fluent基本物理模型介绍

基本物理模型本章介绍了FLUENT所提供的基本物理模型以及相关的定义和使用。基本物理模型概述FLUENT提供了从不可压到可压、层流、湍流等很大范围模拟能力。在FLUENT中,输运现象的数学模型与所模拟的几何图形的复杂情况是结合在一起的。FLUENT应用的例子包括层流非牛顿流的模拟，涡轮机和汽车引擎的湍流热传导，锅炉内煤炭粉碎机的燃烧，可压射流，空气动力外流，以及固体火箭发动机的可压化学反应流。为了与工业应用相结合，FLUENT提供了很多有用的功能。如多孔介质，块参数（风扇和热交换），周期性流动和热传导，涡流，以及移动坐标系模型。移动参考系模型可以模拟单一或者多个参考系。FLUENT还提供了时间精度滑动网格方法以及计算时间平均流动流场的混合平面模型，滑动网格方法在模拟涡轮机多重过程中很有用。FLUENT中另一个很有用的模型是离散相模型，这个模型何以用于分析喷雾和粒子流。，多项流模型可以用于预测射流的破散以及大坝塌陷之后流体的运动，气穴现象，沉淀和分离。湍流模型是FLUENT中很重要的一部分，湍流会影响到其它的物理现象如浮力和可压缩性。湍流模型提供了很大的应用范围，而不需要对特定的应用做出适当的调节，而且它涵括了其它物理现象的影响，如浮力和可压缩性。通过使用扩展壁面函数和区域模型，它可以对近壁面的精度问题有很好的考虑。各种热传导模式可以被模拟，其中包括具有或不具有其它复杂性如变化热传导的，多孔介质的自然的、受迫的以及混合的对流。模拟相应介质的辐射模型及子模型的设定通常可以将燃烧的复杂性考虑进来。FLUENT一个最强大的功能就是它可以通过耗散模型或者和概率密度函数模型来模拟燃烧现象。对于燃烧应用十分有用的其它模型也可以在FLUENT中使用，其中包括碳和液滴的燃烧以及污染形成模型。连续性和动量方程对于所有的流动，FLUENT都是解质量和动量守恒方程。对于包括热传导或可压性的流动，需要解能量守恒的附加方程。对于包括组分混合和反应的流动，需要解组分守恒方程或者使用PDF模型来解混合分数的守恒方程以及其方差。当流动是湍流时，还要解附加的输运方程。本节所介绍的是层流流动的守恒方程（在惯性（无加速度）的坐标系中）。后面几节将会讨论热传导、湍流模拟以及组分输运的守恒方程。关于旋转坐标系中的方程将在移动区域的流动中介绍。欧拉方程用于解决无粘流动，将在无粘流动一节中介绍质量守恒方程质量守恒方程又称连续性方程：miiSuxt该方程是质量守恒方程的一般形式，它适用于可压流动和不可压流动。源项S_m是从分散的二级相中加入到连续相的质量（比方说由于液滴的蒸发），源项也可以是任何的自定义源项。二维轴对称问题的连续性方程为：mSrvvxuxt具体各个变量的意义可以参阅相关的流体力学书籍，其中有具体而详细地介绍。动量守恒方程在惯性（非加速）坐标系中i方向上的动量守恒方程为[8]：iijijijijiFgxxpuuxut其中p是静压，t_ij是下面将会介绍的应力张量，rg_i和F_i分别为i方向上的重力体积力和外部体积力（如离散相相互作用产生的升力）。F_i包含了其它的模型相关源项，如多孔介质和自定义源项。应力张量由下式给出：ijllijjiijxuxuxu32上式的物理意义可以参阅流体力学教科书，其中会讲得很清楚。对于二维轴对称几何外形，轴向和径向的动量守恒方程分别为：xFxvrurrrvxurxrxpvurrruurxrut21322111以及rFrwvrrvvxvrrrruxvrxrrpvvrrruvrxrvt223223221111其中：rvrvxuvw是漩涡速度（具体可以参阅模拟轴对称涡流中漩涡和旋转流动的信息）热传导FLUENT允许在你模型的流体和/或固体区域包含热传导。本节中所介绍的物理模型和相关输入可以处理从流体内热混合到复合固体的热传导等问题。自然对流问题会在浮力驱动流动一节介绍，自然对流与辐射模型将在辐射模拟一节介绍FLUENT可以预测周期性几何外形的热传导，如密集的热交换器，它只需要考虑单个的周期性模块进行分析。关于这样流动的处理，需要使用周期性边界条件，具体可以参阅周期性流动和热传导一节。在两个分离的流动区域解决热传导问题如果所模拟的流动包括了两个流体区域，其中被固体区域或者壁面分离开，如下图所示，你需要更细心的定义问题。主要需要指定：两个流体区域都不可以使用质量出口边界条件每一个流体区域可以选择不同的流体材料。（然而对于组分计算，你只能在整个区域选择唯一一种混合材料）Figure1:典型的逆流热交换，在两个流体区域包括了热传导理论能量方程FLUENT所解的能量方程的形式为heffijjjjjieffiiiSuJhxTkxpEuxEt其中k_eff是有效热传导系数（k+k_t,其中k_t是湍流热传导系数，根据所使用的湍流模型来定义），J_j^'是组分j^'的扩散流量。上面方程右手边的前三项分别描述了热传导、组分扩散和粘性耗散带来的能量输运。S_h包括了化学反应热以及其它用户定义的体积热源项。在上面的方程中：22iuphE其中，理想气体的显焓定义为：jjjhmh对于可压流为：phmhjjj在方程5和7中，m_j^'是组分j^'的质量分数，而且TTjpjrefdTch,其中T_ref为298.15K.PDF模型的能量方程当激活非绝热PDF燃烧模型时，FLUENT解总焓形式的能量方程：hiiikipiiiiSxuxHckxHuxHt假定Lewis数为1，右手边第一项表示传导和组分扩散项。非守恒形式的粘性扩散项的贡献由第二项描述。总焓H定义为：jjjHmH其中m_j^'为组分j^'的质量分数，而且TjTjrefjjpjrefThdTcH,,0,0,jrefjhT是在参考温度T_ref,j^'下组分j^'的生成焓包括压力作用和动能项能量方程中的方程1包含了不可压流动中常常忽略的压力作用和动能项。因此，在默认的情况下，分离解算器在解不可压流动时不考虑压力作用和动能项。如果你希望考虑这些作用，可以使用define/models/energy?文本命令将所需的项激活。模拟可压流或者使用耦合解算器时，压力作用和动能项总是压考虑的。包括粘性耗散项能量方程中的方程1和PDF模型的能量方程中的方程1包括了粘性耗散项，该项所描述的是粘性剪切所产生的热能。使用分离解算器时，FLUENT默认的能量方程不包括它（因为粘性热可以忽略）。当Brinkman数Br接近或者大于一，粘性热将会很重要。其中：TkUBre2DT为系统温度的差分。你需要考虑粘性耗散项并且使用分离解算器，你需要在粘性模型面板激活粘性热项。对于可压流动一般有Br1。但是需要注意的是，当使用分离解算器时，如果你定义了可压流动模型，FLUENT并不自动激活粘性耗散项。当使用耦合解算器时，所解的能量方程总会包含粘性耗散项。包括组分扩散项能量方程一节中的方程1和PDF模型的能量方程一节中的方程1包括了由于组分扩散而导致的焓的输运的影响。当使用分离解算器时，在默认情况下，jjjiJhx会包含在能量方程一节的方程1中。如果你不想包括它，你可以在组分模型面板中关闭扩散能量源项的选项。当使用非绝热PDF燃烧模型时，该项并不是显式的出现在能量方程中，因为对于PDF模型的能量方程一节中的方程1来说，该方程右手边的第一项已经包含了它。当使用耦合解算器时，该项总是包含在能量方程中。由于化学反应产生的能量源项能量方程一节中的方程1的能量源项S_h包括了由于化学反应而产生的能量源项：jjTjTjpjjreactionhRdTcMhSrefref,,0,其中h^o_j^'是组分j^'的生成焓，R_j^'是组分j^'的体积生成速度。非绝热PDF燃烧模型的能量方程中，焓的定义已经包括了能量的生成（见PDF模型的能量方程一节中的方程5，所以能量的反应源项不包括在S_h中。.由于辐射产生的能量源项当使用某一辐射模型时，能量方程一节中的方程1和PDF模型的能量方程一节中的方程1的S_h也包括了辐射源项。详情参阅辐射模型一节。相间的能量源项需要注意的是，能量源项S_h还包括连续和离散相之间的热传导。在后面的离散与连续相耦合一节将会详细讨论。壁面处热传导的边界条件壁面处热传导边界条件在标准壁面函数一节中讨论。固体区域的能量方程FLUENT所用的固体区域的能量输运方程的形式为：qxTkxhuxhtiiii其中r=密度h=显焓（integral_T_ref^Tc_pdT）k=传导系数T=温度q(dot)^'=体积热源方程1左手边的第二项体现了由于固体的平移和旋转而导致的能量对流热传导。速度场u_i由指定固体区域的运动计算出来（见固体条件一节）。方程1右手边的项分别是固体内部热传导流量和体积热源的热流量。固体的各向异性热传导当使用分离解算器时，FLUENT允许你制定固体材料的各向异性热传导系数。固体的各向异性传导项形式为：iijixTkx其中k_ij是热传导系数矩阵。关于固体材料的各向异性热传导系数的制定可以参阅固体的各向异性热传导系数一节。入口处的扩散入口处能量的净输入既包括对流部分也包括扩散部分。对流部分由你所指定的入口温度确定。扩散部分依赖于计算出温度场的梯度。因此扩散部分（相应的净入口输运）不是提前指定的。在某些情况下，你可能希望指定入口处的能量净输运而不是入口温度。如果你使用分离解算器，你可以通过取消入口能量扩散来实现这一目标。在默认的情况下，FLUENT在入口处会考虑能量的扩散流量。要关闭入口扩散，可以使用文本命令：define/models/energy?。如果你使用耦合解算器，入口扩散选项无法关闭。热传导所需的用户输入当FLUENT模型包含了热传导，你需要激活相关的模型，提供热边界条件，并输入控制热传导和/或随温度变化的材料属性。本节将会介绍这些输入。下面将会介绍热传导问题的设定步骤。（注意：本步骤只包括热传导模型设定的必须步骤，你还要设定其它的模型，边界条件等。）1.要激活热传导的计算，请在能量面板中打开激活能量方程选项。菜单：Define/Models?Energy...。Figure1:能量面板2.(可选，只用于分离解算器)如果你模拟粘性流动，而且希望在能量方程中包括粘性热传导项，请在粘性模型面板中打开粘性热传导项。如包含粘性耗散一节中所述，当使用分离解算器时，FLUENT在默认的情况下会忽略能量方程中的粘性热传导项（如果使用耦合解散器，则会一直包含粘性热传导项。当流体中的剪切应力较大（如：润滑问题）和/或速度较高、可压流动，就应该激活粘性耗散项（见包含粘性耗散项一节中的方程1）。菜单Define/Models/Viscous...3.在流动入口、出口和壁面处定义热边界条件。菜单：Define/BoundaryConditions...。在流动的出入口你需要设定温度，在壁面处你可能需要设定下面的某一热条件：指定热流量指定温度对流热传导外部辐射外部辐射和外部对流热传导的结合定义壁面处热边界条件一节详细地介绍了控制热边界条件的模型输入。入口处默认的热边界条件为指定的温度300K；壁面处默认的条件为零热流量（绝热