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  1. Fluent 基础

  2. 主要内容 • 发展历史 • 基本功能 • 软件结构及常用文件类型 • 安装方法(基于6.3版本) • 基本概念 • 求解器的选择 • 离散格式 • 初始化 • 边界条件的设定 • 可用的参考资料

  3. 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 Fluent Inc.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年底发布14.0版本

  4. 基本功能(1) • 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;

  5. 基本功能(2) • 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。

  6. 软件结构及常用文件类型(1) • FLUENT包应该包括以下几个部分: • FLUENT解法器 • prePDF,用于模拟PDF燃烧过程 • GAMBIT,网格生成 • TGrid,额外的处理器,用于从现有的边界网格生成体网格。 • Filters(Translators),转换其它程序生成的网格,用于FLUENT计算。可以接口的程序包括:ANSYS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN等。

  7. 软件结构及常用文件类型(2) 几何形状或网格 GAMBIT 设置几何形状 生成2D或3D网格 其它软件包,如CAD,CAE等 prePDF PDF查表 2D或3D网格 边界网格 • 边界和(或)体网格 FLUENT 网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理 TGrid 2D三角网格 3D四面体网格 2D和3D混合网格 PDF程序 网格 基本程序结构示意图

  8. 软件结构及常用文件类型(3) • FLUENT软件文件类型: • .jou文件:日志文档,可以编辑运行。 • .dbs文件:Gambit工作文件,若想修改网格, 可以打开进行再编辑, 可以打开进行再编辑。 • .msh文件:Gambit输出的网格文件。 • .cas文件:.msh文件经过Fluent处理后得到的文件。 • .dat文件: FLUENT计算数据结果的数据文件。

  9. 安装方法 • Fluent最初只支持UNIX操作系统,面向高端用户。随着Windows的普及,Fluent也开始支持Windows系统。但其前处理软件Gambit仍然需要在UNIX系统下运行。所以在安装Gambit前,要安装一个模拟UNIX系统的软件Exceed。 • 基于Fluent6.3的软件安装及破解方法: 1. 安装之前,时间调整到2005年; 2. 先装exceed(安装文件在X:\Exceed.v9.0\Exceed\SET UP),再装gambit,最后装fluent; 3. 按照提示,复制相应的许可证license到fluent和gambit的目录里; 4. 设置初始环境; 5. 设置完初始环境之后,把时间调整过来,重启电脑!

  10. 基本概念(1) • 理想与实际流体:根据是否考虑流体的粘性,可将流体分为理想流体和实际流体。 • 可压缩流体与不可压缩流体:根据流体压缩性的大小,可将流体分为可压缩流体与不可压缩流体。密度随压强变化大且不可视为常数的为可压缩流体,反之,称为不可压缩流体。 正常情况下,液体和低速气体(<50m/s)可视为不可压缩流体。 • 牛顿流体和非牛顿流体:根据流体是否满足牛顿内摩擦定律,可将流体分为牛顿流体和非牛顿流体。符合牛顿内摩擦定律,也就是切应力与速度梯度成正比的流体为牛顿流体。 水、酒精等大多数纯液体、轻质油、低分子化合物溶液以及低速流动的气体等均为牛顿流体; 非牛顿流体:油漆、稀润滑脂、高分子溶液、乳化液、淀粉糊、石灰浆、牛奶、牙膏、血液、泥浆等。

  11. 基本概念(2) • 层流和湍流:层流是流体运动规则,各部分分层流动互不掺混,质点的轨线是光滑的,而且流动稳定。湍流的特征则完全相反,流体运动极不规则,各部分激烈掺混,质点的轨线杂乱无章,而且流场极不稳定。这两种截然不同的运动形态在一定条件下可以相互转化。 • 可用雷诺数进行判定。雷诺数是流体惯性力与黏性力比值的量度,它是一个无量纲量。 雷诺数较小时,黏滞力对流场的影响大于惯性力,流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性力对流场的影响大于黏滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的紊流流场。

  12. 基本概念(3) • 定常流动和非定常流动:以时间为标准,根据流体流动的物理量(如速度、压力、温度等)是否随时间变化,将流动分为定常与非定常两大类。当流动的物理量不随时间变化,为定常流动;反之称为非定常流动。 许多流体机械在起动或关机时的流体流动一般是非定常流动,而正常运转时可看作是定常流动。

  13. 基本概念(4) • 亚音速流动与超音速流动:当气流速度很大,或者流场压力变化很大时,流体就受到了压缩性的影响。 • 马赫数是流体速度与当地音速之比值,而音速在不同高度、温度等状态下又有不同数值,因此无法将 Ma的数值换算为固定的 km/hr 或 mph 等单位。 • Ma<1时,为亚音速流动; • Ma<<1时,流体的可压缩性及压力脉动对密度变化影响都可以忽略; • Ma≈1时候(跨音速),可压缩性影响就显得十分重要了; • Ma >1,超音速流动。

  14. 基本概念(5) • 热传导及扩散:当流体中存在温度差时,温度高的地方将向温度低的地方传送热量,这种现象称为热传导。同样地,当流体混合物中存在组元的浓度差时,浓度高的地方将向浓度低的地方输送该组元的物质,这种现象称为扩散。 理想流体忽略了粘性,即忽略了分子运动的动量输运性质,因此在理想流体中也不应考虑质量和能量输运性质——扩散和热传导,因为它们具有相同的微观机制。

  15. 基本概念(6) • 有旋流动和无旋流动:有旋流动是指流场中各处的旋度(流体微团的旋转角速度)不等于零的流动,无旋流动是指流场中各处的旋度都为零的流动。 • 流体运动是有旋流动还是无旋流动,取决于流体微团是否有旋转运动,与流体微团的运动轨迹无关。流体流动中,如果考虑粘性,由于存在摩擦力,这时流动为有旋流动:如果粘性可以忽略,而流体本身又是无旋流,这时流动为无旋流动。 例如,均匀气流流过平板,在紧靠壁面的附面层内,需要考虑粘性影响,因此,附面层内为有旋流动,附面层外的流动,就性可以忽略,为无旋流动。

  16. 求解器选择(1) • FLUENT求解器: (1)FLUENT 2d——二维单精度求解器; (2)FLUENT 3d——三维单精度求解器: (3)FLUENT 2ddp——二维双精度求解器; (4)FLUENT 3ddp——三维双精度求解器。

  17. 求解器选择(2) FLUENT中有两种求解器 – 压力基和密度基。 压力基求解器以动量和压力为基本变量 通过连续性方程导出压力和速度的耦合算法 只采用隐式方式对控制方程进行线性化 压力基求解器有两种算法 分离求解器 – 压力修正和动量方程顺序求解。 耦合求解器(PBCS)–压力和动量方程同时求解 用哪种压力梯度来计算控制方程中的导数项。

  18. 求解器选择(3) 压力基求解器通过连续性方程和动量方程导出压力方程或压力修正方程 压力-速度耦合方程求解算法 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) 默认算法,稳健性好 • SIMPLE-Consistent (SIMPLEC) • 对简单问题,收敛更快,如层流 • Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO) • 对非稳态流动或者高扭曲度网格有用 • Coupled • 压力基耦合求解器

  19. 求解器选择(4) 密度基耦合求解器 以矢量方式求解连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程 通过状态方程得到压力 其他标量方程按照分离方式求解 • DBCS 可以显式或隐式方式求解 • 隐式: 使用高斯赛德尔方法求解所有变量 • 显式: 用多步龙格库塔显式时间积分法。

  20. 求解器选择(5)

  21. 求解器选择(6)

  22. 求解器选择(7) 压力基求解器应用范围覆盖从低压不可压缩流到高速压缩流 需要的内存少 求解过程灵活 压力基耦合求解器(PBCS) 适用于大多数单相流,比分离求解器性能更好 不能用于多相流(欧拉)、周期质量流和 NITA 比分离求解器多用1.5–2倍内存 密度基耦合求解器 (DBCS)适用于密度、能量、动量、组分间强耦合的现象 例如: 伴有燃烧的高速可压缩流动,超高音速流动、激波干扰 隐式方法一般优于显式,因为其对时间步有严格的限制 显式方法一般用于流动时间尺度和声学时间尺度相当的情况(如高马赫激波的传播)

  23. 离散格式(1) • 在对指定问题进行CFD计算之前,首先要将计算区域离散化,即对空间上连续的计算区域进行划分,把它划分成许多个子区域,并确定每个区域中的节点,从而生成网格。然后将控制方程在网格上离散,即将偏微分方程格式的控制方程转化为各个节点上的代数方程组,然后求解离散方程组,得到各个节点上的解。 • 节点之间的近似解,一般认为光滑变化,原则上可以应用插值方法确定,从而得到整个计算域上的近似解。 • 这种插值方式被称为离散格式(discrezitation scheme)

  24. 离散格式(2)

  25. 离散格式(3) 对流项的插值方法有: First-Order Upwind – 易收敛,一阶精度 Power Law –对低雷诺数流动 (Recell < 5 )比一阶格式更精确 Second-Order Upwind – 尤其适用流动和网格方向不一致的四面体/三角形网格,二阶精度,收敛慢 Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL) – 对非结构网格,局部三阶精度,对二次流、旋转涡、力等预测的更精确 Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) – 适用于四边形/六面体以及混合网格,对旋转流动有用,在均匀网格上能达到三阶精度

  26. 离散格式(4)

  27. 离散格式(5) 为了得到扩散通量、速度导数,以及高阶离散格式,都需要求解变量的梯度 单元中心的变量梯度由以下三种方法得到: Green-Gauss Cell-Based – 可能会引起伪扩散 Green-Gauss Node-Based – 更精确,更少伪扩散,建议对三角形/四面体网格采用 Least-Squares Cell-Based – 建议对多面体网格采用,精度和属性同Node-based 面上的梯度用多级泰勒级数展开求得

  28. 离散格式(6) 使用分离算法时,计算面上压力的插值方法有: Standard – 默认格式,对于近边界的沿面法向存在大压力梯度流动,精度下降(如果存在压力突变,建议改用 PRESTO! ) PRESTO! – 用于高度旋流,包括压力梯度突变(多孔介质,风扇模型等)或者计算域存在大曲率的面 Linear – 当其他格式导致收敛问题或非物理解时使用 Second-Order – 用于压缩流,不适用多孔介质、风扇、压力突变以及VOF/Mixture 多相流 Body Force Weighted – 用于大体积力的情况,如高瑞利数自然对流或高旋流

  29. 离散格式(7)

  30. 初始化(1) FLUENT 要求所有的求解变量有初始值 更真实的初值能提高收敛稳定性,加速收敛过程. 有些情况需要一个好的初值 在特定区域对特定变量单独赋值 自由射流(喷射区高速) 燃烧问题 (高温激活反应) 单元标注(自适应)

  31. FMG 初始化(2) Full MultiGrid (FMG) 能用来创建更好的初场 FMG 初始化对包括大的压力梯度和速度梯度的复杂流动有用 在粗级别网格上求解一阶欧拉方程 可用于压力基或密度基求解器,但限于稳态问题 启动 FMG 初始化 压力基求解器: /solve/init/fmg-initialization 密度基求解器: 当选择密度基求解器后在 GUI里可见 FMG 在粗网格上用多重网格求解 通过 TUI 命令来设置/solve/init/set-fmg-initialization

  32. 边界条件的设定(1) • 速度进口边界条件(velocity-inlet):给出进口速度及需要计算的所有标量值。该边界条件适用于不可压缩流动问题。

  33. 边界条件的设定(2) • 压力进口边界条件(pressure-inlet):压力进口边界条件通常用于给出流体进口的压力和流动的其它标量参数,对计算可压和不可压问题都适合。 • 压力进口边界条件通常用于不知道进口流率或流动速度时候的流动,这类流动在工程中常见,如浮力驱动的流动问题。压力进口条件还可以用于处理外部或者非受限流动的自由边界。 • 压力边界条件的设置如图,其中第一项的表压强与绝对压强,参考压强有如下关系: Operating pressure 输入:Define—>operating conditions

  34. 边界条件的设定(3) 压力水平 表压 operating pressure 绝对压力 operating pressure 真空 这里给出的表压强的大小,是入口边界上的总压。 如果流动是亚声速的,则会忽略Supersonic/Initial Gauge Pressure,它是由指定的驻点值来计算的。

  35. 边界条件的设定(4) • 质量流量进口边界条件(mass-flow-inlet):给定入口边界上的质量流量。主要用于可压缩流动问题,对于不可压缩问题,由于密度是常数,可以使用速度入口条件。如果压力边界条件和质量边界条件都适合流动时,优先选择用压力进口条件。 • 压力出口边界条件(pressure-outlet):需要给定出口静压(表压)。而且,该压力只用于亚音速计算。如果局部变成超音速,则根据前面来流条件外推出口边界条件。需要特别指出的是,这里的压力是相对于前面给定的工作压力。 • 如果有回流出现,给的表压将视为总压,所以不必给出回流压力。回流流动方向与出口边界垂直。

  36. 边界条件的设定(5)

  37. 边界条件的设定(6) • 压力远场边界条件(pressure-far-field): 如果知道来流的静压和马赫数,Fluent提供了的压力远场边界条件来模拟该类问题。 • 该边界条件只适合用理想气体定律计算密度的问题,而不能用于其它问题。为了满足压力远场条件,需要把边界放到我们关心区域足够远的地方。 • 给定边界静压和温度及马赫数。可以是亚音速,跨音速或者超音速,并且需要给定流动方向,如果有需要还必须给定湍流量等参数。

  38. 边界条件的设定(7)

  39. 边界条件的设定(8) • 自由流出边界条件(outflow): 不知道流出口的压力或者速度,这时候可以选择流出边界条件。 • 如下列情况,不能用流出边界条件: • 包含压力进口条件 • 可压速流动问题 • 有密度变化的非稳定流动问题(即使是不可压速流动)

  40. 边界条件的设定(9) • 固壁边界条件(wall):对于粘性流动问题,Fluent默认设置是壁面无滑移条件。 • 壁面热边界条件包括固定热通量、固定温度、对流换热系数、外部辐射换热、外部辐射换热与对流换热等。

  41. 可用的参考资料 • 参考书: • 于勇:FLUENT入门与进阶教程 • 韩占忠:FLUENT:流体工程仿真计算实例与分析 • 李进良:精通FLUENT 6.3流场分析 • 王福军:计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用 • Fluent Help • 论坛: • http://www.cfluid.com/bbs/forumdisplay.php?fid=6 • http://forum.simwe.com/forum-56-1.html • http://www.baisi.net/forum-68-8.html

  42. 谢 谢!