[工学]fluent讲稿

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CFD与FLUENT于茂军\n报告提纲CFD是什么FLUENT程序简介前处理软件GAMBIT的使用FLUENT主体程序使用FLUENT后处理其它\nCFD是什么\n1、CFD是什么计算流体动力学（CFD）通过求解流场控制方程组，以及计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。应用CFD可以预测流体的行为，同时还可以得到传质（如分离和溶解），传热，相变（如凝固和沸腾），化学反映（如燃烧），机械运动（涡轮机），以及相关结构的压力和变形（如风中桅杆的弯曲）等等的性质。\nCFD的基本思想CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。最理想的数值模拟结果应可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么差别。\n数值模拟、实验、理论分析的关系做理论的目的是为了尽可能了解事物本质；做数值模拟则是在尽可能了解的基础上近似，用求解的方法来反演事实，这肯定是不准确的，但如果方法正确，应该是近似准确的；数值模拟的结果应该采用实验来进行验证。单纯实验测试单纯理论分析计算流体动力学\nCFD的局限性数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只能是有限个离散点上的数值解，并有一定的误差；它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证；程序的编制及资料的收集、整理和正确利用，在很大程度上依赖于经验和技巧。\nCFD工作过程输运方程质量动量能量封闭方程底层物理模型求解器物理模型湍流燃烧辐射多相流相变动网格技术划分网格材料特性边界条件初始条件求解设置前处理物理模型后处理在网格的基础上求解方程\nCFD的基本步骤分析问题及前处理1.确定数值模拟的目标2.确定计算区域3.建立数值模拟物理模型和网格求解执行过程4.建立数学模型5.计算并监控结果后处理6.检查结果7.修正模型\n确定数值模拟的目标需要得到的结果以及结果的用途建立物理模型时需要考虑的问题：在分析中需要建立什么形式的物理模型?采取什么样的简化措施？是否需要采用新的修正模型?FLUENT6中用User-definedfunctions(C语言编写)实现需要什么样的计算精度？对计算时间有无要求?\n确定计算区域GasRiserCycloneL-valveGas怎么样将研究对象进行孤立化处理?计算区域的初始和结束位置?在计算区域的边界上是否有存在的边界信息?边界的形式能否容纳这些信息?是否可以根据实验测量得到边界的信息?计算区域可否简化成二维或者轴对称形式?\n建立数值模拟物理模型和网格能否采用结构化的网格？几何形状以及流动的复杂程度?在各个控制区域内需要什么样的网格精度对于这个几何形体需要什么样的网格精度?大的网格梯度是否能预测流场?是否需要采用网格自适应技术?计算机的内存容量是否满足要求?需要多少的计算网格?计算模型的数量?\nHybridmeshforanICenginevalveporttetmeshhexmeshwedgemesh模型和网格欣赏\n建立数学模型对于一个给定的问题，需要解决的问题有：选择合适的物理模型湍流，燃烧，多相流等确定材料的特性流体固体混合物给定操作工况给定所有边界条件给定初始条件给定数值计算的控制参数设置监视点\n计算并监控结果迭代求解离散方程组.通过迭代计算使结果收敛什么情况达到收敛：求解变量在连续几个迭代次数中不发生改变：从残差方面可以大体监视这一过程满足守恒定律收敛解的精度取决于：物理模型的简化程度和精度网格的精度\n检查结果检查结果并提取出有效数据.可视化工具能得到：整个流场的特性发生流场突变的位置流场的关键特征数学报告工具能够得到：力和动量界面交换系数表面和体上变量的积分值流量平衡关系\n修正模型物理模型是否合适流动的湍流程度流动是否为非稳定流动是否需要考虑压缩性是否需要考虑流体的涡结构（3D）边界条件是否合适所选取的计算区域是否能满足问题要求边界条件是否合适边界上变量值是否合理网格的精度是否满足要求能否通过网格的自适应技术提高计算精度网格是否是独立于计算之外对近壁处的处理是否需要修正\nFLUENT中CFD过程的实现创建几何模型和网格模型（在GAMBIT或其它前处理软件中完成）；启动FLUENT求解器。导入网格模型；检查网格模型是否存在问题；选择求解器及运行环境；决定计算模型，即是否考虑热交换，是否考虑粘性等；设置材料特性；设置边界条件；调整用于控制求解的有关参数；初始化流场；开始求解；显示求解结果；保存求解结果；如有必要，修改网格或计算模型，重复上述过程重新进行计算。\nFLUENT程序简介\nFLUENT所能求解的问题采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和三位流动问题；计算过程中，网格可以自适应可压缩与不可压缩流动问题稳态和瞬态流动问题无粘流，层流及湍流问题牛顿流体及非牛顿流体对流换热问题（包括自然对流和混合对流）导热与对流换热耦合问题辐射换热化学组分混合与反应用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒，水滴，气泡等）两相流问题复杂表面形状下的自由面流动\nFLUENT的本质Fluent本质是做CFD计算fluent上所有的面板，最基本的功能就是实现两个目的：1).选择问题的物理和数值方法（数值算法、粘性模型、辐射、多相等）；2).边界的处理（fluent给定的各种边界，UDF）\nFLUENT基本程序结构GAMBIT，网格生成TGrid，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成体网格Gridgen前处理器FLUENT解法器prePDF，用于模拟PDF燃烧过程FLUENTGAMBITTGridFLUENT解法器FLUENT程序软件包应该包括以下几个部分：\nGAMBIT设置几何形状生成2D或3D网格其它软件包如CAD等FLUENT网格输入及调整物理模型边界条件流体物性确定计算结果后处理TGrid2D三角网格3D四面体网格2D和3D混合网格prePDFPDF查表2D或3D网格几何形状或网格PDF程序网格边界和（或）体网格边界网格\nFLUENT基本控制体形状三维网格：trianglequadrilateral二维网格：tetrahedronhexahedronpyramidprismorwedge\nFLUENT中的湍流模型湍流流动模型很多，但大致可以归纳为以下三类：湍流输运系数模型模型的任务就是给出计算湍流粘性系数的方法。根据建立模型所需要的微分方程的数目，可以分为零方程模型（代数方程模型），单方程模型和双方程模型。第二类是抛弃了湍流输运系数的概念，直接建立湍流应力和其它二阶关联量的输运方程。大涡模拟前两类是以湍流的统计结构为基础，对所有涡旋进行统计平均。大涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解三维经过修正的Navier-Stokes方程，得到大涡旋的运动特性，而对小涡旋运动还采用简化的亚格子模型（SGS）。\nFLUENT中的湍流模型实际求解中，选用什么模型要根据具体问题的特点来决定。选择的一般原则是流体是否可压，精度要求，应用简单，节省计算时间，同时也具有通用性。FLUENT提供的湍流模型包括：单方程（Spalart-Allmaras）模型、双方程模型（基于湍流动能和扩散率：标准κ-ε模型、重整化群κ-ε模型、带漩流修正的Realizableκ-ε模型；基于湍流能量方程和扩散速率方程：标准k-ω模型，剪切压力传输（SST）k-ω模型）雷诺应力模型大涡模拟（3D）\nFLUENT中的湍流模型Zero-EquationModelsOne-EquationModelsSpalart-AllmarasTwo-EquationModelsStandardk-eRNGk-eRealizablek-estandardk-ωSSTk-ωReynolds-StressModelLarge-EddySimulationDirectNumericalSimulation包含更多物理机理每次迭代计算量增加FLUENT提供的模型选择RANS-basedmodels\n湍流模型优缺点模型名字优点缺点Spalart-Allmaras计算量小，对一定复杂程度的边界层问题有较好效果计算结果没有被广泛测试，缺少子模型，如考虑燃烧或浮力问题标准k-ε模型应用多，计算量合适，有较多数据积累和相当精度对于流向有曲率变化，较强压力梯度，有旋问题等复杂流动模拟效果欠缺RNGk-ε模型能模拟射流撞击，分离流，二次流，旋流等中等复杂流动受到涡旋粘性各向同性假设限制Realizablek-ε模型和RNG模型差不多，还可以模拟圆口射流问题受到涡旋粘性各向同性假设限制雷诺应力模型考虑的物理机理更仔细，包括了湍流各向异性影响CPU时间长（2～3倍），动量和湍流量高度耦合。\n湍流模型优缺点模型名字优点缺点标准k-ω模型适用于低雷诺数，可压缩性和剪切流SSTk-ω模型独立于k－e模型之外，在近壁自由流中有广泛的应用范围和精度\nFLUENT中的求解方程对于所有流动，FLUENT都求解质量和动量守恒方程。对于包含传热或可压性流动，还需要增加能量守恒方程。质量守恒方程动量守恒方程能量方程\nFLUENT中的求解方法耦合求解，指同能量方程一起求解，主要是同NASA共同开发。而分离求解是动量方程、压力方程和能量方程分开单独求解，迭代求解。耦合求解精度高，而并行求解一般精度低。非耦合求解不可压缩或压缩性不强的流体流动耦合隐式求解高速可压缩流动FLUENT默认设置是非耦合求解，但对于高速可压流动，有强的体积力（浮力或离心力）的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法，可以耦合求解能量和动量方程，能比较快地得到收敛解。缺点是需要的内存比较大（是非耦合求解迭代时间的1.5-2倍）耦合显式求解（收敛时间比较长），前身为NASARANPANT程序。\n前处理软件GAMBIT的使用\n网格选择网格选择需要考虑因素1建模时间2计算花费，一般对于同一几何体三角形/四面体网格元素比四边形/六面体的数目要少。但是后者却能允许较大的纵横比，因此对于狭长形的几何体选择该种网格类型。3数字发散，引起发散的原因是由于系统的截断误差，如果实际流场只有很小的发散，这时的发散就很重要。\nGambit的命令面板工具栏几何造型网格划分定义边界条件及属性\n网格质量评价标准网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响。对于复杂的CFD问题，网格极易出错，因此必须对网格生成方式给予足够的关注。网格质量本身与具体问题的具体几何特性、流动特性及流场求解算法有关。因此，网格质量最终要由计算结果来评判，但是误差分析以及经验表明，CFD计算对计算网格有一些一般性的要求。\n网格质量评价标准最基本的要求：所有网格点的Jacobian必须为正值，即网格体积必须为正。光滑性：相邻网格元素体积的变化过大，容易引起较大的截断误差，从而导致发散。元素形状：主要包括倾斜和纵横比。一般纵横比要小于5:1。流场：很倾斜的网格在流动的初始区域是可以的，但在梯度很大的地方就不行。节点密度和聚变：一般来说任何流管都不应该用少于5个的网格元素来描述。\n体网格划分选定一个体，体的形状和拓扑特征以及面上的点的类型最终决定了可采用的划分类型和策略第一：定义元素类型Hex六面体Hex/Wedge六面体和楔体Tet/Hybrid四面体\n体网格划分第二：指定划分策略Map/Hex产生规则的结构化六边形网格单元Submap/hex把一个不是mappable的体划分为mappable区域，在各个区域中产生规则的结构化的六边形网格单元TetPrimitive/hex把一个四面体分成四个六面体区域，在每个区域产生结构化网格Cooper/hex(hex/wedge)对指定的源面上的节点模式进行扫掠，从而形成体网格TGrid/(Tet/Hybrid)主要采用四面体单元，但是在恰当的地方也用六面体或者，锥体，楔体等单元\n网格加密技术1）在做网格时区域分块进行局部加密。2）利用FLUENT中的网格自适应技术加密。\nGAMBIT中边界条件的定义选择求解器针对求解器选择不同的边界条件定义器\nGAMBIT中边界条件的定义选择边界对应的几何体默认值：线、面、体选择边界的类型.鼠标直接选取.对定义好的边界可以再操作更改、删除.\nFLUENT主体程序使用\nFLUENT中的网格网格检查：在读入网格检查网格，看是否存在问题。负体积的存在说明存在连接不正确的地方，可以通过Iso-ValueAdoption在图形窗口中显示出错的区域。进行解算前必须将这些负体积区域去除。报告网格的统计信息：1，网格尺寸：节点、面、单位、分区的数目，grid-info-size。（分区用于并行算法）如果对每个区域内的信息有兴趣，选择grid-info-zone。如果你使用的是对偶型的显式解算器，每一网格级别的网格信息将被显示。2，内存信息，你可以得到系统内存信息的的使用情况。Grid-info-memoryusage。修改网格\nFLUENT中湍流模拟的设置激活粘性模型面板上的湍流模型（Spalart-Allmaras,k-epsilon,k-ω，ReynoldsStressorLargeEddySimulation）,如果选择k-epsilon模型，将需要继续选择采用标准模型、重整化群模型或可实现模型中的一种。如果流动问题中包含壁面，选择或者雷诺应力模型，在粘性模型面板上选择近壁处理方式。近壁处理方式包括：标准壁面函数；非平衡壁面函数和双层区模型。\nFLUENT中湍流模型参数设置湍流强度水力直径L：对于圆管取直径，对于其它形状取等效水力直径确定；湍动耗散率，Cμ＝0.09湍动能比耗散率式中，为湍流长度尺度，l＝0.07L\nFLUENT中的材料包括：密度或者分子量，粘度，热容，热传导率，质量扩散系数，标准焓，分子运动论参数。定义方式：1）通过读入Case文件来定义材料。2）可以自己定义新的材料。3）利用UDF来修改材料属性。\nFLUENT中监视参数设置MONITOR监视残差（同时可以修改收敛的判据）监视点、线、面上的变量值\nFLUENT中的边界条件为了获得物理问题（各种微分方程）的唯一解，必须对计算域边界设定各种参数值.如各种通量（热通量、质量通量）、运动状况等.边界条件内容:定义边界条件的位置信息(如进口、固体壁面、对称位置面)确定边界上的各种参数信息边界条件的具体内容和计算中采用的物理模型、边界条件的类型密切相关.必须仔细确定边界条件的参数直接影响了求解过程和所得到的结果.\nFLUENT中的边界条件设置原则设定在流场的进、出口——有利于收敛在垂直边界上不应该存在很大的参数梯度——会导致不同的计算结果减少边界附近的网格扭曲度——导致早期计算误差过大\nFLUENT中的基本边界类型外部面一般:Pressureinlet,Pressureoutlet不可压:Velocityinlet,Outflow可压:Massflowinlet,Pressurefar-field特殊:Inletvent,outletvent,intakefan,exhaustfan其它:Wall,Symmetry,Periodic,Axis单元、区域FluidandSolid相交面Fan,Interior,PorousJump,Radiator,Wallsinletoutletinteriorwall\nFLUENT中边界条件的定义在Fluent中定义边界条件的具体值各种边界条件的参数可以重新定义边界类型\n重新定义边界条件一般边界条件在预处理软件中定义.可以在Fluent中更改:DefineBoundaryConditions...选择要更改的几何体从Type中选择新的类型.\n给定边界条件参数在BCpanels中直接赋值.给选定的边界设定:从Zone菜单中选择边界.点击Set按钮利用Copy按钮可以复制边界条件.边界条件的内容可以存盘，也可以读入.filewrite-bcandfileread利用UDFandProfiles可以定义复杂的边界条件。\nVelocityInlet定义类型:Magnitude,NormaltoBoundaryComponentsMagnitudeandDirection默认值为均匀流动适用于incompressibleflows.用于compressibleflows将有可能导致非物理解.速度设定为负值时，可以用来表示出口.但是必须要保证流量平衡.\nPressureInlet(1)参数确定:TotalGaugePressure驱使流体运动的能量.StaticGaugePressure超音速流动时静压;亚音速时忽略从该边界初始化时有用TotalTemperature对于不可压流作为静温.InletFlowDirectionIncompressibleflows:Compressibleflows:\nPressureInlet(2)注意的是Gaugepressure必须给定.Operatingpressure定义:DefineOperatingConditions同时适用compressible和incompressibleflows.Fluent计算时采用staticpressureandvelocity通过压力面的通量由内部条件和流动方向决定.可以被用作模拟“Free”面.\nPressureInlet(3)只要流动是亚声速的，FLUENT会忽略Supersonic/InitialGaugePressure，它是由指定的驻点值来计算的。如果打算使用压力入口边界条件来初始化解域，Supersonic/InitialGaugePressure是与计算初始值的指定驻点压力相联系的，计算初始值的方法有各向同性关系式（对于可压流）或者贝努利方程（对于不可压流）。因此，对于压声速入口，它是在关于入口马赫数（可压流）或者入口速度（不可压流）合理的估计之上设定的。\nMassFlowInlet参数确定:(a)MassFlowRateor(b)MassFlux(a)给定恒定的流量(b)利用profiles/UDF定义StaticGaugePressure超音速有效该边界初始化有效.TotalTemperature对于不可压流动为静温.InletFlowDirection一般用于compressible;也可用于incompressibleflows.Totalpressure由输入变量求得.和pressureinlet相比.收敛性差\nPressureOutlet给定staticgaugepressure作为出口处的环境压力.可以定义径向的压力分布.Backflow收敛过程出现最终结果如此.方向是垂直于边界.适用于compressible和incompressibleflows在超音速条件下，忽略所给定的压力值.可以被用来模拟自由流.\nOutflow不需指定任何速度和压力信息.由内部区域来传递信息.边界上保持流量平衡.在Outflow面上所有参数梯度为零近似于充分发展流适用于incompressibleflows.不能和PressureInlet合用;入口只能是velocityinlet.不能用来模拟密度随时间变化的问题.当存在回流时，很难收敛不能模拟最终结果存在回流的物理问题.\n多通道出口可以利用PressureOutlet和Outflowboundaries.PressureOutletsOutflow:出口流量定义如下:mi=FRWi/FRWiwhere0

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