计算流体动力学软件Fluent简介

UniversityofScienceandTechnologyBeijingCivilandenvironmentalengineeringschool计算流体动力学软件Fluent简介高玉坤[e-mail]土资学院2017年3月[e-mail]1、计算流体动力学及Fluent概述3、Fluent15.0软件用户界面介绍4、Fluent模拟原理与过程概览2、Fluent应用领域成果概览5、Fluent在矿业安全中的应用介绍[e-mail]11.1概念实验测试数值模拟理论分析研究工程问题常用方法：数值模拟概念：数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元或有限容积等方法，通过数值计算和图像显示，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。[e-mail]11.1概念三者的比较：优点缺点实验物理现象和测试结果可靠(1)设备要求高，设计制造周期长(2)真实模拟物理问题困难(3)测试仪器调试复杂(4)只能得到有限的实验数据(5)实验经费庞大理论(1)物理概念清晰(2)物理规律能公式化(3)物理规律简介(1)分析只适用于简单的问题(2)线性问题能得到分析结果，非线性问题分析十分困难计算(1)适用于线性和非线性问题(2)能处理复杂的问题(3)可以得到研究对象运动的全过程(1)计算模型和结果可靠性不易检验(2)边界数值处理复杂(3)计算量大，数据分散，流动规律不直观[e-mail]11.1概念三者的比较：数值模拟发展迅速，但是无论今天还是将来，它发展到何种程度，都不可能离开实验研究和理论分析。因为实验现象和理论分析是数值模拟的基础，而计算结果又必须由实验现象和理论分析验证。物理问题理论分析数值模拟实验研究工程应用检验检验是否综合设计方法示意图[e-mail]11.1概念•目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：–有限差分法–有限元法–有限体积法[e-mail]11.1概念•目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：–有限差分法（FiniteDifferenceMethod,FDM)一种求偏微分（或常微分）方程和方程组定解问题的数值解的方法，简称差分方法。基本思想是先把问题的定义域进行网格剖分，然后在网格点上，按适当的数值微分公式把定解问题中的微商换成差商，从而把原问题离散化为差分格式，进而求出数值解。Matlab、FLAC3D/2D等[e-mail]11.1概念•目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：–有限元法（亦称有限单元法）（FiniteElementMethod,FEM)将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。Ansys、Abaqus、ls-dyna、nastran等[e-mail]11.1概念•目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：–有限体积法(FiniteVolumeMethod,FVM)将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之间的变化规律，即假设值的分段的分布的分布剖面。Fluent、CFX、Star-CD等–前处理软件：Gambit、ICEM、Hypermesh等–后处理软件：Fieldview、Ensight、Tecplot等[e-mail]11.1概念理论:传热学流体力学应用数值方法（插值、迭代）燃烧学张量分析泛函分析（变分原理）高等数学（场论、微分方程）线性代数（矩阵、行列式）软件：常用软件的教程、视频软件的HELP文档实例操作练习类比：需要学习哪些内容？[e-mail]11.1概念什么是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。[e-mail]11.1概念什么是CFD？本质上是对控制方程的求解未知函数ρ,u,v,w,p,T自变量t,x,y,[e-mail]11.1概念CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在层流与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEMCFD。什么是Fluent？[e-mail]11.2Fluent用户界面（以15.0版本为例）[e-mail]11.3Fluent软件的发展历史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、2013、2015年底分别发布14.0、15.0、16.0版本[e-mail]11.4Fluent软件的基本功能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[e-mail]11.4Fluent软件的基本功能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[e-mail]11.5计算流体动力学的工作流程建立控制方程确定初始条件和边界条件划分计算网格、生成计算节点建立离散方程离散初始和边界条件给定求解控制参数求解离散方程显示和输出计算结果解是否收敛[e-mail]22.1Fluent模拟气泡的破碎和凝聚计算域几何如下图所示。采用如图所示的圆柱形容器。气泡从底部inlet入口进入，从outlet出口流出。几何尺寸如图所示。Fluent的附加模型populationbalancemodel可以用于计算气泡流的破碎及汇聚。本例使用欧拉多相流配合PBM模型模拟气泡在流动过程中的破碎及凝聚现象。计算模型[e-mail]22.1Fluent模拟气泡的破碎和凝聚计算之后可以观察气泡粒径分布云图等，如图左所示为气泡粒径分布。也可以查看整个计算域空间不同粒径气泡数量直方图分布（右图）。粒径分布不同粒径气泡数量分布[e-mail]22.2Fluent模拟晃动实现原理有两个关键：（1）运动加载（2）VOF模型。这一个极其简化的模型，完全封闭，二维。1、运动的加载。利用UDF来实现，采用DEFINE_TRANSIENT_PROFILE宏来设置区域整体运动。2、选择模型选择VOF模型，设置空气为主相，水为第二相。结果模拟结果[e-mail]22.3Fluent滑移网格模拟区域运动实现目标：杯子中装满水，现在以速度1rad/s延续1s钟使杯子倾斜1rad，观察5s钟内水的变化情况。涉及到内容包括：（1）分界面几何模型的建立。涉及到多几何体的创建，主要是各部分模型网格的组装问题。（2）区域运动的指定。在本例中主要是指定运动区域的旋转速度。需要注意的是旋转中心与旋转方向的设定。（3）多相流的使用。本例中使用的是VOF模型。计算结果[e-mail]22.4隧道排放产生CO的扩散本例模拟的是产生的CO气体在隧道中排放后，CO气体的扩散情况。模拟结果[e-mail]22.5发动机缸盖冷却的热固耦合模拟Fluent可以应用于燃烧、热交换热对流领域，如机械发动机内汽油（柴油）的燃烧模拟、发动机散热模拟。本例模拟的是发动机缸盖的冷却。模拟结果模型网格划分[e-mail]22.6大桥抗风性能本例所示是Fluent在建筑行业的应用，可以应用于建筑行业的消防设计、建筑风场指标要求、建筑温度要求等。下图所示是模拟桥梁的抗风性能模拟。UniversityofScie