模拟结果不确定性评估：ANSYS CFX-Pre风险管理实战指南


参考资源链接：[ANSYS CFX-Pre 2021R1 用户指南](https://wenku.csdn.net/doc/2d9mn11pfe?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 模拟结果不确定性评估概述

在工程和科学模拟中，结果的不确定性评估是一个关键步骤，其目的是量化输入参数变化对模拟输出的影响。此过程能够帮助工程师识别和缓解潜在的风险，以及为决策过程提供一个更为可靠的基础。

不确定性主要来源于模型参数的不确定性和模型本身的近似性。参数不确定性主要由测量误差、数据不完整性或环境变化等因素引起。而模型不确定性可能来自于方程的简化，边界条件的假设，或者数学模型本身不能完全描述物理现象。因此，通过不确定性评估，我们可以更准确地理解模拟结果，并据此做出更加明智的设计和决策。

在接下来的章节中，我们将介绍如何使用ANSYS CFX-Pre进行不确定性分析，并深入探讨模拟不确定性评估的理论基础和实践方法。通过具体的案例研究，我们将展示这些理论和方法是如何在实际工程问题中被应用的。

# 2. ANSYS CFX-Pre基础与工作流程

## 2.1 CFX-Pre软件界面和基本操作

### 2.1.1 CFX-Pre用户界面布局

CFX-Pre是ANSYS CFX软件的预处理器，用于创建和设置复杂的计算流体动力学（CFD）模拟。用户界面布局是用户与软件交互的第一步，合理的界面布局能显著提高工作效率。CFX-Pre的用户界面布局设计成直观且功能集中的方式，通常包括以下几个主要区域：

- **导航树（Navigation Tree）**：这一区域展示了一个层级式的模拟项目结构，包括域（Domains）、材料（Materials）、边界条件（Boundary Conditions）等。
- **主视图区域（Main View Area）**：在该区域中，用户可以查看和编辑选定对象的详细信息。例如，选择一个边界条件后，其相关参数会在主视图区域展示。
- **属性编辑器（Properties Editor）**：编辑器位于界面的底部或右侧，用于显示选中对象的所有属性和参数，并允许用户进行更改。
- **工具栏（Toolbar）**：提供了快速访问常用功能的图标按钮，如新项目创建、模拟运行、保存项目等。
- **状态栏（Status Bar）**：位于界面底部，显示当前操作的提示信息或进度状态。

下面是一段代码块，展示了如何设置一个简单流体域的基本参数：

/* 定义流体域基本参数 */
define domain
    name = "Main Flow Area"
    type = fluid
    location = origin
end define

该段代码在CFX-Pre的脚本环境中执行，用于定义一个名为“Main Flow Area”的流体域。这是用户界面布局与脚本语言结合进行操作的一个示例。

### 2.1.2 模型导入与预处理流程

模型导入是CFX-Pre工作流程的起始阶段。在此阶段，用户需要将几何模型导入到CFX-Pre中。这通常通过ANSYS Workbench或者其他支持的CAD软件完成。模型导入后，需进行一系列预处理步骤以确保模拟的准确性和效率：

1. **几何清理（Geometry Cleanup）**：检查导入的几何模型，修复任何可能影响网格质量和流动计算的问题。
2. **网格生成（Mesh Generation）**：划分高质量的计算网格，对于CFD模拟来说至关重要。在CFX-Pre中可以使用内置的网格生成器或导入外部网格。
3. **物理设置（Physics Setup）**：包括定义流体材料属性、应用边界条件和初始条件。
4. **计算域的创建与设定（Domain Creation and Settings）**：确认计算域的类型和特性，包括是否为多相流、是否需要考虑旋转坐标系等。
5. **求解器设置（Solver Settings）**：选择适当的求解器和算法，以及设置相关的控制参数。

通过上述步骤，用户可以将一个简单的几何模型转变为一个完整的CFD模拟项目。在此过程中，用户界面的导航和布局设计起着至关重要的作用，它使得用户能够高效地处理复杂的工作流程。

## 2.2 CFX-Pre中的物理模型设置

### 2.2.1 材料和流体属性定义

在CFX-Pre中，材料属性和流体特性是确保准确模拟的关键因素。定义材料和流体属性涉及指定流体（如水、空气）和固体（如金属、塑料）的热力学和物理特性。这些参数包括但不限于密度、热导率、比热容、黏度等。

在CFX-Pre中定义材料的步骤如下：

1. **选择材料（Select Material）**：从材料库中选择合适的预定义材料，或创建用户自定义材料。
2. **设置材料属性（Set Properties）**：输入必要的物理参数，如密度、黏度、比热容等。
3. **指定状态方程（Specify Equations of State）**：对于非理想流体，可能需要使用状态方程来更准确地描述其行为。
4. **编辑特性（Edit Properties）**：利用材料编辑器对材料特性进行微调。

以下是一段代码示例，展示了如何在CFX-Pre脚本中定义一个简单的流体材料：

/* 定义空气材料特性 */
define material
    name = "Air"
    density = constant, 1.225 [kg m^-3]
    thermal conductivity = constant, 0.025 [W m^-1 K^-1]
    dynamic viscosity = constant, 1.789e-5 [kg m^-1 s^-1]
    specific heat capacity = constant, 1006.43 [J kg^-1 K^-1]
end define

### 2.2.2 边界条件和域初始化

边界条件在CFX-Pre中是设置如何在模拟域的边界上处理流体流动和传热的关键步骤。正确应用边界条件对于获得准确和可靠的模拟结果至关重要。常见的边界条件类型包括：

- **速度入口（Velocity Inlet）**：定义一个给定速度的流动进入模拟域。
- **压力出口（Pressure Outlet）**：指定模拟域出口处的压力条件。
- **无滑移壁面（No-Slip Wall）**：固体表面的流体速度设置为零。
- **对称（Symmetry）**：用于模拟流体流动在某个平面上的对称性。
- **自由滑移壁面（Free-Slip Wall）**：流体和固体之间的速度差为零，但压力梯度可自由变化。

此外，域初始化阶段需设定初始条件，包括初始速度场、压力场、温度场等，以启动模拟过程。

在CFX-Pre中设置边界条件和进行初始化的典型步骤包括：

1. **选择边界（Select Boundary）**：在导航树中选择需要设置的边界。
2. **配置边界条件（Configure Boundary Condition）**：根据模拟需求选择合适的边界类型并配置其参数。
3. **域初始化（Domain Initialization）**：如果需要，设定初始条件以加速收敛。

/* 定义速度入口边界条件 */
define boundary
    name = "Inlet"
    boundary type = velocity inlet
    velocity magnit