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ANSYS流体及热分析1第4章FLOTRAN流体分析典型工程实例ANSYS程序中的FLOTRANCFD流体分析是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进工具。本章重点通过实例讲解介绍FLOTRANCFD流体分析在工程上的一些典型应用。如何解决流体力学问题FLOTRAN流体分析典型工程实例三维U型管道速度场的数值模拟实际生活中射流现象的数值模拟本本章章要要点点本本章章案案例例第4章FLOTRAN流体分析典型工程实例24.1如何解决流体力学问题在流体力学的研究中，常用的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。研究更复杂更符合实际的流动一般采用数值计算方法，它的特点就是能够解决理论研究方法无法解决的复杂流动问题，如常见的航空工程、气象预报、水利工程、环境污染预报、星云演化过程等。实验研究方法的特点就是结果可靠，但其局限性在于相似准侧不能全部满足、尺寸限制、边界影响等。数值计算方法和实验研究方法相比，它所需的费用和时间都比较少，并且有较高的精度，但它要求对问题的物理特性有足够的了解（通过实验方法了解），并能建立较精确的描述方程组（通过理论分析）。对于流体力学的数值模拟常采用的步骤如下。（1）建立力学模型通过流动分析，采用合理的假设与简化，建立力学模型。假设与简化：连续介质与不连续介质；理想流体与粘性流体；不可压缩流体与可压缩流体；定常流动与非定常流动。（2）建立数学模型根据力学模型，建立描述力学模型的数学方程组，并利用无量钢化、量纲分析、引进新的物理参数、经验或半经验公式等方法对基本方程组进行简化，得到相应流动的求解方程组，再根据具体的流动条件确定流动的初始条件和边界条件。描写流体运动的两种方法：拉格朗日方法和欧拉方法。（3）求解方法准确解法：解析解近似解法：近似解、数值解实验解法：相似解（4）求解结果速度分布、压力分布、合力、阻力、能量耗散等物理量的求解结果。上述的数值模拟步骤可以简化为：工程实际中的流动现象→建立力学模型→建立数学模型→选择求解方法→结果→验证。4.2工程实例一——三维U型管道速度场的数值模拟在实际生活和工程中，管道流动是十分常见的。下面就介绍数值模拟图4-1所示的三维U型管道中的速度场。ANSYS流体及热分析3图4-1U型管道示意图如图4-1所示的三维U型管道计算模型，其中U型管道横断面为长宽均为100mm的正方形断面，U型管道两端平直部分的长度均为500mm，弯曲部分的半径为200mm。入口速度为0.1m/s。本例使用毫米单位制。——附带光盘“Ch4\实例4－1_start”——附带光盘“Ch4\实例4－1_end”——附带光盘“AVI\Ch4\4－1.avi”1、设置分析选项选择MainMenuPreference命令，弹出如图4-2所示的PreferencesforGUIFiltering对话框，在Individualdiscipline(s)toshowintheGUI栏中选中FLOTRANCFD选项，单击OK按钮。第4章FLOTRAN流体分析典型工程实例4图4-2设置分析选项对话框2、定义工作文件名选择UtilityMenuFileChangeJobname命令，弹出如图4-3所示的ChangeJobname对话框，在Enternewjobname后面的文本框中输入Example4-1，选中Newloganderrorfiles复选框为Yes，单击OK按钮。图4-3设置工作文件名对话框3、定义工作标题选择UtilityMenuFileChangeTitle命令，弹出如图4-4所示的ChangeTitle对话框，在Enternewtitle后面的文本框中输入CFDanalysisofanozzle，单击OK按钮。ANSYS流体及热分析5图4-4设置工作标题对话框4、定义单元类型选择MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete命令，弹出ElementTypes对话框。单击Add按钮，弹出如图4-5所示的LibraryofElementTypes对话框，在左面的列表栏中选择FLOTRANCFD，在右面的列表栏中选择2DFLOTRAN141，单击OK按钮，再单击Close按钮，完成单元类型的设置。图4-5设置单元类型对话框5、生成分析区域1、点击MainMenuPreprocessor-ModelingCreateKeypointsInActiveCS菜单命令，弹出如图4-6所示的CreateKeypointsinActiveCoordinateSystem对话框，在X，Y，ZLocationinactiveCS输入栏中输入0，0，0，点击Apply按钮，又弹出图4-6所示的对话框，相同的操作输入点（0，0，500）、（500，0，500）、（500，0，0）、（250，0，750），点击OK按钮。第4章FLOTRAN流体分析典型工程实例6图4-6创建点对话框2、显示点编号：UtilityMenuPlotCtrlsNumbering,弹出如图4-7所示的PlotNumberingControls对话框，单击KPKeypointnumbers后面的单选按钮为ON，单击OK按钮。生成的六个点如图4-8所示。图4-7标出标号控制对话框ANSYS流体及热分析7图4-8点框图3、点击MainMenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraightLine菜单命令，弹出CreateStraight…拾取框，点击点1和2，生成一条直线，同样的操作，点击2和3，点击OK按钮。4、点击MainMenuPreprocessorModelingCreateLinesArcsByEndKPs&Rad菜单命令，弹出ArcbyEndKPs&Rad命令，拾取点2和3，点击OK按钮，拾取点5，点击OK按钮，弹出如图4-9所示的ArcbyEndKPs&Rad对话框，在RADRadiusofthearc输入栏中输入250，点击OK按钮。图4-9创建圆弧对话框5、点击MainMenuPreprocessorModelingOperateBooleansAddLines命令，在弹出的AddLines拾取框中点击PickAll按钮，弹出如图4-10所示的AddLines对话框，点击OK按钮。生成U型引导线。第4章FLOTRAN流体分析典型工程实例8图4-10合并线对话框6、点击MainMenuPreprocessor-ModelingCreate-AreasRectangleByDimensions命令，弹出如图4-11所示的CreateRectanglebyDimensions对话框。在X1，X2X-coordinates输入框中依次输入-50，50，在Y1，Y2Y-coordinates输入框中依次输入-50，50，点击OK按钮。图4-11创建矩形对话框7、点击MainMenuPreprocessor-ModelingOperateExtrudeAreasAlongLines对话框，弹出SweepAreasalongLines拾取框，拾取面，点击OK按钮，拾取引导线，点击OK按钮，生成三维U型管道，如图4-12所示。ANSYS流体及热分析9图4-12U型管道计算模型示意图6、定义单元形状点击MainMenuPreprocessorMeshingSizeCntrlsManualSizeGlobalSize命令，弹出如图4-13所示的GlobalElementSizes对话框，在SIZEElementedgelength输入栏中输入10,点取OK按钮。图4-13全局单元尺寸对话框7、划分有限元网格MainMenuPreprocessorMeshingMeshTool,在弹出MeshTool对话框中，采取映射网格划分，点击HexMapped,点击Mesh，选取整个几何模型，生成网格如图4-14所示。第4章FLOTRAN流体分析典型工程实例10图4-14生成的有限元网格8、施加边界条件1、施加进口速度边界条件：MainMenuPreprocessorLoadsDefineLoadsApplyFluid/CFDVelocityOnAreas命令，会弹出拾取对话框。拾取右边进口面，点击OK按钮，弹出如图4-25所示的ApplyVELOloadonareas对话框，在VXLoadvalue中输入0，在VYLoadvalue中输入0，在VZLoadvalue中输入100，点击OK按钮。ANSYS流体及热分析11图4-15施加速度载荷对话框2、施加压力出口边界条件：MainMenuPreprocessorLoadsDefineLoadsApplyFluid/CFDPressureDOFOnAreas命令，会弹出拾取框。拾取左边出口面，单击OK按钮，弹出如图4-16所示的ApplyPRESonlines对话框，在PRESPressurevalue中输入0，点击OK按钮。第4章FLOTRAN流体分析典型工程实例12图4-16施加压力载荷对话框3、施加固体壁面边界条件：MainMenuPreprocessorLoadsDefineLoadsApplyFluid/CFDVelocityOnLines命令，会弹出拾取对话框。拾取其余的所有壁面，点击OK按钮，弹出如图4-15所示的ApplyVELOloadonlines对话框，在VXLoadvalue中输入0，在VYLoadvalue中输入0，在VZLoadvalue中输入0，点击OK按钮。9、求解1、点击MainMenuSolutionFLOTRANSetUpSolutionOptions命令，弹出如图4-17所示的FLOTRANSolutionOptions对话框，在TURBLaminarorturbulent下拉列表框中选择Turbulent，其余选项采用默认设置，点击OK按钮。图4-17FLOTRAN求解选项对话框2、点击MainMenuSolutionFLOTRANSetUpExecutionCtrl命令，弹出如图4-18所示的ANSYS流体及热分析13SteadyStateControlSettings对话框，在EXECGlobalIterations输入栏中输入100，其余选项采用默认设置，点击OK按钮。图4-18稳态控制设置对话框3、点击MainMenuSolutionFLOTRANSetUpFluidProperties命令，弹出如图4-19所示的FluidProperties对话框，在Density，Viscosity，Conductivity，Specificheat后的下拉菜单中选择AIR-mm，点击OK按钮，弹出如图4-20所示的CFDFlowProperties对话框，确认信息是否正确，点击OK按钮。第4章FLOTRAN流体分析典型工程实例14图4-19流体物性对话框图4-20CFD流动性质对话框ANSYS流体及热分析154、选择UtilityMenuSelectEverything，选择UtilityMenufileSaveas命令,弹出SaveDtabase对话框,在SaveDtabaseto文本框中输入4－1_start.db,保存上述操作过程，单击OK按钮关闭该对话框。5、求解：MainMenuSolutionRunFLOTRAN，开始进行求解。当出现Solutionisdone信息框时，表示求解过程已经结束，单击Close按钮，关闭该信息框。6、选择UtilityMenufileSaveas命令,弹出SaveDtabase对话框,在SaveDtabaseto文本框中输入4－1_en