Fluent

SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1234FLUENT概述FLUENT主要物理模型FLUENT中一些参数选择FLUENT实用小技巧目录/contentsSchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.FLUENT概述1.1FLUENT计算原理FLUENT求解器是基于有限体积法的–计算域离散化为一系列控制体积–在这些控制体上求解质量、动量、能量、组分等的通用守恒方程–偏微分方程组离散化为代数方程组–用数值方法求解代数方程组以获取流场解ControlVolume*非稳态项对流项耗散项源项将弯管流体域离散成有限个控制体积，并将流体的密度、速度以及流场的压强等信息设置与控制体积的中心处，控制体积节点处值则由该节点到中心的距离插值得到。SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.1FLUENT计算原理•网格文件中存储了所有的网格信息。–节点坐标–连接关系–域的定义•和几何定义类似，网格定义如下：–Node边的交叉点/网格顶点–Edge面的边（由两个节点定义）–Face单元的边界，由一组边定义–Cell域离散的控制体–Zone一系列节点、边、面或单元的集合•计算域由以上所有的信息组成–对纯流动问题，域只包括流体域–对共轭换热问题，或流固耦合问题，域还会包含固体域•边界条件设置在面上•材料属性和源项设置在单元上简单二维面网格简单三维体网格NodeBoundaryFaceCellCellCenterCellFaceNodeBoundaryFaceCellEdgeSchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYFLUENT分析流程分析总体流程问题定义前处理分析求解后处理确定模拟目的确定计算域创建代表计算域的几何实体设计并划分网格设置物理问题定义求解器求解并监控查看计算结果修订模型Fluent与ansysworkbench连接关系随着软件的发展，ANSYS在2011年底推出了14.0版本，新版本中的SYSTEMCOUPLING模块已经能实现与Fluent连接，进行双向耦合计算解。耦合计算添加各模块。注意顺序，因为是固体运动导致流场扰动，固体计算模块在前。若是流场引起固体变形，可相应的将流体模块放前头。静应力分析流场分析固定变形引起流场扰动SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.2FLUENT计算流程—1定义模拟的目的•你希望得到什么样的结果（例如，压降，流量），你如何使用这些结果？–你的模拟有哪些选择？•你的分析应该包括哪些物理模型（例如，湍流，压缩性，辐射）？•你需要做哪些假设和简化？•你能做哪些假设和简化（如对称、周期性）？•你需要自己定义模型吗？–FLUENT使用UDF，CFX使用UserFORTRAN•计算精度要求到什么级别？•你希望多久能拿到结果？•CFD是否是合适的工具？SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.2FLUENT计算流程—2确定计算域•如何把一个完成的物理系统分割出来？•计算域的起始和结束位置–在这些位置你能获得边界条件吗？–这些边界条件类型合适吗？–你能把边界延伸到有合适数据的位置吗？•能简化为二维或者轴对称问题吗？目标物理系统是大系统中一部分将目标物理系统从大系统中分离出来，并划分网格SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.2FLUENT计算流程—3创建几何模型•你如何得到流体域的几何模型？–使用现有的CAD模型•从固体域中抽取出流体域？–直接创建流体几何模型•你能简化几何吗？–去除可能引起复杂网格的不必要特征（倒角、焊点等）–使用对称或周期性？•流场和边界条件是否都是对称或周期性的？•你需要切分模型以获得边界条件或者创建域吗？SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.2FLUENT计算流程—4设计和划分网格•计算域的各个部分都需要哪种程度的网格密度？–网格必须能捕捉感兴趣的几何特征，以及关心变量的梯度，如速度梯度、压力梯度、温度梯度等。–你能估计出大梯度的位置吗？–你需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？•哪种类型的网格是最合适的？–几何的复杂度如何？–你能使用四边形/六面体网格，或者三角形/四面体网格是否足够合适？–需要使用非一致边界条件吗？•你有足够的计算机资源吗？–需要多少个单元/节点？–需要使用多少个物理模型？SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY四边形/六面体还是三角形/四面体网格•对沿着结构方向的流动，四边形/六面体网格和三角形/四面体网格相比，能用更少的单元/节点获得高精度的结果–当网格和流动方向一致，四边形/六面体网格能减少数值扩散–在创建网格阶段，四边形/六面体网格需要花费更多人力SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY四边形/六面体还是三角形/四面体网格TetrahedralmeshWedge(prism)mesh•对复杂几何，四边形/六面体网格没有数值优势，你可以使用三角形/四面体网格或混合网格来节省划分网格的工作量–生成网格快速–流动一般不沿着网格方向•混合网格一般使用三角形/四面体网格，并在特定的域里使用其他类型的单元–例如，用棱柱型网格捕捉边界层–比单独使用三角形/四面体网格更有效SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY多域（或混合）网格•多域或混合网格在不同的域使用不同的网格类型，例如–在风扇和热源处使用六面体网格–在其他地方使用四面体/棱柱体网格•多域网格是求解精度、计算效率和生成网格工作量之间的很好的平衡手段•当不同域直接的网格节点不一致时，需要使用非一致网格技术。SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY非一致网格•对复杂几何体，非一致网格很有用–分别划分每一个域，然后粘接•在其他情况下，也使用非一致网格界面技术–不同坐标系之间–移动网格Non-conformalinterfaceSchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.2FLUENT计算流程—5&6设置物理问题和求解器•对给定的问题，你需要–定义材料属性•流体•固体•混合物–选择合适的物理模型•湍流，燃烧，多相流等。–指定操作条件–指定边界条件–提供初始值–设置求解器控制参数–设置监测收敛参数SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.2FLUENT计算流程—7求解•通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛•以下情况达到收敛：–两次迭代的流场结果差异小到可以忽略•监测残差趋势能帮助理解这个差异–达到全局守恒•全局量的平衡–感兴趣的量（如阻力、压降）达到稳定值•监测感兴趣量的变化.•收敛解的精度和以下因素有关：–合适的物理模型，模型的精度–网格密度，网格无关性–数值误差SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.2FLUENT计算流程—8查看结果•查看结果，抽取有用的数据–使用可视化的工具能回答以下问题:•什么是全局的流动类型？•是否有分离？•激波、剪切层等在哪儿出现？•关键的流动特征是否捕捉住了？–数值报告工具能给出以下量化结果：•力、动量•平均换热系数•面积分、体积分量•通量平衡SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY1.2FLUENT计算流程—9修订模型•这些物理模型是否合适？–流动是湍流的吗？–流动是非稳态的吗？–是否有压缩性效应？–是否有三维效应？•这些边界条件是否合适？–计算域是否足够大？–边界条件是否合适？–边界值是否是合理的？•网格是否是足够的？–加密网格能否提高精度？–网格是否有无关性？–是否需要提高网格捕捉几何的细节SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYFLUENT中的物理模型•流动和传热–动量、质量、能量方程–辐射•湍流–雷诺平均模型(Spalart-Allmaras,k–ε,k–ω,雷诺应力模型)–大涡模拟(LES)和分离涡模拟(DES)•组分输运•体积反应–Arrhenius有限速率化学反应–湍流快速化学反应•涡耗散,非预混,预混，局部预混–湍流有限速率反应•EDC,laminarflamelet,compositionPDFtransport–表面化学反应PressureContoursinNear-GroundFlightTemperatureContoursforKilnBurnerRetrofitSchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYFLUENT中的物理模型•多相流模型–离散相模型(DPM)–VOF–Mixtures–Eulerian-EulerianandEulerian-granular–Liquid/Solidandcavitationphasechange•动网格–Movingzones•Singleandmultiplereferenceframes(MRF)•Mixingplanemodel•Slidingmeshmodel–Movinganddeforming(dynamic)mesh(MDM)•用户定义标量输运方程PressureContoursinaSquirrelCageBlower(CourtesyFordMotorCo.)GasoutletOiloutletThree-PhaseInletWateroutletContoursofOilVolumeFractioninaThree-PhaseSeparatorSchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY主要包括：Spalart-Allmaras模型、k-ε模型组、k-ω模型组、雷诺应力模型(RSM)组、分离涡模拟(DES)、大涡模拟模型(LES)等2.1湍流模型2.FLUENT主要物理模型无粘度模型层流模型湍流模型SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY湍流的特征•湍流本质是非稳态的、三维的、非周期的漩涡运动（脉动）的，湍流会加强混合、传热和剪切•时空域的瞬间脉动是随机的（不可预测的），但湍流脉动的统计平均可量化为输运机理•所有的湍流中都存在大范围的长度尺度（涡尺度）•对初场敏感