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1、第二章，基本流动模拟,Fluent用途,提供了很多数学模型用以模拟复杂几何结构下的输运现象（如传热与化学反应）。该软件能解决比较广泛的工程实际问题，包括处理设备内部过程中的层流非牛顿流体流动，透平机械和汽车发动机过程中的湍流传热过程，锅炉炉里的粉煤燃烧过程，还有可压射流、外流气体动力学和固体火箭中的可压反应流动等,Fluent用途（续）,为了能模拟工业设备和过程中的流动及相关的输运现象，FLUENT提供了许多解决工程实际问题的选择，其中包括多孔介质流动，（风扇和热交换器）的集总参量计算，流向周期流动与传热，有旋流动和动坐标系下流动问题。随精确时间滑移网格的动坐标方法可以模拟计算涡轮流动问题。F
2、LUENT还提供了离散相模型用以模拟喷雾过程或者稀疏颗粒流动问题。还有些两相流模型可供大家选用。,Fluent的基本方程（层流）,连续方程动量方程,能量方程,FLUENT可以计算流体和（或者）固体区域之间的传热问题。如果是周期性换热流动，则流动边界要给定周期边界条件。如果计算计算模型包括两个流动区域，中间被固体或者墙壁隔开的换热问题，则要特别注意：1，两个流体都不能用流出边界条件（outflow）；2，两个区域的流动介质可以不同，但要分别定义流体性质（如果计算组分，只能给一个混合组分）。流体1流体2,Fluent求解的能量方程,能量方程,理想气体,不可压缩气体,是组分,的质量分数，组分,的焓定
3、义为：,PDF模型的能量方程,假定刘易斯数为1，方程右边第一项为组分扩散和导热项的合并项；第二项为粘性耗散，为非守恒形式。总焓H定义为:,组分,的总焓定义为,虽然能量的标准形式里包括了压力做功和动能项，但在采用segregated solver求解不可压问题时候都可以忽略掉。当然，如果想不忽略它们的作用，可以在define/models/energy中设置。对于可压缩流动问题，在用coupled solvers求解时总是考虑压力做功和动能项。,粘性加热项选择,粘性耗散项是考虑流体中的粘性剪切作用产生的热量。如果用segregated solver求解，默认设置并没有考虑。如果Brinkman
4、数（ ， 是系统温度差）大于1时，粘性加热一定不能忽略。这时候一定要设置Viscous Heating选项。对于可压缩流动，一般Br1，如果还用segregated solver求解，一定要考虑粘性加热。如果是coupled solver求解，粘性加热会自动考虑。,组分扩散项,Fluent求解焓方程时，组分扩散项都已经包括。用segregated solver求解，如果想不考虑该项，可以在组分模型面板（Species Model Panel）中关闭能量扩散项。如果采用了非绝热的PDF燃烧模型，方程中并不明确出现该项，应为导热和组分扩散项合并为一项了。当用coupled solver求解时，能量
5、方程总会考虑该项。,化学反应源项,化学反应源项如下,其中，,是组分,的生成焓；,是组分,生成的体积率。对于非绝热PDF燃烧模型生成热定义在总焓中，所以化学反应热不包含在源项中,固体区域的能量方程,在固体区域，FLUENT采用的能量方程为如下形式,方程左边第二项表示由于固体旋转或者平移运动热传输。方程右边两相分别为固体导热和体积热源。,固体内部导热各向异性的影响,当用segregated solver求解时，FLUENT允许你指定材料的各向导热系数。固体导热各向异性方程形式如下： 其中，是导热系数矩阵。,进口热扩散,进口的净能量输运包括对流和扩散两部分。指定进口温度就可以确定对流部分，但扩散项取
6、决于计算出来的温度场梯度。因此我们不能给定扩散分量或者净能量输运。但在一些问题中，我们更希望能给定净能量输运，而不是给定进口温度。如果用segregated solver求解时，可以在dfine/models/energy中去掉进口能量扩散，从而达到给定净进口能量输运。但是我们用coupled solver时，不能去掉能量扩散部分。,计算传热过程中用户输入,如果用FLUENT计算有传热的问题时候，必须击活相关模型和提供热边界条件，并且给出材料物性。这一系列过程如下：击活能量面板。Define-Models-Energy (对于segregated solver)如果模拟粘性流动过程，而且要考虑
7、粘性加热，击活Viscous Heating；Define-Models-Viscous Heating 定义热边界条件（包括流体进口，出口和壁面）Define-Boundary Conditions。在流动进口和出口要给定温度，但壁面可以有如下边界条件选择：指定热流量指定温度对流换热外部辐射对流换热辐射换热 定义材料热物性。Define-Materials. 比热和导热系数都要给出，并且可以用温度函数的形式给出。,温度限制,为了计算的稳定性，FLUENT对计算出来的温度给了范围限制。给定温度限制，一方面是为了计算稳定的需要，同时，真实温度也有其相应的范围。由于给定材料物性不好，或者其它原因，
8、计算出的中间超过了物理应该达到的温度。FLUENT中，给定的最高温度5000K，最小温度1K，如果计算过程中的温度超过这个范围，那么就在这最高温度或最低温度值处锁定。如果你觉得这个限制不合理，你可以自己调节。Solve-control-limits,传热问题求解过程,对于一些简单的传热过程FLUENT的默认设置可以成功进行模拟，但如果要加快你的问题的收敛速度或者提高计算过程的稳定性，下面的一些过程就比较重要了,松弛因子确定：在求解温度和焓时候，FLUENT默认设置能量方程松弛因子为1。在一些问题里，能量场影响流动场（物性随温度变化，或者有浮力），这时候松弛因子要小些，比如在0.8到1之间。如果
9、流动场和温度场不是耦合的（没有随温度变化的热物性或者浮力影响），松弛因子就可以采用1。如果我们求解的是焓方程（非绝热PDF燃烧模型），温度需要设置松弛因子。焓的变化中不是所有的都用来计算温度的变化。这对于一些问题，你需要流动场焓变化快，而温度不能变化太快（影响流体热物性太快）的解决很有好处。组分扩散项：如果用segregated solver求解组分输运方程，如果考虑组分扩散，计算收敛会比较困难。为了提高收敛性，可以在define-models-species处取消对组分扩散的考虑。这时候组分扩散对能量的影响就被忽略了。如果我们选择coupled solver求解，那么组分扩散一定是存在的。耦
10、合和非耦合流动场与温度场计算：如果流动和传热不是耦合的（没有温度变化的热物性或者浮力影响），那么我们可以先求解绝热流动场，然后加进能量方程。这时候可以暂时先关闭动量或者能量方程中的一个，先求解另外的一个。Solve-controls-solution. 如果流动和温度场是耦合的，你可以先求解流动方程，收敛后再击活能量方程，一起求解。需要注意的是，Coupled solver 总是同时求解流动与能量方程。,第三节，浮力驱动的流动和自然对流,混合对流问题：自然对流问题：,如果 ，自然对流处于层流状态，在 为层流到湍流的过渡区域。,Boussinesq模型,对于许多的自然对流问题，采用Boussin
11、esq模型比定义密度是温度的函数有更好的收敛性。该模型在所有求解方程中，认为密度是常数。但是，在动量方程中的浮力项中，密度才随温度变化。 ，因而用 计算浮力项。这样的近似对密度变化很小的流动问题有较好计算结果。该模型对封闭区域里的自然对流问题适合，如果模拟温度变化很小的流动场也同样适用。但是，如果计算组分，燃烧或者有化学反应的问题时，该方法不适合。,浮力驱动流计算用户输入,求解能量方程(define-models-Energy)激活重力加速度项（define-operating conditions）决定流体（理想气体，不可压缩理想气体（operating pressure不能设零）密度设定（
12、给定密度与温度之间关系，Boussinesq假设中，给定参考密度和热膨胀系数）,浮力驱动流计算用户输入（续）,压力进口与出口边界条件下，应该输入等小压力 条件是进口和出口没有外部压力梯度压力离散方法确定，如果用四边形网格、六面体网格，并采用非耦合求解器求解，建议采用Presto方法。,自然对流问题举例,房间内换热器引起的自然对流问题,房间5米宽，3米高换热器高度1米,密度随温度变化： 1，多项式拟合密度随温度变化 2，理想气体 3，不可压缩理想气体。,空气,Y方向速度等值线,流函数等值线,自然对流问题举例,房间内内热源问题,房间1米宽，1米高直径10CM热源,当求解高Rayleigh 数（10
13、8）流动问题时，根据下列步骤将能得到最好结果,第一步是求稳态近似结果 选用First-order scheme，在小Rayleigh数下求得稳态解。（可以通过变化重力加速度的方法减少Ra数（比如从9.8降低到0.098，Ra数就降低了两个数量级） 用小Ra数的收敛解为初始值，求解高Ra数下的解。 得到收敛解后，可以换higher-order scheme 继续求解。第二步是求与时间相关的稳定解 用前面的稳态解为初始条件，在相同或略小Ra数下求解。 估计时间常数 。 其中，L和U是长度和速度尺度，采用的时间步长为：，如果时间步长比大，有可能不收敛。 求解过程中会有频率为振荡，衰减后就达到稳态解。
14、是上面的求出的时间常数，f是振荡频率（Hz）。通常需要超过5000步才能得到稳定解。,特别提示,需要进一步指出的是除非我们采用了Boussinesq近似，上面方法不能用于封闭区域的流动问题，只能用于有进口和出口的流动问题。采用Boussinesq假设，必须输入流体热膨胀系数,周期性流动与换热,如果我们计算的流动或者热场有周期性重复，或者几何边界条件周期性重复，就形成了周期性流动。FLUENT可以模拟两类周期性流动问题。 第一，无压降的周期性平板问题（循环边界） 第二，有压降的周期性边界导致的完全发展或周期性流向流动问题（周期性边界）。,流向周期性流动模拟的条件,1， 流动是不可压的2， 几何形
15、状必须是周期性平移3， 如果用coupled solver求解，则只能给定压力阶跃；如果是Segregated solver，可以给定质量流率或者压力阶跃。4， 周期性流动中不能考虑进口和出口有质量差，也不考虑过程中的额外源项或者稀疏相源项。5， 只能计算进口出口没有质量流率变化的组分问题。但不能考虑化学反应。不能计算稀疏相或者多相流动问题。,流向周期性流动模拟的条件（续）,如果在这过程中计算有换热问题，则还必须满足以下条件必须用segregated solver 求解热边界条件必须是给定热流率或者给定壁面温度。对于一个具体的问题，热边界条件只能选择一个，而不能是多热边界条件问题。对于给定温度
16、热边界条件，所有壁面的温度必须相同（不能有变化）。对于给定热流率边界条件，不同壁可以用不同值或曲线来模拟。对于有固体区域的问题，固体区域不能跨越周期性平板。热力学和输运特性（热容，热导系数，粘性系数，密度等）不能是温度的函数（所以不能模拟有化学反应流动问题）。但输运特性（有效导热系数，有效粘性系数）可以随空间有周期性变化，因此可以对有周期性湍流输运特性不同的流动问题有模拟能力。,流向周期性边界条件举例,通常，可以先计算周期性流动到收敛，这时候不考虑温度场。下一步，冻结速度场而计算温度场。步骤如下：1， 建立周期性边界条件网格2， 输入热力学和分子输运特性参数3， 指定周期性压力梯度或者确定通过
17、周期性边界的质量流量4， 计算周期性流动场。求解连续，动量（湍流量）方程。5， 指定热边界条件（等温或者给定热流密度）6， 给定进口体平均温度求解能量方程（其它方程不求解，只求解能量方程），得到周期性温度场。,计算流向周期性流动问题的步骤,固体壁面,对称面,4ft,1ft,0.01kg/s,1ft直径,Grid modify-zones/make-peroidic,流函数,周期性边界,非周期性边界,温度,周期性边界,非周期性边界,速度,周期性,非周期性边界,有旋与旋流流动问题,轴对称有旋或旋转流动；完全三维有旋或旋转流动；一个坐标系旋转的流动；多坐标系旋转流动；流动需要滑移网格。,轴对称有旋或
18、旋转流动,2. 三维有旋流动:如果几何形状发生变化或者周向有流动梯度，则需要用三维模拟。对于三维问题，和解二维问题类似，没有特别的输入或者求解步骤。但是，定义速度进口条件时候需要用柱坐标系，并且，需要在求解时渐渐增加旋转速度。3. 有旋转坐标系的流动: 如果有旋转边界（螺旋桨等）必须用旋转坐标系来求解该类问题。如果有多个旋转边界，还需要多个旋转坐标系来求解。,有旋流动模拟,许多流动明显具有旋流（龙卷风，旋转射流等），必须考虑选用FLUENT提供的比较高级的模型，如RNG k-模型、可实现k-模型或者雷诺应力模型。具体选择哪个模型，取决于流动的旋流强度（旋流数）。旋流数定义为轴向与周向动量比：,
19、有旋流动模拟,对于弱旋和中等旋度流动问题（S0.5），必须选用雷诺应力模型。只有雷诺应力模型才能模拟该流动中的强的各向异性影响。,有旋流动网格设置,坐标系限制：对于轴对称问题，旋转轴必须是x 轴，网格必须在y=0线以上。除了上面的注意事项，对于有旋和旋转问题，网格划分还必须保证问题求解有足够分别率。特别是旋转流动中，边界层很薄，FLUENT需要在靠近旋转边界的地方网格比较细。除此之外，对于有旋流动问题，周向速度梯度比较陡（近中心线区域为典型的自由涡流动），因此要保证有很好的求解效果，网格要求比较密。,轴对称有旋流动模拟设置,求解周向动量。Define-models-solver-Axisymm
20、etric swirl 给出进口或者壁面的旋转或者有旋速度分量，；define-boundary conditions (对于旋转轴，选用axis boundary边界条件)。,求解有旋或者旋转问题时的困难在于动量方程之间的耦合。如果是旋转很强的流动，会导致比较大的径向压力梯度，并驱动流体在轴向和径向的流动；动量之间的强耦合作用会导致求解过程中的不稳定性。如果要得到一个好的收敛解，需要有一定技巧。求解步骤为：1， （segregated solver only）如果用的是四边形和六面体网格，选用PRESTO模型（solution controls panel ）2, 为了求解大压力梯度和轴向速
21、度梯度，网格必须足够精细。3, （segregated solver only）改变松弛因子。径向和轴向速度为0.3-0.5，周向速度为0.8-1。,4， （segregated solver only）一步一步求解如果包含inflow/outflow 的问题，那么先求解无旋流动。即用Axisymmetric ,而不选用Axisymmetric swirl option。并且不设置任何有旋边界条件。计算的结果作为有旋流动的初始值。击活Axisymmetric Swirl option，设置有旋和旋转边界条件只求解周向速度动量方程。让旋转的边界条件扩散到整个流场。如果是求解的湍流场，这适合湍流方
22、程也应该同时求解。关闭（冻结）求解周向动量方程，再求解连续和其它动量方程。如果是求解的湍流场，湍流量方程也同时求解。松弛因子给定合适的值，同时求解所有方程。 除了上面描述的以为，如果求解的是有换热问题，可以先求解绝热流动场。如果求解的是湍流问题，也可以先计算层流，然后假如湍流模型继续计算。该方法对segregated or coulpled 求解都适合。,5，如果可能的话，先用小的旋转速度或者进口旋流速度进行计算。然后再增加到要计算的值。再进口旋转速度或者旋转边界条件上给小的旋转速度，例如给需要计算值的10。在上面给定的条件下求解（可以用上面一步一步的求解方法）存储上面的初步结果。更改初始和边
23、界条件，增加旋转速度（也许是第一次的2倍）。用上面的计算结果做初始值，开始新一轮计算。进一步增加旋流速度，重复上面过程45，直到需要计算的旋流速度值。,有旋流动举例（轴对称）,固体壁面,对称轴,入口2,入口1,出口,4米,D1米,D=0.5,D1=0.05,D2=0.15,W=25,W=21,有旋流动流函数等值线图 （w=20),W=15,w=10,w=0,8CM,D=80CM,d=8CM,U=1m/s,70rpm,1，左右壁面旋转2，右壁面旋转3，左右都不旋转4，没有流量进口，右旋？,都旋转,右侧旋转,都不旋转,Y35CM处速度分布,流函数,速度大小,都旋转,右侧旋转,都不旋转,右侧旋转，进
24、口速度设为压力进口,流函数,速度,Y37CM处速度分布,第五节，可压流动,总压与静压关系总温与静温关系,可压缩流动方程,FLUENT提供的标准连续和动量方程就可以描述可压速流动问题，除了下面会介绍的可压速流动处理以外，不需要其它特别的物理模型。需要指出的是，求解可压速问题，一定要求解能量方程。如果用segregated solver 求解，一定要考虑粘性耗散项（粘性加热）。,理想气体方程,设定运行压力,Define-operating conditions 求解能量方程（Segregated solver only ）如果模拟的是湍流流动问题，考虑粘性耗散。Define- models- vi
25、scous. (耦合求解，不需要，因为耦合求解自动考虑粘性耗散)材料面板设置。Define-materials 选择理想气体定义物性（比如，分子量，导热系数等）设定边界条件。Flow inlets (a )压力进口：进口总温，总压；对于超音速流动，静压 （b）质量进口：进口质量流率和总温（2） Flow exits 压力出口：出口静压（如果出口是超音速，可以忽略）需要特别指出的是，输入的边界条件中，无论是静压还是总压，都必须是表压（与前面给定的的差）。进口温度给定必须是总温（滞止温度），不是静温。,可压缩流动注意事项,求解可压速问题的困难在于流体速度，密度，压力和能量的高度耦合。这样的耦合会导
26、致求解过程中的不稳定性。因此要得到收敛解必须采取一定的手段。另外，超音速流动的激波也会导致求解的不稳定性。下面介绍较好求解步骤：1，（Segregated solver only ）速度的松弛因子调低（0.2-0.3）2，（Segregated solver only ）压力松弛因子用0.1，采用SIMPLE算法。（可压速流动不能采用SIMPLEC或者PISO）对压力温度设置合适的限制条件。Solution limits。特别注意的是给定的压力和温度初始值要合理，如果给定的限制条件得到的收敛结果不好，可以更改继续计算，直至取得满意结果。有时候可以考虑用无粘收敛结果做初始场有好的收敛效果。,压比
27、7,压比70,无粘流动,无粘流动是忽略了流体粘性作用，特别在大雷诺数流动中，惯性力起主导作用。在高速气体动力学里有比较多的应用。在这类流动中，压力作用在固体上的力比粘性力大很多，我们可以做无粘分析，快速得到作用在物体上的主要力的大小。然后，我们也可以假如粘性（包括湍流粘性）来评估对物体阻力或升力的影响。另外一方面，也许我们求解的问题力粘性力不能忽略，但我们也可以先做无粘分析，用无粘结果作为有粘计算的初始值，这一方法，特别对一些复杂的流动，往往有好的收敛效果。,无粘流方程描述,连续方程动量守恒方程能量守恒方程,求解无粘流动设置,设置无粘模型。Define-models-viscous 设置边界条
28、件和流体物性define-boundary condition /Materials 求解，检查结果由于无粘问题往往是伴随高速流动，需要给出小的动量方程松弛因子。,流函数图 M=0.8,M=1.8,M=0.8,M=0.8,非定常问题求解,涡旋脱落等其它周期性现象；压缩填充与抽空问题；瞬时热导问题；瞬时化学混合与反应等。,求解时间相关项对一些定常问题求解时的收敛稳定性有时候有帮助，比如，求解Ra数比（层流向湍流过渡区域）较大的自然对流问题。对于一些问题，计算时间相关方程，是可以得到定常解的。,时间项离散,一级精度 二阶精度,隐式,显式,格式选择,显式格式的时间步选择选择比较关键。显式格式都用来捕
29、捉移动波，该格式比较精确，而且节约计算时间。但是下列情况不能用显式格式：1，不能用于segregated or coupled implicit solver.而只能用于coupled explicit solver .2，不能用于不可压速流动。不可压速流动必须在每个时间步长里积分收敛。,求解非定常问题的步骤,击活求解非定常问题面板：define-models-solver。一阶精度的隐式格式对很多问题都适合。显式格式只能用于coupled explicit solver，用于捕捉移动波。定义相关的模型和边界条件。自定义函数边界条件可以是跟时间相关。如果用segregated solver,
30、则选用PISO来处理压力速度耦合。Solve-controls-solution 监视计算结果。Solve-monitors-Statistic设置初始条件。Solve-initialize-initizlize. 也可以读入稳态计算结果做初始值。File-read-data 存贮中间结果。File-write-autosave。指定文件名字和存贮频率。,求解非定常问题的步骤,设定时间相关项处理方法如果采用一阶或者二阶隐式，需要设置如下参数：每个时间步最多积分次数。时间步长。虽然隐式格式对时间步长没有太多限制，但是对于我们模拟的一些瞬态问题，还应该把这个时间步定义为流动最小时间常数小一个数量级
31、。最好的选择时间步的方法是看需要多少积分步才能收敛。理想的积分步是每个时间步长上为1020次。如果需要迭代的次数很多，证明时间步太大了，需要调小点。如果迭代一两次就收敛了，证明时间步长可以调大点。对于周期下性的流动问题，时间步可以根据周期来确定。比如，一个周期可以分成20个积分步长。如果选择显式非稳定形式，则：定义求解变量solve-controls-solution (必须没有多重网格，没有残差光滑，而且必须courant number of 1。选择积分次数，求解。,非定常热传导问题,热源1,热源1,温度400K,绝热壁面,绝热壁面,温度300K,稳定后温度等值线,注意点,源、汇大小与流场畸形点用速度进口模拟源、汇计算换热，尽可能给温度，而非热流密度,
