD软件 ?世界顶尖的网格技术 ?全隐式耦合多重网格迭代算法 ?SST湍流模型+自动璧面函数

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Slide serial no 63

? 2004 ANSYS CFX

新一代CFD软件
CFX
CFX软件领先采用了90年代后期(1996年以后)CFD领域 的最新理论成果:
?

CFX在数值方法同时利用了有限元与有限体积法中的优点

?

CFX有高精度的数值处理格式,它是CFD工业界中唯一以二阶精度格 式作为缺省值的软件
CFX有CFD界中独一无二的耦合多重网格求解技术,使CFD求解稳健 而迅速地收敛 CFX有容易使用且性能优异的并行计算功能

?

?

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Slide serial no 64

? 2004 ANSYS CFX

世界顶尖的网格处理工具ICEM CFD
CFX
?

?

?

?

选项完整:用户能想到的选项几乎都有 ? 完整的几何输入与几何修补工具 ? 完整的网格剖分工具 ? 完整的网格编辑工具 功能强大: ? 网格技术世界顶尖 适应性好,应用广 ? 应用于几乎所有与CFD有关的工业及研究领域; ? 用户分布于几乎所有CFD求解软件 所有功能“大统一”的ICEM AI*Environment 5.0将在4月份推出,届时这一产品 将可以同时作为CFD/FEA的通用前处理器。 软件的用户友好性。

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Slide serial no 65

? 2004 ANSYS CFX

前处理:CAD模型直接导入
CFX 直接CAD接口
灵活的几何体输入 完整的几何修补与简化功能
?

SolidWorks
?

Pro/Engineer Solid Edge

I-DEAS

?

Direct Cad Interfaces ? Pro-E ? I-DEAS (mdl & idi) ? UG ? CATIA ? SolidWorks ? Solid Edge rd Party Cad 3 ? IGES ? ACIS ? Parasolid ? DWG/DXF ? GEMS Faceted Data ? STL ? VRML ? NASTRAN, PATRAN, ANSYS, LS-DYNA

Unigraphics
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CATIA

Slide serial no 66

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Hexa 网格生成
CFX
– – – –

? 独有的TOPDOWN六面体网格划分
用户是‘雕刻师’ 而不是‘砖匠’ 快速创建复杂拓扑 十分适于高质量网格生成 高效处理大模型

一步产生O型边界层网格 ?有效捕捉内外边界层 ?更高的网格质量适于所有 CAE应用 ?能用一个命令进行调整
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Slide serial no 67

? 2004 ANSYS CFX

Tetra & Prism网格生成
CFX ? 高度自动的非结构网格划分
– 四面体及混合体网格划分,三 角形表面网格划分

? 使用“Octree” 方法
– 表面及体网格一步生成! 不需要表面网格划分迭代产生 可行的体网格

? 自动棱柱层的生成
? 局部“family based” 控 制 – 层数,初始高度,生 长比例 Slide serial no 68 – 自动冲突检测和修正 ? 2004 ANSYS CFX

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强大的网格编辑功能
CFX 自动粗化减少模型规模
一条命令从150,000减到 15,000四面体单元

强大的表面及体网格的光滑处理
? 节点的移动限制到相连的几何体上 ? 多种椭圆光滑程序

合并网格
? 自动对四面体-六面体网格一致合并 ? 在界面生成金字塔单元 ? 对网格生成能够优化“混合处理”
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Slide serial no 69

? 2004 ANSYS CFX

CFX产品特点-精确性
CFX
X X X X X X X X
?

Control volume
?

Integration points (IP)

AIAA drag workshop

?

Separated Flow

Separated Flow

基于有限元的有限体 积法 在控制体内引入插值 点,实现双重网格化 高度的精确性 ? 六面体网格: 每个 控制体24个插值点 (而不是 6 个) ? 四面体网格: 每个 控制体60个插值点 (而不是 4 个)

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Slide serial no 70

? 2004 ANSYS CFX

CFX产品特点-快速稳健的收敛
CFX
CFX是全球第一个发展和 使用全隐式多网格耦合求 解技术的商业化软件 这种革命性的求解技术克 服了传统算法需要“假设 压力项-求解-修正压力 项”的反复迭代过程,而 同时求解动量方程和连续 性方程,加上其采用的多 网格技术,CFX的计算速 度和稳定性较传统方法提 高了1~2个数量级,
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Slide serial no 71

? 2004 ANSYS CFX

CFX产品特点-优异的并行 CFX ? CFX的求解器获得了对并行计算最有利的
? 几乎线形的“计算时间-网格数量”求解性 能,这使工程技术人员第一次敢于计算大 型工程的真实流动问题。 CFX突出的并行功能还表现在它可以在混 合网络上UNIX、LINUX、WINDOWS平 台之间随意并行。 收敛曲线与CPU数无关

?

单CPU计算收敛曲线

多CPU并行计算收敛曲线
Slide serial no 72

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? 2004 ANSYS CFX

精确的数值方法 CFX
CFX在湍流模型 的应用上,也一 直是业界领先的 。除了常用的湍 流模型外, CFX 使用了独特的 SST湍流模型+ 自动璧面函数

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Slide serial no 73

? 2004 ANSYS CFX

CFX产品特点-流固耦合FSI
CFX
? CFX通过解“共扼传热”问题得到温度场 与压力场 ? 将温度场与压力场传入Ansys模型作为载 荷进行结构力学求解

Pressure

Streamlines

Temperature
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Slide serial no 74

? 2004 ANSYS CFX

CFX产品特点-流固耦合FSI
CFX

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Slide serial no 75

? 2004 ANSYS CFX

CFX

谢谢

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Slide serial no 76

? 2004 ANSYS CFX


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