fluent讲义各种计算模型介绍网格介绍

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1、 7/5/20041CFD-FVM FLUENT6.0 FLUENT6.0 的使用的使用能源与环境工程中心哈尔滨工业大学 7/5/20042CFD-FVM Fluent 简介u主流的CFD软件之一u主要用来计算复杂几何形状的流动和换热问题u其数学模型的组成主要是以纳维-斯托克斯方程与各种湍流模型为主体l再加上多相流模型、热辐射模型、化学组分的输运、燃烧与化学反应流模型等. l大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运方程与关系式. 7/5/20043CFD-FVM 7/5/20044CFD-FVM 求解器uFlowWizard，针对设计工程师使用u FIDAP，基于有限元方法u

2、 Polyflow，针对粘弹性流动的u MixSim，针对搅拌混合的专用u AirPak，强大的通风系统分析u IcePak，专业的电子热分析u Qfin，专门针对散热器优化u针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用的不同的数值解法，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到优化组合，u形成多种解算器，可根据实际应用选择恰当的求解器 7/5/20045CFD-FVM 7/5/20046CFD-FVM 产生FLUENT所需要的网格ugambituTgrid：在已知边界网格（由GAMBIT或者第三方CAD/CAE软件产生的）产生三角网格，四面体网格或者混合网格，u用其他软件（ANSYS）gam

3、bit单独的完整的CFD前处理器u建立几何体和导入几何体u生成网格u检查网格质量u设置边界类型和介质类型 7/5/20047CFD-FVM Boundary layersu在边界处u对2D问题，附着在edgesu对3D问题，附着在faces 7/5/20048CFD-FVM u线网格划分 7/5/20049CFD-FVM 面网格 7/5/200410CFD-FVM 面网格 7/5/200411CFD-FVM 体网格 7/5/200412CFD-FVM 体网格uHex/Wedge: CooperuTet/Hybrid: TGrid 7/5/200413CFD-FVM 顶点类型EEESSSCCCR

4、RuEnd (E)u0 Default Angle 120uzero internal grid linesuSide (S)u120 Default Angle 216uone internal grid lineuCorner (C)u216 Default Angle 309utwo internal grid linesuReverse (R)u309 Default Angle 360uthree internal grid lines 7/5/200414CFD-FVM Formula for map scheme: 4*End+N*SideFormula for submap s

5、cheme: 4*End+ L*Side + M*(E+C) + N* (2*E+R)ESSESEESMap: 4*End + 4*SideEEEECEECDefault 7/5/200415CFD-FVM How to Make a Volume Cooperable Manually change the vertex types on the side faces so they are mappable and/or submappableEESSSSEEEEECExample: manually change the vertex types 7/5/200416CFD-FVM 网格

6、划分u网格生成质量对计算精度与稳定性影响极大。u在几何形状复杂的区域上要生成好的网格相当困难uMeshing grid number grid qualityu超过90的精力要用在生成合适的网格上 7/5/200417CFD-FVM 策略uBoundary layersuPre-meshinguSizing functionsu为降低离散误差，减少单元数量，最好使用hex(六面体网格)u对形状复杂的几何体可分解成几个简单几何体再用六面体网格 7/5/200418CFD-FVM uGambit可读入其它CFD软件生成的图形u也可读入autocad proE等cad软件生成的图形uCAD中创建的图

7、形要输出为.sat文件，要满足一定的条件。l对于二维图形来说，它必须是一个region，也就是说要求是一个联通域。l对于三维图形而言，要求其是一个ASCI body 7/5/200419CFD-FVM u由于各软件设置的最小识别尺寸不同， 导入后的几何体可能会出现：l不完整、有缝隙的几何体l有一些CFD分析时不需要的一些细小的几何结构u清理过程主要采用gambit中的虚几何操作。unconnected real edges/facesconnected virtual edges/facesEdge SplitsExample: 7/5/200420CFD-FVM uGambit中有三类几何体

8、：lReal:lVirtual:根据一个或多个实体(real，称为宿主)来确定其几何描述lFaceted geometry(有小面的几何体):象virtual 一样处理u一些实几何操作对虚几何体不能正常使用 7/5/200421CFD-FVM 多相流动uMultiphase flow in fluentl同一物质，不同的相 (气、液、固)l不同的物质相同的相（水和油）u整个流体系统分为主相和多个次相l主相看成是连续介质l次相离散分布在 连续相中 7/5/200422CFD-FVM uMultiphase modelslDispersed phase model (DPM)：拉格朗日离散相模型n

9、粒子/液滴/气泡在定常和非定常流动中的粒子轨迹n动量、热和质量与流体之间的耦合n液滴的蒸发和沸腾，湿颗粒的干燥lMixture model: N种组分的混合模型n求解混合物的动量方程，通过确定相对速度来描述离散相lEulerian multiphase flow model:欧拉多相流模型n针对于N 种固体颗粒的气固流和液固流的粒子相模型n对各相求解动量和连续方程lVolume of fluid model (VOF): VOF 多相流模型 n气液流动或液液流动，不同组分之间互不相容n自由表面问题，包括表面张力和壁面接触角的影响(不混溶的流体之间有明显的分界面 7/5/200423CFD-FV

10、M RadiationuSurface to surface (S2S): 模拟封闭体内辐射传输，不考虑参与性介质的辐射uRosseland：扩散近似法，当光学厚度(衰减系数*几何光学长度)大于3时使用。uP1：考虑散射，适于光学厚的介质uDiscrete transfer (DTRM)：不考虑散射，精确，适于光学薄的介质uDiscrete ordinates (DOM)：考虑散射，精确，适于光学薄的介质 7/5/200424CFD-FVM 化学反应和燃烧uSpecies transport: 不考虑化学反应的组分传输，通过求解组分传输方程uNon-premixed combustion (无

11、预混的燃烧模型): 燃料和氧化剂分别从不同入口流入反应区uPremixed combustion (预混的燃烧模型): 反应物在进入反应区前进行混合uPartially premixed combustion (部分预混的燃烧模型) 7/5/200425CFD-FVM Solidification/melting modelu可以求解在某一温度或一定温度范围内有凝固或融化发生的流动过程u纯金属或二元合金的液/固凝固/融化过程u连续浇铸的铸造过程u凝固材料与壁面的接触热阻 7/5/200426CFD-FVM Pollutant formation(污染物的形成过程)u氧化氮（NO, NO2, N

12、2O）l只能采用segregated solverl可以与预混燃烧模型同时使用u燃烧系统中烟灰形成过程的模拟l只能采用segregated solverl可以与预混燃烧模型同时使用l可以考虑烟灰的辐射吸收作用l只能对湍流流动进行模拟 7/5/200427CFD-FVM 共同传热（Conjugate heat transfer）u流体自然对流，耦合固体导热u耦合边界条件：用在璧面边界，区分两种介质 7/5/200428CFD-FVM Moving zonesu计算流动问题：l旋转部件：叶轮机械l移动或转动的表面：火车会车 7/5/200429CFD-FVM Moving zonesu方法lSin

13、gle reference frame (SRF): 整个计算区域都在旋转坐标系内lMultiple reference frame (MRF): 选定的区域在旋转坐标系内lMixing plane (MPM): 在旋转和静止区域的交界面使用混合平面来考虑相邻区域的影响，如多级的叶轮机械lSliding mesh (SMM): 用网格移动算法来考虑特定区域的运动 7/5/200430CFD-FVM User defined functions (UDF)u链接在求解器上的用户自己编制的C语言程序uUDF的主要应用：l定义边界条件、源项、物性l壁面热流l初始化l在计算中加入用户定义的标量传输方程

14、，例如：在计算流场时可以计算磁场或电场 7/5/200431CFD-FVM uInvisciduLaminaruReynolds时均方程方法： l湍流粘性系数法lReynolds应力方程法uLarge Eddy Simulation （only 3D） 7/5/200432CFD-FVM uSpalart-Allmaras：一方程模型l不适于自由剪切流动、分离流动，多用于外流，如航空航天问题。准2D问题，如翼型绕流uStandard -:l应用最为广泛的湍流模型，高Re数模型，不适于分离流动，uRNG (renormalization group重正规化群) -：l考虑了旋流、低雷诺数的作用，

15、l适于自由剪切流动。主要应用于旋转机械，主要用于旋转坐标系下的流动问题uRealizable - :l主要用于射流、大分离、回流等问题uStandard - :l适于剪切流动，低、高Re数均可uSST (shear-stress transport ) -：l对近壁和远场都适用，对剪切流动的处理不如Standard - uReynolds Stress: l可以计算各向异性旋涡 ，难于收敛，适于计算弯曲流道、强的旋涡或旋转 7/5/200433CFD-FVM 近壁处理及第一个网格的位置u-和RSM适用于离开壁面一定距离的湍流区域u两种方法：l壁面函数法nStandard wall functi

16、onsnNon-equilibrium wall functions 大的压力梯度和非平衡流动nEnhanced wall functionsl近壁模型法nS-A和 - 模型yyw/30030y1y 7/5/200434CFD-FVM Operating pressure:l不可压理想流体： = Poperating/RTl低马赫数可压流体：舍入误差高马赫数，习惯上使用绝对压力，Pop=0 7/5/200435CFD-FVM Flow inlet and exit boundaries:uGeneral: Pressure inlet 给定流动入口的总压和其他标量Pressure outlet

17、 给定出口处的静压uIncompressible: Velocity inlet 给定入口处的流速和其他标量Outflow 对于出口处流速和压力不知道的情况 不能与pressure outlet一起用uCompressible flows: Mass flow inlet 规定入口的质量流量Pressure far-field 无穷远处的自由流条件uSpecial: Inlet vent, outlet vent, 指定损失系数intake fan, exhaust fan，指定压力跳跃 7/5/200436CFD-FVM uwall, symmetry, periodic, axis uIn

18、ternal cell zones: fluid, solid (porous is a type of fluid zone) uInternal face boundaries: 引入流动参数阶梯变化fan, radiator, porous jump, wall, interior 7/5/200437CFD-FVM Segregated Solver Coupled Solver 7/5/200438CFD-FVM FLUENT offers a number of interpolation schemes:uFirst-Order Upwind Schemel easiest to

19、 converge, only first order accurate.uPower Law Schemelmore accurate than first-order for flows when Recell 5 (typ. low Re flows).uSecond-Order Upwind Schemeluses larger stencil for 2nd order accuracy, essential with tri/tet mesh or when flow is not aligned with grid; slower convergenceuQuadratic Up

20、wind Interpolation (QUICK)lapplies to quad/hex and hyrbid meshes (not applied to tris), useful for rotating/swirling flows, 3rd order accurate on uniform mesh. 7/5/200439CFD-FVM Pressure-Velocity CouplinguSIMPLEldefault scheme, robustuSIMPLEClAllows faster convergence for simple problems (e.g., lami

21、nar flows with no physical models employed).uPISOluseful for unsteady flow problems or for meshes containing cells with higher than average skew. 7/5/200440CFD-FVM FLUENT interpolation schemes for Face Pressure:uStandardldefault scheme; reduced accuracy for flows exhibiting large surface-normal pres

22、sure gradients near boundaries.uLinearluse when other options result in convergence difficulties or unphysical behavior.uSecond-Orderluse for compressible flows; not to be used with porous media, jump, fans, etc. or VOF/Mixture multiphase models.uBody Force Weightedluse when body forces are large, e

23、.g., high Ra natural convection or highly swirling flows.uPRESTO!luse on highly swirling flows, flows involving porous media, or strongly curved domains. 7/5/200441CFD-FVM u得到可靠的CFD数据(对fluent而言)l正确选择物理模型和边界条件l高质量的网格n一般纵高比不超过5：1（除边界层网格外）n相邻网格的grading最好不要超过1.2 7/5/200442CFD-FVM u提高精度：l采用2阶离散格式l确定解是不依赖于网格的 采用自适应网格来改进网格Original meshMesh after pressure gradient adaption 7/5/200443CFD-FVM u任何CFD计算结果都要进行检验l应用计算流体力学理论l应用实验数据l其他CFD数据u高质量的CFD模拟结果是建立在对流体机理的正确理解 7/5/200444CFD-FVM 参考1.流体中文网：http:/ 帮助文件