Fluent介绍及数值模型

2013/11/1712.2Fluent介绍及数值模型张光学博士、副教授Tel:[e-mail]2013/11/17FLUENT应用培训—张光学Fluent介绍FLUENT软件是目前市场上最流行的CFD软件，它在美国的市场占有率达到60%，在中国也是得到最广泛使用的CFD软件。FLUENT是世界领先的CFD软件，在流体建模中广泛的被应用。由于它一直以来以用户界面友好而著称，所以对初学者来说非常容易上手，提高生产速度。它基于非结构化及有限容量的解算器的独立性能在并行处理中的表现堪称完美。Fluent的软件设计基于CFD软件群的思想，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。22013/11/172FLUENT应用培训—张光学Fluent发展历程1975年谢菲尔德大学（UK）开发了Tempest1983年美国的流体技术服务公司creature推出fluent1988年FluentInc.成立1995年收购最大对手FDI公司（FIDAP）1997年收购Polyflow公司（粘弹性和聚合物流动模拟）2006年被ANSYS收购–在被ANSYS收购后为6.3版本–2009年6月发布12.0版本–2010年底发布13.0版本–2011年底发布14.0版本–最新：14.5版本3FLUENT应用培训—张光学Fluent基本功能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；惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟；42013/11/173FLUENT应用培训—张光学Fluent基本功能多运动坐标系下的流动问题；化学组分混合与反应；可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项；用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒，水滴，气泡等）；多孔介质流动；一维风扇、热交换器性能计算；两相流问题；复杂表面形状下的自由面流动。5FLUENT应用培训—张光学CFD软件构成前处理–构建物理几何体–生成网格–指定边界类型求解器–选择计算采用的模型（湍流、燃烧、换热、辐射和多相流等）–设置边界条件(进口压力和温度、出口速度)–设置求解器(是否耦合？稳态？精度？)–通过迭代得到数值解。后处理–查看计算结果(速度、压力和温度分布等)62013/11/174FLUENT应用培训—张光学Fluent软件构成FLUENT应该包括以下几个部分：FLUENT解法器GAMBIT，网格生成ICEM，网格生成prePDF，用于模拟PDF燃烧过程7FLUENT应用培训—张光学Fluent软件构成8GAMBIT设置几何形状生成2D或3D网格其它软件包，如CAD，CAE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第三方网格软件2D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2013/11/175FLUENT应用培训—张光学Fluent文件类型FLUENT软件文件类型：.jou文件：日志文档，可以编辑运行。.dbs文件：Gambit工作文件，若想修改网格，可以打开进行再编辑,可以打开进行再编辑。.msh文件：Gambit输出的网格文件，不可编辑。.cas文件：Fluent算例文件，包括网格及各项设置。.dat文件：FLUENT计算数据结果的数据文件。.pdf文件：prePDF生成文件，仅用于燃烧反应。最重要的是cas和dat文件。9FLUENT应用培训—张光学Fluent中的数值模型湍流模型（如何考虑粘性项）多相流/离散相模型（如何考虑颗粒或多相流动）化学反应/燃烧模型…102013/11/176FLUENT应用培训—张光学湍流模型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“随机”和“脉动”是湍流流场的重要的物理特征。判断是否湍流的参数：雷诺数（Reynoldsnumber）工程问题绝大多数属于湍流流动。11FLUENT应用培训—张光学湍流模型瞬时场拆分为平均量和脉动量之和，如时间平均定义为对NS方程进行平均，得到雷诺平均的NS方程(RANS):12Reynoldsstresstensor,Rij2013/11/177FLUENT应用培训—张光学湍流模型此时，控制方程组未知数增多，方程组不封闭。要使方程组封闭，必须做出某些假定，即建立应力的表达式（或者引入新的湍流方程），通过这此表达式把湍流的脉动值与时均值等联系起来。基于某些假定所得出的湍流控制方程，称为湍流模型。目的是为了求解湍流流动问题。并不直接求解包含随机运动的瞬间值，而是求解其时间平均值。13FLUENT应用培训—张光学14/5瞬时速度分布时间平均的速度分布2013/11/178FLUENT应用培训—张光学15/5•左图是抓拍的瞬态羽流图，右图是延时的光滑掉细节（涡）的平均图。横风中的射流FLUENT应用培训—张光学湍流模型16RANSbasedmodels一方程模型Spalart-Allmaras二方程模型Standardk–εRNGk–εRealizablek–εStandardk–ωSSTk–ω4-Equationv2fReynoldsStressModelk–kl–ωTransitionModelSSTTransitionModelDetachedEddySimulationLargeEddySimulationIncreaseinComputationalCostPerIteration2013/11/179FLUENT应用培训—张光学Spalart-Allmaras(S-A)模型SA模型求解修正涡粘系数的一个输运方程，计算量小–修正后，涡粘系数在近壁面处容易求解主要应用于气动/旋转机械等流动分离很小的领域，如绕过机翼的超音速/跨音速流动，边界层流动等是一个相对新的一方程模型，不需求解和局部剪切层厚度相关的长度尺度为气动领域设计的，包括封闭腔内流动–可以很好计算有反向压力梯度的边界层流动–在旋转机械方面应用很广局限性–不可用于所有类型的复杂工程流动–不能预测各向同性湍流的耗散17FLUENT应用培训—张光学标准k–ε模型选择ε作为第二个模型方程，ε方程是基于现象提出而非推导得到的耗散率和k以及湍流长度尺度相关:结合k方程,涡粘系数可以表示为:182013/11/1710FLUENT应用培训—张光学标准k–ε模型模型中的相关系数，主要根据一些特定条件下的试验结果而确定的。SKE是工业应用中最广泛使用的模型–模型参数通过试验数据校验过，如管流、平板流等–对大多数应用有很好的稳定性和合理的精度–包括适用于压缩性、浮力、燃烧等子模型SKE局限性:–对有大的压力梯度、强分离流、强旋流和大曲率流动，模拟精度不够。–难以准备模拟出射流的传播–对有大的应变区域（如近分离点），模拟的k偏大19FLUENT应用培训—张光学RKE/RNG模型Realizablek–ε(RKE)模型–耗散率(ε)方程由旋涡脉动的均方差导出，这是和SKE的根本不同–对雷诺应力项施加了几个可实现的条件–优势:精确预测平板和圆柱射流的传播对包括旋转、有大反压力梯度的边界层、分离、回流等现象有更好的预测结果RNGk–ε(RNG)模型:–k–ε方程中的常数是通过重正规化群理论分析得到，而不是通过试验得到的，修正了耗散率方程–在一些复杂的剪切流、有大应变率、旋涡、分离等流动问题比SKE表现更好202013/11/1711FLUENT应用培训—张光学k-ω及RSM模型标准k-ω模型–基于Wilcoxk-ω模型，它是为考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流传播而修改的。–Wilcoxk-ω模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射。雷诺压力模型（RSM）–在FLUENT中RSM是最精细制作的模型,在二维流动中加入了四个方程，而在三维流动中加入了七个方程。–要考虑雷诺压力的各向异性时，必须用RSM模型。例如飓风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流。21FLUENT应用培训—张光学湍流模型对比22RNGk–εStandardk–εReynoldsStressRealizablek–εContoursofTurbulentKineticEnergy(m2/s2)0.000.070.140.210.280.350.420.490.560.630.702013/11/1712FLUENT应用培训—张光学湍流模型总结23模型特点及适用范围S-A模型大网格低成本湍流模型，适用于模拟中等复杂的内流和外流以及压力梯度下的边界层流动k-ε模型标准优缺点明确，适用于初始迭代、设计选型和参数研究重整化适用于涉及快速应变、中等涡和局部转捩的复杂剪切流动可实现计算精度高于重整化k-ε模型标准k-ω模型在模拟近壁面边界层、自由剪切和低雷诺数流动时性能更好。可以用于模拟转捩和逆压梯度下的边界层分离(空气动力学中的外流模拟和旋转机械)SSTk-ω模型与标准k-ω模型性能类似，对壁面距离的依赖使得它不适合于模拟自由剪切流动。RSM模型基于雷诺平均的湍流模型，避免各向同性涡粘性假设，需要较多的CPU时间和内存消耗，适用于模拟强漩涡流等复杂三维流动LES模型适用于模拟瞬态的大尺度涡FLUENT应用培训—张光学湍流模型选用原则既要考虑模型的准确度，也要考虑计算工作量、收敛性等性能。根据计算目标来选用湍流模型，仔细查阅各模型适用条件和精度，并根据经验、实验数据等进行选用。模型越高级，理论上准确度越高，但是计算代价越大，同时收敛性能可能会变差。常用策略：首先用较简单的湍流模型（如SKE）获取初场，然后切换至更高级模型以获取最终解。记住:目前没有一个适用于所有流动的高级模型。242013/11/1713FLUENT应用培训—张光学壁面函数无论是标准k-ε模型、RNGk-ε模型，还是Realizablek-ε模型,都是针对充分发展的湍流才有效的，也就是说，这些模型均是高Re数的湍流模型。它们只能用于求解处于湍流核心区的流动。在流动区域内部，湍流充分发展，可使用湍流模型。但是在近壁区，湍流发展不充分，可能再现层流，因此无法用湍流模型描述。在近壁面处，湍流边界层很薄，因此求解变量的梯度很大，但精确计算边界层对仿真来说非常重要。25FLUENT应用培训—张光学壁面函数如何处理近壁面区域流动？直接求解：使用很密的网格来解析边界层，越靠近壁面，网格越细。对工程应用来说，代价很大。壁面函数法：在壁面区不进行求解，直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区内求解变量联系起来。是常用的方法。26innerlayerouterlayer2013/11/1714FLUENT应用培训—张光学壁面函数选用对大多数工业CFD应用来说，壁面函数仍然是最合适的处理方法。对k–ε系列的湍流模型，建议使用尺度化壁面函数。标准壁面函数对简单剪切流动模拟的很好，非平衡壁面函数提高了大压力梯度和分离流动的模拟精度。加强壁面函数用于对数定律不适合的更复杂的流动（例如非平衡壁面剪切层或低雷诺数流动）。28FLUENT应用培训—张光学多相流（multiphaseflow）相是指在流场中，具有相同的边界条件和动力学特性的同类物质，又叫物相。相一般分为固体，液体，气体。292013/11/1715FLUENT应用培训—张光学多相流（multiphaseflow）30