CFD流体动力分析-Flow-3D-chinese

FLOW-3D®之CFD流體動力分析王榮昌(ThomasWang)內容FLOW-3D®軟體的簡介FLOW-3D®的三個基本核心技術FLOW-3D®使用的統御及離散方程式FLOW-3D®的模型建立實際上機操作練習軟體的簡介軟體的簡介Foundedin1980byDr.C.W.Hirt---DeveloperoftheVOFfree-surfacetrackingmethod---GroupleaderinT3TheoreticalDivisionatLosAlamosLabFLOW-3D®firstreleasedin1985Mission:•發展並建立商用型CFD軟體•提供每一位使用者所需要的物理模型的技術支援•提共更完善的CFD軟體服務TheFLOW-3D®WorldwideNetwork•日本•韓國•台灣•中國•印度•德國•俄國•芬蘭•挪威•西班牙•義大利•加拿大•美國總部FLOW-3D®的自由液面FLOW-3D®可以模擬真實世界中物理模型的流動現象及準確計算出各種流場性質，特別是自由液面(freesurface)的流動FLOW-3D®的自由液面自由液面的定義-具有液氣共存的介面模型;-在氣體中的壓力梯度及剪應力是忽略的;-通常應用於密度比高達1000:1的兩種流體。在FLOW-3D的自由液面簡化模型:-忽略氣體流動;-氣體僅有一個正向壓力的作用於液體表面上;-以壓力邊界取代氣體於自由表面上的狀態。三個基本核心技術FLOW-3D®的三個基本核心技術TechnicalfoundationsofFLOW-3D®Multi-BlockGrids–多區塊結構性網格的技術FAVOR(FractionalArea/VolumeRatios)–針對複雜的幾何外形以結構性網格表現出來的技術VOF(Volume-of-Fluid)–針對追蹤自由液面流動的技術多區塊結構性網格的技術單一結構性網格區塊的限制SingleBlockisnotefficientinthesecases.多區塊結構性網格的技術兩種多區塊網格(連結型與艚狀型)连接型区块：在边界相交内嵌型网格：用于内部圆形凸台FAVOR(局部面积/体积比)有限差分（控制体积）方法使用FAVOR™技术实时显示几何体---局部面积/体积比---集成化公式---优点网格划分方便简单各种独立几何题定义FAVOR(局部面积/体积比)VFopenvolumevolumeofcellAFopenareacelledgeareazCwAyCvAxCuAtCVzCwyCvxCutCzyxf1存储量AFR-rightAFB-backAFT-topVF热交换区VOF(流体体积)VOF的三个组成部分:–流体分数Fº–针对平流来保持界面清晰–自由表面的边界条件VOF(流体体积)TruVOFTM和部分VOF方法因为近似使用步骤2和3，部分-VOF方法在多相流中变现不佳.TruVOFTM方法:1.使用F(x,y,z,t)体积分数2.当处理F-evolution方程时保持界面清晰.3.在液体表面应用垂直和相切方向的应力边界条件.部分-VOF方法1.使用F(x,y,z,t)体积分数.2.使用二阶方法处理F-evolution方程3.不应用边界条件.而是用流动的任何地方气体和液体不同的特征来处理=VOF(流体体积)溢流测试---用水溢出实验数据验证TruVOFTM.QuantityExp.Cal.Pooldepth0.410.4Outflowh0.0940.092PoolLength1.01.0Nappeangle5752Energyloss0.290.284Data:N.RajaratnamandM.R.Chamani,J.HydraulicRes.33,p.373,(1995)VOF(流体体积)单相流使用TruVOF方法保持界面清晰.CPU时间-2分钟双相流使用部分VOF方法可相互混合以及空气的扩散.CPU时间-8分钟VOF(流体体积)双流体模型是应用于分散两相流的最好模型，但是不能很好区分各种流体.0.000.170.330.500.670.831.00-0.70-0.36-0.020.320.661.00x0.00.51.0zFLOW-3DRt=5.002y=5.000E-01(ix=2to81kz=2to51)17:26:487-19-1999hvalhydr3d:version7.5.nwin321999Flowoverstep:VOFMethodfractionoffluidandvectors(vmax=3.65E+00)0.000.170.330.500.670.831.00-0.70-0.36-0.020.320.661.00x0.00.51.0zFLOW-3DRt=5.001y=5.000E-01(ix=2to81kz=2to51)09:59:087-20-1999tponhydr3d:version7.5.nwin321999Flowoverstep:P-VOFMethodfractionoffluidandvectors(vmax=3.22E+00)空腔区域压力统一气体流动液体/气体混合物流动離散方程式ContinuityEquation(連續方程式)URSORzwyvxuRDIFRSORwzvyuxtRSOR-MassSource/SinkRDIF-DensityDiffusion•不可压缩流(使用质量)•密度变化或者可压缩流(使用质量和密度扩散)FLOW-3D®所使用的方程式MomentumEquations(動量方程式)U=(u,v,w)-流体速度P-压力;G-治理加速度和非惯性体加速度;t-粘度应力张量;KU-drag（多孔挡板，障碍，糊状区）;RSORU/-在零速度场加速度引起的质量喷射;F-其它力:表面张力,electricforces,mass/momentumsources,particles,用户定义的力.可压缩非牛顿液体xxxFuRSORKuτρGxPzuwyuvxuutu11yyyFvRSORKvτρGyPzvwyvvxvutv11zzzFwRSORKwρGzPzwwywvxwutwt11ThermalEnergyTransportEquation(能量方程式)fs-固化率(是温度和浓度的函数);L-潜热;k-导热系数;C(T)-比热;h-液/壁热传热系数;Twall-壁温RISOR-energysource/sink;RIDIF-湍流扩散LfsdTTCIT)1()(Volume-of-FluidAdvectionEquation(VOF處理流體流動的方程式)FDIF-diffusionoffluidfractionFSOR-fluidvolumetricsource/sinkFSORFDIFFwzFvyFuxtF运动学方程`:tVOF运动函数是根据流体的速度场F=1.0-fluidF=0.0-voidU控制容积/有限差分法FLOW-3D使用三维有限差分网格主要变量的位置和约束在控制体积单元(i,j,k)柱坐标X半径Y弧长Z轴向边界(或Ghost)元素在边缘上以边界条件自动增加几层边界单元：一层设定大多数边界条件(symmetry,wall,velocity,outflow,gridoverlay)两层用来设定压力,周期和interblock边界.Firstrealcellisi=2,j=2,k=2有關時間間隔的處理程序1.初始化的数组，计算时间步长dt.2.处理耦合动量和连续性方程，使用预测/校正方法，以便获得新的压力和速度。预测步骤:使用已知值从动量方程预估速度.•0nN-timestep(orcycle)number;•timestepsizecomputedautomaticallyforspeedandaccuracy;•first-orsecond-orderupwinddifferencingforadvectionterms;•mostapproximationsareexplicit;•viscousstressescanalsobeapproximatedimplicitlyforhighlyviscousflows;•dragforcesarealwaysincludedimplicitly;•non-inertialaccelerationsincludedinG.3.更正步骤(不可压缩流)调整的压力和速度，以满足连续性方程.分量U=0離散化结果在压力的泊松方程.相邻单元之间迭代计算.收敛准则epsi将在每个周期自动计算.Pu0IncreasePu0DecreasePPP4.更新液体配置以获取新的流体分数F.•处理VOF方程是用特殊的技术来保证液体界面的清晰.5.更新剩余变量使用新的速度压力和流体分量.•不可压缩和层流的密度对流和扩散;•热传导;•湍流运输和壁函数求值;•求解微粒方程;•派生量:粘度，应变率，固化率，等.6.产生所需要的文档和图表输出.7.结束检查，进入下一个时间步骤.模型建立模型构建器•模型构建器是由一系列标签页组成，用来设置模拟参数•GLOBAL标签页–设定模拟类型•PHYSICS标签页–设定模拟需要使用的物理模型•FLUIDS标签页–选择流体的属性•MESHING&GEOMETRY标签页–定义流动区域•BOUNDARIES标签页–网格边界条件:入口,出口,壁•INITIAL标签页–设定流动区域流体的初始条件•OUTPUT标签页–控制空间数据，选择数据，历史数据等的输出.•NUMERICS标签页–时间步长,压力求解方式,隐式求解选项,等.•FINALIZE标签页–输入检查,开始预览和解算模型构建器Global-设定模拟类型SharpInterfaceNoSharpInterface指定界面跟踪算法模型构建器Global-流态指定流体数量为#2流体指定流体类型模型构建器Global-流态F=0.VoidIncompressiblefluidF=1.F=0.IncompressiblefluidIncompressiblefluidorcompressiblefluidFluid#1Fluid#2NOTE:只有#2流体可以被压缩如果只需要可压缩流体,那么就设定两种流体，并且指定#2流体可压缩，在INITIAL标签页只设定#2流体Void–动态不计算流体模式选项IncompressiblefluidFluid2(compressibleorincompressible)IncompressiblefluidAir/VoidIncompressiblefluid一种液体两种液体sharpinterface（清晰界面）orimmisciblefluids（不混融）nosharpinterface（没有清晰界面）ormisciblefluids（混融）Fluid1+Fluid2模型构建器模型构建器Physics-物理模型选择•激活模型只需要钩选个项目前面的多选框•详细的说明可以在手册中查看ModelReferencesection或者HelpContentsfrommenu模型构建器Fluids–设定流体属性定义流体属性可以手动的在属性树区输入也可以使用流体数据库单击以打开属性树在白色区域输入值不需要区域是灰色的存储流体属性数据库改变系统单位模型构建器Meshing-坐标系和固定点定义•网格类型:•笛卡尔坐标系(x,yandz)•柱坐标系(x=r,y=andz)•各个轴