計(jì)算流體力學(xué)與FLUENT軟件簡(jiǎn)介

1、Fluent軟件介紹,主要內(nèi)容,Fluent 簡(jiǎn)要介紹,1,Fluent 發(fā)展歷程,2,Fluent 基本功能及特點(diǎn),3,4,5,Fluent 軟件結(jié)構(gòu),6,Fluent程序求解問題的步驟,7,Fluent 算例介紹（俞夢(mèng)瑋）,Fluent 簡(jiǎn)要介紹,CFD商業(yè)軟件FLUENT，是通用CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)，包含了廣泛的物理模型，能模擬工業(yè)應(yīng)用中的流動(dòng)、傳熱和反應(yīng)。,這些工業(yè)應(yīng)用涵蓋了從飛機(jī)機(jī)翼的空氣外流到鍋爐的燃燒，從塔內(nèi)氣泡流到鉆井平臺(tái)，從血液流動(dòng)到半導(dǎo)體制造，以及從潔凈室設(shè)計(jì)到污水處理廠。,一些特殊的模型如內(nèi)燃機(jī)燃燒、氣動(dòng)噪聲、旋轉(zhuǎn)機(jī)械和多相流系統(tǒng)也

2、進(jìn)一步擴(kuò)大了軟件的應(yīng)用范圍。,Fluent 發(fā)展歷程,Fluent 發(fā)展歷程,Fluent 基本功能及特點(diǎn),網(wǎng)格靈活性 ANSYS Fluent軟件的網(wǎng)格具有完全的靈活性，包括能相對(duì)容易地對(duì)復(fù)雜幾何生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來求解流動(dòng)問題。所支持的網(wǎng)格類型包括三角形、四邊形、四面體、六面體、棱柱體（楔形）和多面體。,湍流模型 ANSYS Fluent軟件一直重點(diǎn)關(guān)注開發(fā)領(lǐng)先的湍流模型，精確有效地捕捉湍流效應(yīng)。尤其關(guān)注的是經(jīng)廣泛測(cè)試的剪切應(yīng)力湍流模型（SST），因其對(duì)非平衡湍流邊界層流動(dòng)和傳熱的預(yù)測(cè)有明顯的優(yōu)勢(shì)。 Fluent也提供了創(chuàng)新的模型來求解層流到湍流的轉(zhuǎn)捩。此外，ANSYS Fluent提供了大量

3、的尺度解析湍流模型。,傳熱和輻射 在許多工業(yè)設(shè)備像渦輪葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和燃燒室，以及建筑和結(jié)構(gòu)中，優(yōu)化傳熱都非常關(guān)鍵。ANSYS Fluent軟件有最新的共軛傳熱（CHT）技術(shù)，把流體動(dòng)力學(xué)和固體材料的內(nèi)部導(dǎo)熱聯(lián)合起來計(jì)算。固體域可以直接劃分網(wǎng)格，或用殼模型做為薄壁模擬。ANSYS Fluent引入了豐富的模型來計(jì)算各類流體和固體間的輻射傳熱，包括全透明、半透明或不透明輻射。,多相流 許多CFD應(yīng)用所包含的流體是多相而不僅是一相。ANSYS Fluent是多相流模型技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。其各類功能讓工程師能洞察那些常常難以測(cè)量的設(shè)備內(nèi)部。對(duì)不同類型的多相流 ANSYS Fluent軟件提供不同的模型。

4、,反應(yīng)流 ANSYS Fluent都提供了豐富的架構(gòu)來模擬伴隨化學(xué)反應(yīng)和燃燒的流動(dòng)。ANSYS Fluent中的反應(yīng)流模型能處理大量的氣體、煤和液體燃料燃燒模擬。同時(shí)也包括預(yù)測(cè)SOx 生成、NOx 生成和分解的特殊模型。該技術(shù)的表面反應(yīng)功能可以預(yù)測(cè)氣體和表面組分的反應(yīng)，也能預(yù)測(cè)不同組分間的反應(yīng)，因此，能嚴(yán)格預(yù)測(cè)沉積和蝕刻。,聲學(xué) 對(duì)聲學(xué)來說，ANSYS Fluent能用幾種方法計(jì)算非穩(wěn)態(tài)壓力脈動(dòng)引起的噪聲。瞬態(tài)LES對(duì)表面壓力的預(yù)測(cè)能用內(nèi)嵌的傅立葉變換工具（FFT）轉(zhuǎn)化為頻譜。FfowcsWilliams 和 Hawkings聲類比能模擬各種的聲傳播，從暴露的鈍體到旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇葉片。寬頻噪聲模型能

5、基于穩(wěn)態(tài)仿真的結(jié)果預(yù)估聲源。,流固耦合 通過ANSYS Fluent和 ANSYS 結(jié)構(gòu)力學(xué)的耦合可以模擬固體運(yùn)動(dòng)對(duì)流動(dòng)的影響。ANSYS Fluent中流體域的網(wǎng)格變形算法既穩(wěn)健又靈活，能允許甚至很大的邊界位移。對(duì)更極端的邊界運(yùn)動(dòng)，單個(gè)網(wǎng)格拓?fù)洳蛔阋阅M整個(gè)變形，ANSYS Fluent提供模擬中按需自動(dòng)重新劃分網(wǎng)格的選項(xiàng)。,動(dòng)網(wǎng)格 ANSYS Fluent的動(dòng)網(wǎng)格能解決一些挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，包括內(nèi)燃機(jī)流動(dòng)、閥門、油箱分離。ANSYS Fluent也提供滑移網(wǎng)格和多重參考坐標(biāo)系模型，該模型在攪拌器、水泵和渦輪機(jī)械中已被驗(yàn)證。,FLUENT軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，支持界面不連續(xù)的網(wǎng)格、混合網(wǎng)格

6、、動(dòng)/變形網(wǎng)格以及滑動(dòng)網(wǎng)格等。值得強(qiáng)調(diào)的是，F(xiàn)LUENT軟件還擁有多種基于解的網(wǎng)格的自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)以及動(dòng)網(wǎng)格與網(wǎng)格動(dòng)態(tài)自適應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)；,材料屬性 流動(dòng)條件會(huì)影響材料的詳細(xì)行為，如壓力或溫度對(duì)CFD結(jié)果的精度有關(guān)鍵的影響。針對(duì)大范圍的液體、氣體和固體，ANSYS Fluent有豐富的材料屬性庫(kù)。假設(shè)仿真中涉及到某個(gè)專有材料，或其它材料庫(kù)中沒有的材料，用戶能用ANSYS Fluent環(huán)境的靈活性容易地定義任何新材料，或者定義材料屬性和壓力、溫度、剪切應(yīng)變速率等流場(chǎng)參數(shù)的關(guān)系式。,后處理和數(shù)據(jù)輸出 ANSYS Fluent的后處理工具能產(chǎn)生有意義的圖像、動(dòng)畫和報(bào)告，讓流體動(dòng)力學(xué)結(jié)果的表達(dá)

7、更容易。求解數(shù)據(jù)能輸出到ANSYS CFD-Post、第三方后處理軟件或CAE軟件中做進(jìn)一步的分析。,Fluent 軟件結(jié)構(gòu),FLUENT包應(yīng)該包括以下幾個(gè)部分： FLUENT解法器 prePDF，用于模擬PDF燃燒過程 GAMBIT，網(wǎng)格生成 TGrid，額外的處理器，用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。 Filters(Translators)，轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計(jì)算。可以接口的程序包括：ANSYS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN等。,Fluent程序求解問題的步驟：,問題描述 溫度為T0、壓強(qiáng)為P0的理想氣體以均速V0流過溫度為Tp、長(zhǎng)為L(zhǎng)的無限寬平板

8、，如下圖所示。試對(duì)平板繞流的流動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。,Fluent算例介紹,L=1m,空氣流過高溫平板示意圖,V0,Fluent算例介紹,第1步：在Gambit中創(chuàng)建模型、劃分網(wǎng)格并確定邊界類型,創(chuàng)建流動(dòng)區(qū)域的四個(gè)節(jié)點(diǎn)。,Fluent算例介紹,第2步：創(chuàng)建網(wǎng)格,對(duì)此矩形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將豎直方向劃分為100份，并沿y方向網(wǎng)格長(zhǎng)度等比例逐漸增長(zhǎng)；將水平方向等分為30份。,Fluent算例介紹,第3步：定義邊界類型,在Gambit中設(shè)置邊界條件。,inflow,top,plate,outflow,第4步：輸出網(wǎng)格并保存文件,Fluent算例介紹,第4步：在Fluent中對(duì)問題進(jìn)行設(shè)置,1.選擇

9、2D求解器 2.讀入網(wǎng)格 將網(wǎng)格文件plate.msh讀入。 3.檢查并顯示網(wǎng)格 點(diǎn)擊Grid-Check,Fluent算例介紹,4.設(shè)置求解器,1.在time項(xiàng)選擇Steady穩(wěn)態(tài)。 2.啟動(dòng)能量方程。 3.確定紊流模型 ReL5105，屬于紊流流動(dòng)。,Fluent算例介紹,雷諾數(shù)計(jì)算,問題描述 溫度為T0、壓強(qiáng)為P0的理想氣體以均速V0流過溫度為Tp、長(zhǎng)為L(zhǎng)的無限寬平板，如下圖所示。試對(duì)平板繞流的流動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。 假設(shè)流體是可壓縮的、設(shè)來流為空氣，參數(shù)如下： 來流流速 V0=20 m/s 動(dòng)力黏度 u=1.8910-5 Pas 導(dǎo)熱系數(shù)=0.0247 W/(mK) 定壓比熱 Cp

10、=1005 J/(kgK) 來流溫度 T0=300 K 來流壓強(qiáng) P0=101325 Pa,由理想氣體狀態(tài)方程，來流氣體的密度為 =P0/(RTO)=1.177kg/m3,來流的雷諾數(shù)為 ReL=V0L/(u/)=1.266106,Fluent算例介紹,4.紊流模型的確定,Model選擇k-e模型； k-e 模型中選擇理想化模型； 對(duì)于邊界層流來說，Realizable k-e模型比Standard k-e模型精度更高。 在Model Constants 項(xiàng)中的模型常數(shù)是被廣泛認(rèn)可的常數(shù)，不用改變，保留其他默認(rèn)設(shè)置。,Fluent算例介紹,要處理邊界層內(nèi)的流動(dòng)問題需考慮以下三種情況： 層流底層

11、 （y+ 30）。,運(yùn)用Fluent對(duì)該問題進(jìn)行求解后，可以求得對(duì)應(yīng)于不同位置網(wǎng)格的y+值。,Fluent算例介紹,當(dāng)網(wǎng)格的粗細(xì)度處于紊流區(qū)域（y+ 30），選擇Enhanced Wall Treatment 可用來提高邊界問題的計(jì)算精度； 當(dāng)網(wǎng)格的粗細(xì)度處于過渡區(qū)域（5 y+），F(xiàn)luent本身可用來求解層流底層內(nèi)的問題，所以選擇Enhanced Wall Treatment 對(duì)于提高計(jì)算精度方面作用不明顯。,Fluent算例介紹,5.定義邊界條件,入口邊界設(shè)置 在Zone項(xiàng)選擇inflow，速度大小20，流體溫度300。 但是在點(diǎn)擊ok的過程中出現(xiàn)了警告。,Fluent算例介紹,將inflow邊界類型改為pressure-inlet。 由可壓縮等熵流動(dòng)計(jì)算公式，總壓強(qiáng)的計(jì)算公式如下：,Fluent算例介紹,5.定義邊界條件,設(shè)置出流邊界 在Zone項(xiàng)選擇outflow，如圖所示。 Gauge Pressure 為0，表示絕對(duì)壓強(qiáng)為操作壓強(qiáng)。 出流邊界的表壓強(qiáng)=絕對(duì)壓強(qiáng)-操作壓強(qiáng),設(shè)置平板邊界條件 在Zone項(xiàng)選擇plate，如圖所示