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1、数值模拟在Fluent软件上的应用,范永林,实验研究,理论分析,数值模拟,研究流体运动规律的三种基本方法,连续性方程为：,三种基本方法的比较,数值模拟,连续性方程为：,连续性方程：,任何流体运动规律的基础：,动量方程：,能量方程：,一组非线性偏微分方程获得这些偏微分方程的精确解析解：很难,计算流体力学（CFD）看作是流动基本方程控制下对流动的数值模拟。通过计算机数值计算和图形显示，对包含有流体运动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。CFD的基本思想：把原来在时间、空间坐标中连续的物理量的场（如速度场、温度场、浓度场等），用有限个离散点上的值的集合来代替，按一定方式建立起关于这些值的代数方程
2、（称为离散方程）并求解之，以获得物理量场的近似值。,数值解法很好地利用了离散的概念。常用的离散化方法：有限差分法、有限元法和有限体积法。Fluent是基于有限体积法的，是目前CFD应用最广的一种 方法，将计算区域划分为网 格，并使每个网格点周围有 一个互不重复的控制体积，将待解的微分方程对每个控 制体积积分，从而得到一组 离散方程。,离散化方法,数值解法的基本思路与步骤,数值解法的思路与步骤,通俗理解,1.建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型，建立针对控制方程的数值离散化方法。,2.前处理，建立坐标，构建几何体，网格划分，确定边界条件的类型。构体和网格划分技巧,3.程序计算，选取模型，输入
3、初始条件，确定边界条件、设定控制参数。经验取值；与2有反复修正的过程,4.后处理，显示计算结果，以图表展示，判断分析结果的准确性和质量。,PHOENICS：世界上第一套计算流体动力学与传热学的商用软件。CFX：第一个通过ISO9001质量认证的商业CFD软件，英国AEA Technology公司开发，2003年被ANSYS收购。Fluent：继PHOENICS之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件，美国Fluent公司于1983年推出，2006年被ANSYS收购。目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一，用C语言编写。STAR-CD，FIDAP等软件。,常用的CFD软件,
4、前处理器：主要负责网格的生成。FLUENT划分网格的途径有两种：用FLUENT提供的专用网格软件GAMBIT进行网格划分由其他的CAD软件完成造型工作，再导入GAMBIT中生成网格，如Pro/E、SolidWorks、Solidedge等。求解器：流体计算的核心，所有计算在此完成。后处理器：Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。Origin、Tecplot等也是比较专业的后处理器，可以把一些数据可视化。,Fluent软件包,安装Exceed：Exceed是在Windows环境下模拟的UNIX软件，因为Gambit必须在UNIX环境下才可以运行。安装Gambit，拷贝Licence
5、到Gambit.Inc/license目录下。安装Fluent，拷贝Licence到Fluent.Inc/license目录下。如需要卸载，以相反的顺序卸载即可。,Fluent软件包的安装,.dbs文件：Gambit工作文件，若想修改网格，可以打开这个文件进行再编辑。.msh文件：Gambit输出的网格文件。.cas文件：.msh文件经过Fluent处理以后得到的文件。.dat文件：Fluent计算数据结果的数据文件。.jou文件：日志文档，可以编辑运行。,Fluent软件包的文件形式,利用Fluent软件进行求解的步骤：,（1）运行Gambit，确定几何形状，构造几何体，输出.dbs文件（2
6、）生成计算网格，输出.msh文件（3）运行Fluent软件，选择合适的解算器：2D（二维单精度）、3D（三维单精度）、2DDP（二维双精度）、3DDP（三维双精度）。（4）输入网格，即读入.msh文件（5）检查网格 网格检查是最容易出的问题是网格体积为负数。如果出现负体积，计算就不可以进行。,利用Fluent软件进行求解的步骤：,（6）选择解算器的格式 Fluent提供3种不同的解格式：分离解、隐式耦合解、显式耦合解。分离解是按顺序解连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程，耦合解是同时解。隐式和显式解法的区别在于线性耦合方程的方式不同。（7）选择需要解的基本方程 层流还是湍流（或者无粘流）
7、、化学组分还是化学反应、热传导模型等。（8）指定材料物理性质（9）指定边界条件,利用Fluent软件进行求解的步骤：,（10）调节解的控制参数（松弛因子、限值、一、二阶、迭代误差等）设定松弛因子：计算流体力学中要求解非线性方程，求解过程中控制变量的变化可以通过松弛因子来实现，来控制变量在每次迭代中的变化，从而控制收敛的速度并改善收敛的状况。等于1，相当于不用松弛因子；大于1，为超松弛因子，加快收敛速度；小于1，为欠从弛因子，改善收敛的条件。Fluent里面用的是欠松弛，在01之间，越小表示两次迭代值之间变化越小，也就越稳定，但收敛也就越慢。,利用Fluent软件进行求解的步骤：,（11）保存设
8、置，输出.cas文件（12）初始化流场 需要初始化流场提供一个初始解。可以从一个或者多个边界条件算出初始解，也可以分别输入流场的数值。初始化流场有时候对于后面计算的影响很大，需要依靠经验选择最佳的边界，设定合理的数值，进行初始化。（13）开始计算 输入迭代步数，报告步长等。计算过程中，有选择性地观察残差，调整相关系数，使得残差趋于平稳，并达到规定的残差值，保证收敛。收敛是一个很重要的问题，一般达到收敛，才可以认为计算结束。,利用Fluent软件进行求解的步骤：,（14)检查结果 速度、温度、浓度分布的等值线、矢量图(15)保存结果，输出.dat文件(16)根据需要进行后处理，利用Oigin、T
9、ecplot等软件完善温度分布图、速度分布场、烟气成分场等等。必要的话，可以细化网格，改变数值以及物理模型。,网格化分,GAMBIT 软件既可以采用结构化网格，也可以采用非结构化网格。对于不同问题，可以划分二维的三角形和四边形网格，三维的四面体网格、六面体网格、金字塔型网格、楔型网格，以及由上述网格类型构成的混合型网格。结构化网格生成速度快、质量好、结构简单，但只适用于形状规则的图形，因此使用的范围比较窄。对于结构复杂的几何结构，可以选用非结构化网格，降低了划分的难度，但是会减慢收敛速度、降低准确性。在Gambit中，只有map和submap生成的是结构化网格，其余均为非结构化网格。,网格化分
10、,GAMBIT提供了以下面网格划分Type选项。,网格化分,如上所述，每个Elements选项与上面列举的一个或者多个Type选项相关联。下表中显示了每个面网格划分Elements和Type选项之间的关系。（注意：由“X”标记得阴影单元代表允许选项的组合。）,Fluent模拟效果图,煤粉炉 低NOx燃烧器,算例,1.冷、热水混合器内部二维流动 一个冷、热水混合器的内部流动与热量交换的问题。温度为T=350K的热水自上部的热水小管嘴流入，与自下部右侧小管嘴流入的温度为290K的冷水在混合器内进行热量与动量的交换后，自下部左侧的小管嘴流出。混合器结构如图所示。,算例,冷、热水混合后的出流口,冷水入
11、口，T=290K,V=10m/s,热水入口，T=350K,V=10m/s,算例,冷、热水混合器内的三维流动与换热 冷水和热水分别自混合器的两侧沿水平切向方向流入，在容器内混合后经过下部渐缩通道流入等径的出流管，最后流入大气。这是一个三维流动问题，所研究的内容是混合器内的流场、压力分布和温度场。混合器结构如图所示：,算例,热水入口速度：1m/s温度：320K,冷水入口速度：1m/s温度：280K,出水口相对压强：0Pa,Fluent入门与进阶教程：新手入门Fluent流体计算应用教程：全面计算流体动力学分析CFD软件原理与应用：通俗易懂Fluent技术基础与应用实例：含实例Fluent中英文帮助流体力学专业论坛,推荐书籍,谢谢大家!,
