流体动力学(CFD)分析

Page1ANSYS/FLOTRAN流体动力学(CFD)分析GuidelinesPage2目录第一章FLOTRAN计算流体动力学(CFD)分析概述一、FLOTRANCFD分析的概念二、FLOTRAN分析的种类1、层流分析2、紊流分析3、热分析4、可压缩流分析5、非牛顿流分析6、多组份传输分析GuidelinesPage3目录第二章FLOTRAN分析基础一、FLOTRAN单元的特点1、FLUID141单元2、FLUID142单元3、FLUID单元的其他特征二、使用FLOTRAN单元的一些限制及注意事项三、FLOTRAN分析的主要步骤四、FLOTRAN分析中产生的一些文件五、提高收敛性和稳定性的常用的工具六、FLOTRAN分析过程中应处理的问题七、对一个FLOTRAN分析进行评价八、验证结果GuidelinesPage4Intro-4目录第三章FLOTRAN设置命令一、FLOTRAN求解控制命令二、FLOTRAN执行及输出控制命令稳态控制参数设置三、FLOTRAN执行及输出控制命令瞬态控制参数设置四、FLOTRAN输出及保存文件控制五、FLOTRAN输出收敛监测量的控制六、FLOTRAN流体类型及其特性的可变性控制七、FLOTRAN流体性质参数设定八、FLOTRAN分析的坐标系统的指定九、FLOTRAN分析参考条件的设置十、指定FLOTRAN分析的旋转坐标系统十一、指定FLOTRAN分析的重力加速度十二、设置有助于FLOTRAN求解稳定的参数GuidelinesPage5Intro-5目录第三章FLOTRAN设置命令（续）十三、设定FLOTRAN自由度松弛系数十四、设定FLOTRAN流体性质松弛因子十五、设置FLOTRAN分析的自由度限值十六、选择FLOTRAN各自由度相应的求解器十七、对FLOTRAN各求解器的控制十八、设置FLOTRAN湍流模型的一些常数十九、重新设定FLOTRAN各分析参数的值二十、控制FLOTRAN面积积分的阶次二十一、FLOTRAN多组份疏运分析的设置及控制二十二、定义FLOTRAN的重启动（续算）控制二十三、设置并执行一个零迭代FLOTRAN分析GuidelinesPage6Intro-6目录第四章FLOTRAN边界条件一、边界条件的类型二、进口/出口边界条件三、对称边界条件四、固定壁面五、移动壁面六、内流七、外流八、周期边界九、热边界条件十、边界条件总结十一、边界条件的菜单形式GuidelinesPage7Intro-7目录第五章FLOTRAN层流和湍流分析算例一、问题描述二、分析方法及假定三、几何尺寸及流体性质四、分析过程第1步：进入ANSYS第2步：设置分析选择第3步：定义单元类型第4步：生成分析区域的几何面第5步：定义单元形状第6步：划分有限元网格第7步：生成并应用新的工具栏按钮第8步：施加边界条件第9步：求解层流GuidelinesPage8Intro-8目录第五章FLOTRAN层流和湍流分析算例（续）四、分析过程第10步：观察层流分析的结果第11步：确定流体粘性如何影响流场特性第12步：进行湍流分析第13步：对新的出口区划分网格第14步：施加湍流分析的载荷第15步：改变FLOTRAN分析选项和流体性第16步：进行求解第17步：将流体速度结果以向量图和路径图的方式进行显示第18步：绘制压力等值线图GuidelinesPage9Intro-9第一章FLOTRAN计算流体动力学(CFD)分析概述Page10Intro-10在完成本章学习后，我们应该对流体动力学分析的基本概念有所了解，并知道它的基本分类。ModuleObjective第一讲、FLOTRANCFD分析的概念第二讲、FLOTRAN分析的种类第三讲、层流分析第四讲、紊流分析第五讲、热分析第六讲、可压缩流分析第七讲、非牛顿流分析第八讲、多组份传输分析LessonObjectives目标Page11Intro-11一、FLOTRANCFD分析的概念T-1.FLOTRANCFD分析的概念ANSYS程序中的FLOTRANCFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具，使用ANSYS中用于FLOTRANCFD分析的FLUID141和FLUID142单元，可解决如下问题：·作用于气动翼(叶)型上的升力和阻力·超音速喷管中的流场·弯管中流体的复杂的三维流动同时，FLOTRAN还具有如下功能：·计算发动机排气系统中气体的压力及温度分布·研究管路系统中热的层化及分离·使用混合流研究来估计热冲击的可能性·用自然对流分析来估计电子封装芯片的热性能·对含有多种流体的(由固体隔开)热交换器进行研究ObjectivePage12Intro-12二、FLOTRAN分析的种类T-2.FLOTRAN分析的种类FLOTRAN可执行如下分析：·层流或紊流·传热或绝热·可压缩或不可压缩·牛顿流或非牛顿流·多组份传输这些分析类型并不相互排斥，例如，一个层流分析可以是传热的或者是绝热的，一个紊流分析可以是可压缩的或者是不可压缩的。ObjectivePage13Intro-13层流分析T-2.FLOTRAN分析的种类层流中的速度场都是平滑而有序的，高粘性流体（如石油等）的低速流动就通常是层流。ObjectivePage14Intro-14紊流分析T-2.FLOTRAN分析的种类紊流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低从而引起紊流波动的流体流动情况，ANSYS中的二方程紊流模型可计及在平均流动下的紊流速度波动的影响。如果流体的密度在流动过程中保持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量，该流体就可认为是不可压缩的，不可压缩流的温度方程将忽略流体动能的变化和粘性耗散。ObjectivePage15Intro-15热分析T-2.FLOTRAN分析的种类流体分析中通常还会求解流场中的温度分布情况。如果流体性质不随温度而变，就可不解温度方程。在共轭传热问题中，要在同时包含流体区域和非流体区域（即固体区域）的整个区域上求解温度方程。在自然对流传热问题中，流体由于温度分布的不均匀性而导致流体密度分布的不均匀性，从而引起流体的流动，与强迫对流问题不同的是，自然对流通常都没有外部的流动源。ObjectivePage16Intro-16可压缩流分析T-2.FLOTRAN分析的种类对于高速气流，由很强的压力梯度引起的流体密度的变化将显著地影响流场的性质，ANSYS对于这种流动情况会使用不同的解算方法。ObjectivePage17Intro-17非牛顿流分析T-2.FLOTRAN分析的种类应力与应变率之间成线性关系的这种理论并不能足以解释很多流体的流动，对于这种非牛顿流体，ANSYS程序提供了三中粘性模式和一个用户自定义子程序。ObjectivePage18Intro-18多组份传输分析T-2.FLOTRAN分析的种类这种分析通常是用于研究有毒流体物质的稀释或大气中污染气体的传播情况，同时，它也可用于研究有多种流体同时存在（但被固体相互隔开）的热交换分析。ObjectivePage19Intro-19第二章FLOTRAN分析基础Page20Intro-20本章学习，我们简单介绍FLOTRAN分析的基础知识，以助于大家对以后的FLOTRAN分析有个大体的概念。ModuleObjective第一讲、FLOTRAN单元的特点第二讲、FLUID141单元第三讲、FLUID142单元第四讲、FLUID单元的其他特征第五讲、使用FLOTRAN单元的一些限制及注意事项第六讲、FLOTRAN单元使用中的一些限制第七讲、FLOTRAN分析的主要步骤第八讲、FLOTRAN分析中产生的一些文件第九讲、提高收敛性和稳定性的常用的工具第十讲、FLOTRAN分析过程中应处理的问题LessonObjectives目标Page21Intro-21一、FLOTRAN单元的特点T2-1.FLOTRAN单元的特点ANSYS中的FLOTRAN单元，即FLUID141和FLUID142，用于解算单相粘性流体的二维和三维流动、压力和温度分布。对于这些单元，ANSYS通过质量、动量和能量三个守恒性质来计算流体的速度分量、压力、以及温度。ObjectivePage22Intro-22FLUID141单元T2-1.FLOTRAN单元的特点FLUID141单元具有下列特征：维数：二维形状：四节点四边形或三节点三角形自由度：速度、压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额ObjectiveFLUID141单元Page232001年10月1日ANSYS培训教程–版本5.5–XJTUMSSVBy:HaichGao(011001)Intro-23FLUID142单元T2-1.FLOTRAN单元的特点FLUID142单元具有下列特征：维数：三维形状：四节点四面体或八节点六面体自由度：速度、压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散、多达六种流体的各自质量所占的份额ObjectiveFLUID142单元Page24Intro-24FLUID单元的其他特征T2-1.FLOTRAN单元的特点FLUID单元的其他特征包括：·用于模拟紊流的二方程紊流模式·有很多推导结果，诸如：流场分析中的马赫数、压力系数、总压、剪应力、壁面处的y-plus、以及流线函数；热分析中的热流、热交换（膜）系数等。·流体边界条件，包括：速度、压力、紊流动能以及紊流能量耗散率。用户无需提供流场进口处紊流项的边界条件，因FLOTRAN对此提供的缺省值适用于绝大多数分析。·热边界条件，包括：温度、热流、体积热源、热交换（膜）系数。用户可使用的坐标系有：的卡尔坐标系、柱坐标系、极坐标系和轴对称坐标系。如果所计算的问题是轴对称的，激活旋转（swirl）选项即可算出垂直于对称平面的速度分量。ObjectivePage25Intro-25二、使用FLOTRAN单元的一些限制及注意事项T2-2.FLOTRAN单元的特点FLOTRAN单元的一些局限性：·在同一次分析中不能改变求解的区域·单元不支持自由流面边界条件·ANSYS程序的某些特征不能同FLOTRAN单元一起使用·使用FLOTRAN单元时不能使用某些命令或菜单·当使用ANSYS的图形用户界面时，程序将只能显示那些在菜单和对话框中的FLOTRANSetUp部分要求了的特征和选项。ObjectivePage26Intro-26FLOTRAN单元使用的一些限制T2-2.FLOTRAN单元的特点当使用FLOTRAN单元时，要避免使用ANSYS的某些特征和命令，至少，要注意到在使用FLOTRAN单元时与别的分析稍微有些不同，当使用了无效的命令时，程序会给出相应的警告或错误信息。使用FLOTRAN单元要注意如下几点（下面所列命令相应的菜单路径请参见ANSYS命令手册或联机帮助中的“CommandsandTheirLocationintheGUI”·FLOTRAN单元不能和其他单元联合使用。·节点坐标系必须与总体坐标系一致。·/CLEAR命令并不破坏业已存在的FLOTRAN结果文件（Jobname.RFL），这有助于防止用户不小心破坏那些花了很多时间和精力才求得的结果，用户必须在操作系统里才能删除那些无用的结果文件。ObjectivePage27Intro-27FLOTRAN单元使用的一些限制(续)T2-2.FLOTRAN单元的特点·CP命令通过对自由度进行耦合来形成周期边界条件，ANSYS命令手册对CP命令的描述是可以只对某些自由度进行耦合，但作FLOTRAN分析时，周期边界的所有自由度都将被耦合。用户不能对同一个单元中的节点进行耦合，相邻单元间节点耦合也很困难。·ADAPT命令不适用于FLOTRAN分析。·不能用ANTYPE命令来引入FLOTRAN的瞬态分析。·FLOTRAN分析不支持自动时间步长功能，详见“FLOTRAN瞬态分析”。·如果用户通过BFCUM、BFDELE或BFUNIF来定义节点热源，则ANSYS会在内部用BFE命令来代替。·不能使用LDREAD,FORC命令来电磁载荷转换到FLOTRAN分析中，而