ANSYS流體第4章flotran流體分析典型工程實(shí)例

1、 ANSYS流體及熱分析第 4 章 FLOTRAN流體分析典型工程實(shí)例ANSYS程序中的FLOTRAN CFD流體分析是一個用于分析二維及三維流體流動場的先進(jìn)工具。本章重點(diǎn)通過實(shí)例講解介紹FLOTRAN CFD流體分析在工程上的一些典型應(yīng)用。本章要點(diǎn)& 如何解決流體力學(xué)問題& FLOTRAN流體分析典型工程實(shí)例本章案例 & 三維U型管道速度場的數(shù)值模擬& 實(shí)際生活中射流現(xiàn)象的數(shù)值模擬4.1 如何解決流體力學(xué)問題在流體力學(xué)的研究中，常用的方法有理論研究方法、數(shù)值計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)研究方法。理論研究方法的特點(diǎn)是：能夠清晰、普遍地揭示出流動的內(nèi)在規(guī)律，但該方法目前只局限于

2、少數(shù)比較簡單的理論模型。研究更復(fù)雜更符合實(shí)際的流動一般采用數(shù)值計(jì)算方法，它的特點(diǎn)就是能夠解決理論研究方法無法解決的復(fù)雜流動問題，如常見的航空工程、氣象預(yù)報、水利工程、環(huán)境污染預(yù)報、星云演化過程等。實(shí)驗(yàn)研究方法的特點(diǎn)就是結(jié)果可靠，但其局限性在于相似準(zhǔn)側(cè)不能全部滿足、尺寸限制、邊界影響等。數(shù)值計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)研究方法相比，它所需的費(fèi)用和時間都比較少，并且有較高的精度，但它要求對問題的物理特性有足夠的了解（通過實(shí)驗(yàn)方法了解），并能建立較精確的描述方程組（通過理論分析）。對于流體力學(xué)的數(shù)值模擬常采用的步驟如下。（1）建立力學(xué)模型通過流動分析，采用合理的假設(shè)與簡化，建立力學(xué)模型。假設(shè)與簡化：連續(xù)介質(zhì)與不連

3、續(xù)介質(zhì)；理想流體與粘性流體；不可壓縮流體與可壓縮流體；定常流動與非定常流動。（2）建立數(shù)學(xué)模型根據(jù)力學(xué)模型，建立描述力學(xué)模型的數(shù)學(xué)方程組，并利用無量鋼化、量綱分析、引進(jìn)新的物理參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式等方法對基本方程組進(jìn)行簡化，得到相應(yīng)流動的求解方程組，再根據(jù)具體的流動條件確定流動的初始條件和邊界條件。描寫流體運(yùn)動的兩種方法：拉格朗日方法和歐拉方法。（3）求解方法l 準(zhǔn)確解法：解析解l 近似解法：近似解、數(shù)值解l 實(shí)驗(yàn)解法：相似解（4）求解結(jié)果速度分布、壓力分布、合力、阻力、能量耗散等物理量的求解結(jié)果。上述的數(shù)值模擬步驟可以簡化為：工程實(shí)際中的流動現(xiàn)象建立力學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型選擇求解方法結(jié)果驗(yàn)證

4、。4.2 工程實(shí)例一三維U型管道速度場的數(shù)值模擬在實(shí)際生活和工程中，管道流動是十分常見的。下面就介紹數(shù)值模擬圖 4- 1所示的三維U型管道中的速度場。圖 4- 1 U型管道示意圖如圖 4- 1所示的三維U型管道計(jì)算模型，其中U型管道橫斷面為長寬均為100mm的正方形斷面，U型管道兩端平直部分的長度均為500mm，彎曲部分的半徑為200mm。入口速度為0.1m/s。本例使用毫米單位制。附帶光盤“Ch4實(shí)例41_start” 附帶光盤“Ch4實(shí)例41_end”附帶光盤“AVICh441.avi”1、設(shè)置分析選項(xiàng)選擇Main Menu>Preference命令，彈出如圖 4- 2所示的Pref

5、erences for GUI Filtering對話框，在Individual discipline(s) to show in the GUI欄中選中FLOTRAN CFD選項(xiàng)，單擊OK按鈕。圖 4- 2設(shè)置分析選項(xiàng)對話框2、定義工作文件名選擇Utility Menu>File>Change Jobname命令，彈出如圖 4- 3所示的Change Jobname對話框，在Enter new jobname后面的文本框中輸入Example 4-1，選中New log and error files復(fù)選框?yàn)閅es，單擊OK按鈕。圖 4- 3設(shè)置工作文件名對話框3、定義工作標(biāo)題選擇

6、Utility Menu>File>Change Title命令，彈出如圖 4- 4所示的Change Title對話框，在Enter new title后面的文本框中輸入 CFD analysis of a nozzle，單擊OK按鈕。圖 4- 4設(shè)置工作標(biāo)題對話框4、定義單元類型選擇Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，彈出Element Types對話框。單擊Add按鈕，彈出如圖 4- 5所示的Library of Element Types對話框，在左面的列表欄中選擇FLOTRAN CF

7、D，在右面的列表欄中選擇2D FLOTRAN 141，單擊OK按鈕，再單擊Close按鈕，完成單元類型的設(shè)置。圖 4- 5設(shè)置單元類型對話框5、生成分析區(qū)域1、點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>-Modeling>Create>Keypoints>In Active CS菜單命令，彈出如圖 4- 6所示的Create Keypoints in Active Coordinate System對話框，在X，Y，Z Location in active CS輸入欄中輸入0，0，0，點(diǎn)擊Apply按鈕，又彈出圖 4- 6所示的對話框，相同的操作輸入點(diǎn)（0

8、，0，500）、（500，0，500）、（500，0，0）、（250，0，750），點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 6 創(chuàng)建點(diǎn)對話框2、顯示點(diǎn)編號：Utility Menu>PlotCtrls>Numbering,彈出如圖 4- 7所示的Plot Numbering Controls對話框，單擊KP Keypoint numbers后面的單選按鈕為ON，單擊OK按鈕。生成的六個點(diǎn)如圖 4- 8所示。圖 4- 7標(biāo)出標(biāo)號控制對話框圖 4- 8 點(diǎn)框圖3、點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>

9、;Straight Line菜單命令，彈出Create Straight拾取框，點(diǎn)擊點(diǎn)1和2，生成一條直線，同樣的操作，點(diǎn)擊2和3，點(diǎn)擊OK按鈕。4、點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>By End KPs&Rad菜單命令，彈出Arc by End KPs&Rad命令，拾取點(diǎn)2和3，點(diǎn)擊OK按鈕，拾取點(diǎn)5，點(diǎn)擊OK按鈕，彈出如圖 4- 9所示的Arc by End KPs&Rad對話框，在RAD Radius of the arc輸入欄中輸入250，點(diǎn)擊OK按鈕。 圖

10、 4- 9 創(chuàng)建圓弧對話框5、點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Lines命令，在彈出的Add Lines拾取框中點(diǎn)擊Pick All按鈕，彈出如圖 4- 10所示的Add Lines對話框，點(diǎn)擊OK按鈕。生成U型引導(dǎo)線。圖 4- 10 合并線對話框6、點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>-Modeling>Create>-Areas>Rectangle>By Dimensions命令，彈出如圖 4- 11所示的Create Rect

11、angle by Dimensions對話框。在X1，X2 X-coordinates輸入框中依次輸入-50，50，在Y1，Y2 Y-coordinates輸入框中依次輸入-50，50，點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 11 創(chuàng)建矩形對話框7、點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>-Modeling>Operate>Extrude>Areas>Along Lines對話框，彈出Sweep Areas along Lines拾取框，拾取面，點(diǎn)擊OK按鈕，拾取引導(dǎo)線，點(diǎn)擊OK按鈕，生成三維U型管道，如圖 4- 12所示。圖 4- 12 U型管道計(jì)算模型示意圖6

12、、定義單元形狀點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Global>Size命令，彈出如圖 4- 13所示的Global Element Sizes對話框，在SIZE Element edge length輸入欄中輸入10,點(diǎn)取OK按鈕。圖 4- 13 全局單元尺寸對話框7、劃分有限元網(wǎng)格Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool,在彈出MeshTool對話框中，采取映射網(wǎng)格劃分，點(diǎn)擊Hex>Mapped,點(diǎn)擊Mesh，選取整個

13、幾何模型，生成網(wǎng)格如圖 4- 14所示。圖 4- 14 生成的有限元網(wǎng)格8、施加邊界條件1、施加進(jìn)口速度邊界條件：Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Fluid/CFD>Velocity>On Areas命令，會彈出拾取對話框。拾取右邊進(jìn)口面，點(diǎn)擊OK按鈕，彈出如圖 4- 25所示的Apply VELO load on areas對話框，在VX Load value中輸入0，在VY Load value中輸入0，在VZ Load value中輸入100，點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 15 施加速度載

14、荷對話框2、施加壓力出口邊界條件：Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Fluid/CFD>Pressure DOF>On Areas命令，會彈出拾取框。拾取左邊出口面，單擊OK按鈕，彈出如圖 4- 16所示的Apply PRES on lines對話框，在PRES Pressure value中輸入0，點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 16 施加壓力載荷對話框3、施加固體壁面邊界條件：Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply&

15、gt;Fluid/CFD>Velocity>On Lines命令，會彈出拾取對話框。拾取其余的所有壁面，點(diǎn)擊OK按鈕，彈出如圖 4- 15所示的Apply VELO load on lines對話框，在VX Load value中輸入0，在VY Load value中輸入0，在VZ Load value中輸入0，點(diǎn)擊OK按鈕。9、求解1、點(diǎn)擊Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Solution Options命令，彈出如圖 4- 17所示的FLOTRAN Solution Options對話框，在TURB Laminar or tu

16、rbulent下拉列表框中選擇Turbulent，其余選項(xiàng)采用默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 17 FLOTRAN求解選項(xiàng)對話框2、點(diǎn)擊Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl命令，彈出如圖 4- 18所示的Steady State Control Settings對話框，在EXEC Global Iterations輸入欄中輸入100，其余選項(xiàng)采用默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 18 穩(wěn)態(tài)控制設(shè)置對話框3、點(diǎn)擊Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Fluid Prop

17、erties命令，彈出如圖 4- 19所示的Fluid Properties對話框，在Density，Viscosity，Conductivity，Specific heat后的下拉菜單中選擇AIR-mm，點(diǎn)擊OK按鈕，彈出如圖 4- 20所示的CFD Flow Properties對話框，確認(rèn)信息是否正確，點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 19 流體物性對話框圖 4- 20 CFD流動性質(zhì)對話框4、選擇Utility Menu>Select>Everything，選擇Utility Menu>file>Save as命令,彈出Save Dtabase對話框,在Save Dtab

18、ase to文本框中輸入41_start.db, 保存上述操作過程，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。5、求解：Main Menu>Solution>Run FLOTRAN，開始進(jìn)行求解。當(dāng)出現(xiàn)Solution is done信息框時，表示求解過程已經(jīng)結(jié)束，單擊Close按鈕，關(guān)閉該信息框。6、選擇Utility Menu>file>Save as命令,彈出Save Dtabase對話框,在Save Dtabase to文本框中輸入41_end.db, 保存求解結(jié)果，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。10、后處理1、調(diào)入最后迭代步的結(jié)算結(jié)果：Main Menu>General P

19、ostproc>Read Results>Last Set。2、繪制壓力云圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu,彈出如圖 4- 21所示對話框，在Item to be contoured后面的兩個列表框中分別選擇DOF solution和Pressure PRES，單擊OK按鈕，所得到的結(jié)果如圖 4- 22所示。圖 4- 21節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果顯示對話框圖 4- 22 壓力分布等值線圖3、點(diǎn)擊Utility>PlotCtrls>Style>Hidden

20、Line Options命令，彈出如圖 4- 23所示的Hidden-Line Options對話框，/TYPE Type of plot下拉列表中選擇Section，點(diǎn)擊OK按鈕，截取出口截面。圖 4- 23 隱藏線選項(xiàng)對話框4、以向量方式顯示速度分布結(jié)果：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Vector Plot>Predefined,彈出如圖 4- 24所示的對話框。在Vector item to be plotted后面的第一列表中選擇DOF solution，在第二列表中選擇Velocity V，單擊OK按鈕，所得到

21、的結(jié)果如圖 4- 25所示。圖 4- 24以向量形式顯示速度分布對話框圖 4- 25 出口截面速度矢量圖5、繪制速度云圖：重復(fù)步驟（2）的操作，在Item to be contoured后面的兩個列表框中分別選擇DOF solution和Fluid Velocity，單擊OK按鈕，所得到的結(jié)果如圖 4- 26所示。圖 4- 26 出口截面速度云圖4.3 工程實(shí)例二實(shí)際生活中射流現(xiàn)象的數(shù)值模擬在生活或工程中，經(jīng)常會噴到一些從管口、孔口、狹縫射出，或靠機(jī)械推動，并同周圍流體摻混的一股流體流動。這種流動就是流體力學(xué)中的射流流動。簡單的射流問題所在的幾何區(qū)域，它一般包含了噴口（inlet）及其出口（o

22、utlet），其余未標(biāo)示的區(qū)域?yàn)楸诿妫╳all）。如圖 4- 27所示。圖 4- 27 幾何模型的創(chuàng)建圖 4- 28給出了計(jì)算區(qū)域的幾何尺寸，其單位為cm。圖 4- 28 簡化后模型的幾何尺寸附帶光盤“Ch4實(shí)例43_start” 附帶光盤“Ch4實(shí)例43_end”附帶光盤“AVICh443.avi”1、設(shè)置分析選項(xiàng)選擇Main Menu>Preference命令，彈出如圖 4- 29所示的Preferences for GUI Filtering對話框，在Individual discipline(s) to show in the GUI欄中選中FLOTRAN CFD選項(xiàng)，單擊OK按

23、鈕。圖 4- 29設(shè)置分析選項(xiàng)對話框2、定義工作文件名選擇Utility Menu>File>Change Jobname命令，彈出如圖 4- 30所示的Change Jobname對話框，在Enter new jobname后面的文本框中輸入Example 4-2，選中New log and error files復(fù)選框?yàn)閅es，單擊OK按鈕。圖 4- 30設(shè)置工作文件名對話框3、定義工作標(biāo)題選擇Utility Menu>File>Change Title命令，彈出如圖 4- 31所示的Change Title對話框，在Enter new title后面的文本框中輸入

24、 CFD analysis of jet flow，單擊OK按鈕。圖 4- 31設(shè)置工作標(biāo)題對話框4、定義單元類型選擇Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，彈出Element Types對話框。單擊Add按鈕，彈出如圖 4- 32所示的Library of Element Types對話框，在左面的列表欄中選擇FLOTRAN CFD，在右面的列表欄中選擇2D FLOTRAN 141，單擊OK按鈕，再單擊Close按鈕，完成單元類型的設(shè)置。圖 4- 32設(shè)置單元類型對話框5、生成分析區(qū)域的幾何面1、點(diǎn)擊Mai

25、n Menu>Preprocessor>-Modeling>Create>Keypoints>In Active CS菜單命令，彈出如圖 4- 7所示的Create Keypoints in Active Coordinate System對話框，在X，Y，Z Location in active CS輸入欄中輸入0，0，點(diǎn)擊Apply按鈕，又彈出圖 4- 33所示的對話框，相同的操作輸入點(diǎn)（0，9）、（0，11）、（0，20）、（80，20）、（80、0），點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 33 創(chuàng)建點(diǎn)對話框2、顯示點(diǎn)編號：Utility Menu>PlotCtrl

26、s>Numbering,彈出如圖 4- 34所示的Plot Numbering Controls對話框，單擊KP Keypoint numbers后面的單選按鈕為ON，單擊OK按鈕。生成的六個點(diǎn)如圖 4- 35所示。圖 4- 34標(biāo)出標(biāo)號控制對話框圖 4- 35 點(diǎn)框圖3、點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>Straight Line菜單命令，彈出Create Straight拾取框，點(diǎn)擊點(diǎn)1和2，生成一條直線，同樣的操作，點(diǎn)擊2和3，3和4，4和6，6和5，5和1，生成六條直線。生

27、成的線框圖如圖 4- 36所示。圖 4- 36 生成的線框圖4、點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>By Lines菜單命令，彈出Create Area by L拾取框，依次選取六條直線，點(diǎn)擊OK按鈕。6、設(shè)置單元尺寸點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Lines>Picked Lines,點(diǎn)取L2，在點(diǎn)取菜單中點(diǎn)取Apply。在彈出如圖 4- 37所示的Element

28、Sizes on Picked Lines對話框中，在SIZE Element edge length中輸入0.1，點(diǎn)取Apply。點(diǎn)取L1、L3和L5，并點(diǎn)取Apply，在彈出菜單的SIZE Element edge length中輸入0.5，點(diǎn)取Apply。點(diǎn)取上下兩條直線L4和L6，并點(diǎn)取OK，在彈出菜單的SIZE Element edge length中輸入1，點(diǎn)取OK。圖 4- 37設(shè)置單元尺寸對話框7、劃分有限元網(wǎng)格Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshTool,在彈出MeshTool對話框中，采取自由網(wǎng)格劃分，點(diǎn)擊Mesh，選取整

29、個幾何模型，生成網(wǎng)格如圖 4- 38所示。圖 4- 38 生成的有限元網(wǎng)格8、施加邊界條件1、點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Fluid/CFD>Velocity>On Lines菜單命令，彈出Apply V on Lines拾取框，選取進(jìn)口L2，點(diǎn)擊OK按鈕。彈出如圖 4- 39所示的Apply VELO load on lines對話框，在VX Load value輸入欄中輸入20，在VY a Load value輸入欄中輸入0，點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 39 施加速度載荷對話框2、

30、點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Fluid/CFD>Velocity>On Lines菜單命令，彈出Apply V on Lines拾取框，選取L1和L6，點(diǎn)擊OK按鈕。彈出如圖 4- 40所示的Apply VELO load on lines對話框，在VX Load value輸入欄中輸入0，在VY a Load value輸入欄中輸入0，點(diǎn)擊OK按鈕。3、點(diǎn)擊Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>

31、;Fluid/CFD>Volume Fract>Bound Loads>On Lines命令，彈出Apply VFRC on Lines拾取框，選取進(jìn)口L2，點(diǎn)擊OK按鈕。彈出如圖 4- 14所示的Apply VFRC load on lines對話框，在Boundary Value輸入欄中輸入1，在Wetting Status value輸入欄中輸入1，點(diǎn)擊OK按鈕。加載后的幾何模型如圖 4- 41所示。圖 4- 40 施加VFRC載荷對話框圖 4- 41 加載后的幾何模型9、求解1、點(diǎn)擊Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>

32、Flow Environment>Gravity命令，彈出如圖 4- 42所示的Gravity Specifications對話框，在ACELY Accel in Y direction輸入欄中輸入9.81，點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 42指定重力對話框2、點(diǎn)擊Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Fluid Properties命令，彈出如圖 4- 43所示的Fluid Properties對話框，在Density，Viscosity，Conductivity，Specific heat后的下拉菜單中選擇AIR-cm，點(diǎn)擊OK按鈕，彈出如圖

33、4- 44所示的CFD Flow Properties對話框，確認(rèn)信息是否正確，點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 43流體物性對話框圖 4- 44 CFD流動性質(zhì)對話框3、點(diǎn)擊Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Solution Options命令，彈出如圖 4- 45所示的FLOTRAN Solution Options對話框，在TRAN Steady state or transient？選擇列表中選擇“Transient”，在TURB Laminar or turbulent？選擇列表中選擇“turbulent”，點(diǎn)擊VOF Activate VO

34、F advection？后的方框，使“No”狀態(tài)變?yōu)椤癥es”，點(diǎn)擊OK按鈕。圖 4- 45 FLOTRAN求解選擇對話框4、點(diǎn)擊Main Menu>Solution>FLOTRAN Set Up>Execution Ctrl命令，彈出如圖 4- 46所示的Time Step Controls對話框，在STEP Select time control后的選擇列表框中選擇“User Defined”。點(diǎn)擊OK按鈕，彈出如圖 4- 47所示的Transient Controls對話框，在STEP User-Defined time step輸入框輸入0.01，在NUMB Number of time steps輸入欄中輸入250，在GLOB Global iter per time step 輸入欄中輸入5，在STEP，APPE Num