FLUENT在旋转机械中的应用

FLUENT在旋转机械中的应用制作人：黄伙军FLUENT软件简介FLUENT是一个用于模拟和分析复杂几何区域的流体流动和传热现象的专用软件。它提供了灵活的网格特性，可以支持多种网格。用户可以自由选择使用结构化或者非结构化网格来划分复杂的几何区域，针对二维问题支持三角形网格或四边形网格；针对三维问题可支持四面体，棱锥，锲型及多面体网格；同时也支持混合网格。用户可以利用FLUENT提供的网格自适应特性在求解过程中根据所获得的计算结果优化网格。FLUENT软件包的组成针对不同的计算对象，CFD软件都包含3个主要功能部分：前处理，求解器，后处理。(1)前处理器。包括GAMBIT，TGRID和FLIters。其中GAMBIT是是FLUENT.INC.公司自主开发的专用CFD前处理器，用于模拟对象的几何建模以及网格生成。TGRID是一个附加的前处理器，它可以从GAMBIT或其他CAD/CAE软件包中读入所生成的模拟对象的几何结构，从现有的边界网格生成三角形，四面体或混合网格组成的体网格。FLIters实际上就是其他CAD/CAE软件包，例如ANSYS，CGNS，I-DEAS，NASTRA，PATRAN，ICEM等与FLUENT之间的接口，通过接口可以由其他CAD/CAE软件包所生成的面网格或体网格读入到FLUENT中。(2)求解器。它是CFD软件包的核心，FLUENT实际上是一个基于非结构化网格的通用求解器，支持并行计算，分单精度与双精度两种。一旦所生成的网格读入到FLUENT中，所有剩下的操作都可以在FLUENT里完成，其中包括设置边界条件，定义材料性质，执行求解器，根据计算结果优化网格，对计算结果进行后处理等。(3)后处理器。FLUENT本省身具有强大的后处理功能，有云图，等值线图，矢量图，剖面图，XY散点图，粒子轨迹图，动画等多种方式显示，存储与输出结果。FLUENT的特点以及能够解决的工程问题可以归纳为以下几方面：(1)二维平面，二维轴对称旋流，三维流动(2)可以建立三角形，四边形，四面体，六面体，棱柱，棱锥，多面体网格以及混合网格。(3)定常与非定常问题(4)不可压与可压缩流动问题(5)无黏流，层流与湍流(6)牛顿流体与非牛顿流体(7)传热问题，包括强迫对流，自然对流和混合对流换热以及流固共轭流动与换热与热辐射。(8)化学组分的混合与反应。(9)融合/凝固等相变问题(10)集总参数类型的风扇，泵，散热器以及换热器的模拟FLUENT依赖的力学基础FLUENT研究的对象是流体，主要模拟的流体粒子的运行状况及性能参数状况。它主要是针对一些模型来进行求解。求解依赖的原理来自流体力学的三大方程：能量方程，动量方程以及连续性方程。在介绍三大方程之前先了解一些基本概念。1.压强流体静力学(流体处于平衡)状态中压强定义是：作用在淹没于流体中物体表面的单位面积上的法向压缩力。2.粘性所有的流体具有粘性，粘性引起摩擦。在物理问题中，粘性的重要性取决于流体的类型及其流动图像。粗略地讲，粘性是运动流体对剪切反抗的度量。流体在静止时不能承受剪应力，但在运动时，相邻两层流体之间的相对运动是有抵抗的，这种抵抗力称为粘性力。3.密度流体密度定义为单位体积内所含物质得多少，同粘性一样，密度也是流体一种固有的物理属性。同压强一样，密度是流体的一个热力学参量，它依赖于流体的热力学状态。流体的密度随压强和密度的变化而变化。习惯上将密度表示成压强与温度的函数。4流体流动的分类流体根据流动的不同可以分为(1)理想流体与粘性流体(2)牛顿流体与非牛顿流体(3)可压缩流体与不可压缩流体(4)层流与湍流计算流体力学的求解过程在流体力学的研究中，常用的研究方法有理论研究方法，数值计算方法和实验研究方法。理论研究方法的特点是：能够清晰，普遍地揭示出流动的内在规律，但该方法目前只局限于少数比较简单的理论模型，而且需要研究者具有较高的理论素养和数学功底。实验研究方法的特点是：结果可靠，但其局限性在于相似原则不能全部满足，尺寸限制，边界影响等，同时实验研究需要场地，仪器设备和大量的经费，研究周期比较长。数值计算方法所需要的时间和费用较少，并具有较高的精度，目前在流体力学中扮演越来越重要的角色。1.建立基本的守恒方程组数值模拟的第一步是由流体力学，热力学，传热传质学，燃烧学及等离子体等的基本原理出发，建立质量，动量，能量，组分，湍流特性的守恒方程组。FLUENT中所采用的都是比较成熟的模拟理论与数值模型，在用户手册中可以查到相应的守恒方程。2.建立或选择模型或封闭方法3.确定初始与边界条件数值模拟的第三步是必须按给定的几何形状和尺寸，由问题的物理特征出发，确定计算域并确定计算域的进出口，轴线（或对称面）及各壁面或自由处条件。对湍流和多相流动还需要分别给出各相的各变量的时均值及脉动值的初始条件与边界条件。正确给定边界条件是十分重要的，然而不是轻而易举的事情。4.划分计算网格采用数值计算方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散，然后求解得到的离散方程组，其本质就是把连续的空间变量用离散的网格点上的变量来近似，连续的控制方程在离散之后就成为所有网格上的点的变量来近似，连续的控制方程在离散之后就成为所有网格变量的非线性方程组。要想在空间区域上离散控制方程组，必须使用网格。5.建立离散化方程用数值方法求解偏微分方程，必须将方程里离散化，即把计算域内有限数量位置上的因变量作为未知量来处理，从而建立一系列关于这组未知量的代数方程组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点的值。6.制定求解方法对离散完成的差分方程组已经有各种不同的求解方法。例如涡量-流函数算法，基于压力的压力-速度修正算法(SIMPLE系列算法)，基于密度的耦合隐式或显式时间推进求解算法，矢同量分裂方法和通量差分分裂方法。针对代数方程组的求解有三角矩阵法，逐线迭代法，松弛高斯赛德尔迭代方法等。针对两相流和有反应的流动又有一些专门的解法，如颗粒与流体的耦合PSIC法，加速化学反应计算而设计的ISAT算法等。7.研究计算技巧除了上述基本求解算法以外，还需要针对具体问题的特点，研究一些计算方法的细节或称计算技巧。例如对于合理而经济的网格划分与安排，有时要选择随过程的空间或时间而变化的网格系，以便不抹掉物理特征而又较为经济。8.编写和调试计算程序如果是自己开发CFD软件，这一部就是要从所选择的算法出发，编制主程序及各个子程序，使之具有通用性与灵活性，以便于应用和作必要的改动。然后通过调试消除程序编制中的各种错误，使程序能正确运行，给出收敛而且初步合理的结果。最后发布程序。9.数值模拟结果与实验的对比在对各种工况进行大量的模拟计算后，如果判断解收敛，就可以得到一批可用的变量场预报结果。我们判断解的收敛性是一个经验性很强的问题。常用的判定方法就是判定残差小于我们设定的某个小量，在实际应用中，经常需要配合以总的质量流量，某点的物理量变化或某个截面通量物理量的变化，物体所受的力或力矩的变化等来综合判断，而且有时是所监控的物理量不再变化，有时是所监控的物理量呈周期性变化，就认为收敛了。如果解不收敛甚至发散，就需要调整松弛因子，降低差分格式，选择更简单的模型，甚至重新回到Gambit中画分网格以提高网格质量，再重新开始计算。总之，必须获得收敛的数值模拟结果。数值模拟方法的分类在流体仿真中，常用的几种离散方法有：有限差分法，有限元法，和有限体积法。下面分别介绍各种方法的原理。有限差分法：它是将求解区域用网格线的交点(节点)所组成的点的集合来代替。在每个节点上，描写所研究的流动与传热问题的偏微分方程组中的每一个导数项用相应的差分表达式来表达，从而在每个节点上形成一个代数方程，其中包含了本节点及其附近一些节点上的所求量的未知值。有限体积法：从描写流动与传热问题的守恒型控制方程法出发，在它在控制体积上积分，在积分过程中需要对控制体积界面上被求函数的本身及其一阶导数的构成方式作出假设，这就形成了不同的格式。有限元法：把计算区域分成一组离散的容积或者叫做元体(在二维情况下元体的形状通常是三角形或四边形)然后通过对控制方程积分来得出离散方程。它与有限体积法的区别在于：(1)每个元体要选定一个形状函数，通过有限体积上的被求变量之值来表示该形状函数，并在积分制前把所假设的形状函数代入到控制方程中去(2)控制方程在积分之前应乘上一个选定的权函数，并要求在整个区域上控制方程的余量的加权平均值为零，从而导出一组关于节点上被求变量的代数方程。有限体积法的求解方法(1)压力基求解方法(2)密度基求解方法有限体积法简介在FLUENT中最常用的数值计算方法是有限体积法，又称有限容积法(FVM)。其原理是将所计算的区域划分成一系列控制体积，每个控制体积都有一个节点做代表，通过将控制方程对控制体积做积分来导出离散方程。在积分的过程中，需要对控制体积界面上的被求函数及其一阶导数的构成作出假设，这就形成了不同的格式。由于扩散项多是采用相当于二阶精度的线性插值，因而格式的区别主要体现在对流项上。用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒性，而且离散方程的系数的物理意义明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广泛的一种方法。(1)流体区域的离散有限体积法的区域离散实质是将计算区域划分为许多个互不重叠的子区域，并确定每个子区域的节点位置及其该节点所代表的控制体积。区域离散后的几何要素主要有4种：.节点(node)，需要求解的未知物理量的几何位置.控制体积(controlvolume)应用控制方程或守恒定律的最小几何单位.界面(face)各节点相应控制体积的交界面.网格线(gridline)，连接相邻两节点的而形成的曲线簇下面用图示来表示一下，具体如下图计算区域的离散的网格有两类：结构化网格与非结构化网格，结构化的网格节点排列有序，即当给出了一个节点编号后，立即可以得出其相邻节点的编号，所有内部节点周围的网格数目相同；非结构化网格的内部节点以一种不规则的方式布置在流场中，各节点周围的网格数目不尽相同，网格生成复杂。下面介绍一下有限体积法离散过程中依赖的质量守恒，动量守恒和能量守恒方程。实例操作步骤一.文件的创建及其求解器的选择启动Gambit软件。点击开始-程序-FLUENTINCproducts-GAMBIT建立新文件.选择文件存放路径，求解器二.创建控制区域边界条件的确定网格划分收敛标准的定义TKS