通过算例对比API公式与CFD数值模拟结果上的差异

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇通过算例对比API公式与CFD数值模拟结果上的差异范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘 要】 随着工程制造业的发展，对于设计成本所提出要求也越来越高。由于全球石油价格的大幅度波动而导致海洋工程的业务量及成本问题愈发突出，传统规范固然是设计的重要依据，随着数值仿真技术的发展，本文通过一个算例对比规范中公式和CFD软件模拟的结果，从而说明CFD数值模拟的发展前景及优势。

【关键词】 流体力学 工程计算 CFX

1 概述

流体力学是研究流体平衡和宏观运动规律的科学。其研究流体平衡的条件及压强分布，流体运动的基本规律，流体绕流某物体或流过某通道时的速度分布、压强分布、能量损失，以及流体与固体间的相互作用等。

CFD是计算技术与数值计算技术的结合体，是将流体试验用数值模拟方法求解的过程。其在最近20年中得到飞速的发展，除了计算机的发展给它提供坚实的基础外，主要因为无论分析方法还是试验方法都有较大限制，而CFD方法具有成本低和能模拟较复杂的过程等优点。本文通过应用CFD软件―CFX对规范中的公式进行对比试验，从而展示CFD计算在工程应用领域的优势。

2 CFX中的k-湍流模型

由于文中算例的风速较大，故采用湍流模型作为流体计算模型。双方程模型是将速度与长度分开求解的传输模型，其典型模型为和模型。双方程模型是模拟计算中使用频率最高的湍流模型，其在数学方程和求解精度之间找到了一个最好的平衡点。

模型中，为湍动能，定义为速度波动的变化量，单位为m2/s2。为湍动能耗散，指速度波动耗散的速率，单位是单位时间的湍动能，即m2/s3。模型是在系统方程里引入两个新变量。

湍动能方程为：

3 api规范中关于风压的计算

在海洋工程设计规范《API RP 2A-WSD》中第2.3.2.C节中有关于风载荷的明确定义：式中为风压，为体形系数，为空气密度，为风速。

本文中体形系数取1.5，风速取60.2m/s，空气密度取1.225kg/m3，所得空气压载约为3330Pa。

4 算例对比

选取某一工程项目中的瓦楞板围壁（尺寸和三维示意如图1、2所示），在其周围建立8.8m×8m×5m的空气域。应用ANSYS/ICEM为其划分网格（网格质量如图3所示）后导入CFX进行计算。

从图4、图5中的速度矢量分布可以看出风吹过围壁后在背面形成漩涡，如需要进一步的模拟围壁对空气流动的影响需要加大空气域模型的尺度，文中算例着重考虑围壁所受风压，出于计算资源的考虑不再进一步细算。

从图6中可以看到在围壁的边缘的压强几乎没有在一个标准大气压下有所增长，而在围壁中央受力区的风压载荷（约4100Pa）要比规范中所得数值大一些。虽然整体围壁的受力和按规范中的公式计算所得结果在数值上相差较小，但围壁的受力情况与传统规范中的均载尚有一定差距。

5 结语

计算机的出现和迅速发展很大幅度改变了科学技术发展的进程，流体力学的发展也因此出现了崭新的面貌。在大力推广CAD技术的今天，所有的设计制造均在安全和成本中寻求平衡。而cfd计算在海洋工程的设计中还没有得到应用，几乎所有该领域的设计工作者依旧以规范为唯一的设计依据。随着数值方法的飞速发展，随着人们逐渐进入到互联网时代，随着市场中自由人的自由联合，更加准确的结果会有它的生存空间。

参考文献

[1]API RP 2A-WSD[M]. American Petroleum Institute， 2007.

[2]谢龙汉，赵新宇.ANSYS CFX流体分析及仿真[M].北京：电子工业出版社，2013.

[3]纪兵兵，陈金瓶.ANSYS ICEM CFD网格划分技术实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2012.