ANSYS-FLUENT培训教材(完整)

APeraGlobalCompany©PERAChinaANSYSFLUENT培训教材第一节：CFD简介安世亚太科技（北京）有限公司APeraGlobalCompany©PERAChina什么是CFD?CFD是计算流体动力学（Computationalfluiddynamics）的缩写，是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方程组质量守恒方程动量守恒方程能量守恒方程组分守恒方程体积力等等CFD分析一般应用在以下阶段:概念设计产品的详细设计发现问题改进设计CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。APeraGlobalCompany©PERAChinaCFD如何工作?ANSYSCFD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Fluidregionofpipeflowisdiscretizedintoafinitesetofcontrolvolumes.EquationVariableContinuity1XmomentumuYmomentumvZmomentumwEnergyhControlVolume**FLUENTcontrolvolumesarecell-centered(i.e.theycorresponddirectlywiththemesh)whileCFXcontrolvolumesarenode-centeredUnsteadyConvectionDiffusionGenerationAPeraGlobalCompany©PERAChinaCFD模拟概览问题定义1.确定模拟的目的2.确定计算域前处理和求解过程3.创建代表计算域的几何实体4.设计并划分网格5.设置物理问题（物理模型、材料属性、域属性、边界条件…）6.定义求解器（数值格式、收敛控制…）7.求解并监控后处理过程8.查看计算结果9.修订模型ProblemIdentification1.Definegoals2.IdentifydomainPre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.SolverSettingsSolve7.ComputesolutionPostProcessing8.Examineresults9.UpdateModelAPeraGlobalCompany©PERAChina1.定义模拟目的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？ProblemIdentification1.Definegoals2.IdentifydomainAPeraGlobalCompany©PERAChina2.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？ProblemIdentification1.Definegoals2.IdentifydomainDomainofInterestasPartofaLargerSystem(notmodeled)DomainofinterestisolatedandmeshedforCFDsimulation.APeraGlobalCompany©PERAChina3.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？SolidmodelofaHeadlightAssemblyPre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.SolverSettingsAPeraGlobalCompany©PERAChina4.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？PyramidPrism/WedgeHexahedronPre-Processing3.Geometry4.Meshing5.Physics6.SolverSettingsTriangleQuadrilateralTetrahedronAPeraGlobalCompany©PERAChina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APeraGlobalCompany©PERAChina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APeraGlobalCompany©PERAChina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。ModelcourtesyofROIEngineeringAPeraGlobalCompany©PERAChina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-conformalinterface3DFilmCoolingCoolantisinjectedintoaductfromaplenum.TheplenumismeshedwithtetrahedralcellswhiletheductismeshedwithhexahedralcellsCompressorandScrollThecompressorandscrollarejoinedthroughanonconformalinterface.ThisservestoconnectthehexandtetmeshesandalsoallowsachangeinreferenceframeAPeraGlobalCompany©PERAChina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Forcomplexproblemssolvingasimplifiedor2Dproblemwillprovidevaluableexperiencewiththemodelsandsolversettingsforyourprobleminashortamountoftime.Pre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.SolverSettingsAPeraGlobalCompany©PERAChina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Aconvergedandmesh-independentsolutiononawell-posedproblemwillprovideusefulengineeringresults!Solve7.ComputesolutionAPeraGlobalCompany©PERAChina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Examineresultstoensurepropertyconservationandcorrectphysicalbehavior.Highresidualsmaybecausedbyjustafewpoorqualitycells.PostProcessing8.Examineresults9.UpdateModelAPeraGlobalCompany©PERAChina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PostProcessing8.Examineresults9.UpdateModelAPeraGlobalCompany©PERAChinaFLUENT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-GroundFlightTemperatureContoursforKilnBurnerRetrofitAPeraGlobalCompany©PERAChinaFLUENT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.)GasoutletOi