Fluent入門基礎(chǔ)培訓(xùn).ppt

Fluent 基礎(chǔ),主要內(nèi)容,發(fā)展歷史 基本功能 軟件結(jié)構(gòu)及常用文件類型 安裝方法（基于6.3版本） 基本概念,求解器的選擇 離散格式 初始化 邊界條件的設(shè)定 可用的參考資料,發(fā)展歷史,1975年 謝菲爾德大學(xué)（UK）開發(fā)了Tempest 1983年 美國的流體技術(shù)服務(wù)公司creature推出fluent 1988年 Fluent Inc.成立 1995年 收購最大對手FDI公司（ FIDAP ） 1997年 收購Polyflow公司（粘彈性和聚合物流動模擬） 2006年 被ANSYS收購 在被ANSYS收購后為6.3版本 2009年6月發(fā)布12.0版本 2010年底發(fā)布13.0版本 2011年底發(fā)布14.0版本,基本功能（1）,可壓縮與不可壓縮流動問題； 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動問題； 無粘流、層流及湍流問題； 牛頓流體及非牛頓流體； 對流換熱問題（包括自然對流和混合對流）； 導(dǎo)熱與對流換熱耦合問題； 輻射換熱； 慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動問題模擬；,基本功能（2）,多運動坐標(biāo)系下的流動問題； 化學(xué)組分混合與反應(yīng)； 可以處理熱量、質(zhì)量、動量和化學(xué)組分的源項； 用Lagrangian 軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）； 多孔介質(zhì)流動； 一維風(fēng)扇、熱交換器性能計算； 兩相流問題； 復(fù)雜表面形狀下的自由面流動。,軟件結(jié)構(gòu)及常用文件類型（1）,FLUENT包應(yīng)該包括以下幾個部分： 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計算?？梢越涌诘某绦虬ǎ篈NSYS, I-DEAS, NASTRAN, PATRAN等。,軟件結(jié)構(gòu)及常用文件類型（2）,基本程序結(jié)構(gòu)示意圖,軟件結(jié)構(gòu)及常用文件類型（3）,FLUENT軟件文件類型： .jou文件：日志文檔，可以編輯運行。 .dbs文件：Gambit工作文件，若想修改網(wǎng)格， 可以打開進行再編輯, 可以打開進行再編輯。 .msh文件：Gambit輸出的網(wǎng)格文件。 .cas文件：.msh文件經(jīng)過Fluent處理后得到的文件。 .dat文件： FLUENT計算數(shù)據(jù)結(jié)果的數(shù)據(jù)文件。,安裝方法,Fluent最初只支持UNIX操作系統(tǒng)，面向高端用戶。隨著Windows的普及，F(xiàn)luent也開始支持Windows系統(tǒng)。但其前處理軟件Gambit仍然需要在UNIX系統(tǒng)下運行。所以在安裝Gambit前，要安裝一個模擬UNIX系統(tǒng)的軟件Exceed。 基于Fluent6.3的軟件安裝及破解方法： 1. 安裝之前，時間調(diào)整到2005年； 2. 先裝exceed（安裝文件在X:Exceed.v9.0ExceedSET UP），再裝gambit，最后裝fluent； 3. 按照提示，復(fù)制相應(yīng)的許可證license到fluent和gambit的目錄里； 4. 設(shè)置初始環(huán)境； 5. 設(shè)置完初始環(huán)境之后，把時間調(diào)整過來，重啟電腦！,基本概念（1）,理想與實際流體：根據(jù)是否考慮流體的粘性，可將流體分為理想流體和實際流體。 可壓縮流體與不可壓縮流體：根據(jù)流體壓縮性的大小，可將流體分為可壓縮流體與不可壓縮流體。密度隨壓強變化大且不可視為常數(shù)的為可壓縮流體，反之，稱為不可壓縮流體。 正常情況下，液體和低速氣體（50m/s）可視為不可壓縮流體。 牛頓流體和非牛頓流體：根據(jù)流體是否滿足牛頓內(nèi)摩擦定律，可將流體分為牛頓流體和非牛頓流體。符合牛頓內(nèi)摩擦定律，也就是切應(yīng)力與速度梯度成正比的流體為牛頓流體。 水、酒精等大多數(shù)純液體、輕質(zhì)油、低分子化合物溶液以及低速流動的氣體等均為牛頓流體； 非牛頓流體：油漆、稀潤滑脂、高分子溶液、乳化液、淀粉糊、石灰漿、牛奶、牙膏、血液、泥漿等。,基本概念（2）,層流和湍流：層流是流體運動規(guī)則，各部分分層流動互不摻混，質(zhì)點的軌線是光滑的，而且流動穩(wěn)定。湍流的特征則完全相反，流體運動極不規(guī)則，各部分激烈摻混，質(zhì)點的軌線雜亂無章，而且流場極不穩(wěn)定。這兩種截然不同的運動形態(tài)在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。 可用雷諾數(shù)進行判定。雷諾數(shù)是流體慣性力與黏性力比值的量度，它是一個無量綱量。 雷諾數(shù)較小時，黏滯力對流場的影響大于慣性力，流場中流速的擾動會因黏滯力而衰減，流體流動穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數(shù)較大時，慣性力對流場的影響大于黏滯力，流體流動較不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強，形成紊亂、不規(guī)則的紊流流場。,基本概念（3）,定常流動和非定常流動：以時間為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)流體流動的物理量（如速度、壓力、溫度等）是否隨時間變化，將流動分為定常與非定常兩大類。當(dāng)流動的物理量不隨時間變化，為定常流動；反之稱為非定常流動。 許多流體機械在起動或關(guān)機時的流體流動一般是非定常流動，而正常運轉(zhuǎn)時可看作是定常流動。,基本概念（4）,亞音速流動與超音速流動：當(dāng)氣流速度很大，或者流場壓力變化很大時，流體就受到了壓縮性的影響。 馬赫數(shù)是流體速度與當(dāng)?shù)匾羲僦戎担羲僭诓煌叨取囟鹊葼顟B(tài)下又有不同數(shù)值，因此無法將 Ma的數(shù)值換算為固定的 km/hr 或 mph 等單位。 Ma1，超音速流動。,基本概念（5）,熱傳導(dǎo)及擴散：當(dāng)流體中存在溫度差時，溫度高的地方將向溫度低的地方傳送熱量，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。同樣地，當(dāng)流體混合物中存在組元的濃度差時，濃度高的地方將向濃度低的地方輸送該組元的物質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為擴散。 理想流體忽略了粘性，即忽略了分子運動的動量輸運性質(zhì)，因此在理想流體中也不應(yīng)考慮質(zhì)量和能量輸運性質(zhì)擴散和熱傳導(dǎo)，因為它們具有相同的微觀機制。,基本概念（6）,有旋流動和無旋流動：有旋流動是指流場中各處的旋度(流體微團的旋轉(zhuǎn)角速度)不等于零的流動，無旋流動是指流場中各處的旋度都為零的流動。 流體運動是有旋流動還是無旋流動，取決于流體微團是否有旋轉(zhuǎn)運動，與流體微團的運動軌跡無關(guān)。流體流動中，如果考慮粘性，由于存在摩擦力，這時流動為有旋流動：如果粘性可以忽略，而流體本身又是無旋流，這時流動為無旋流動。 例如，均勻氣流流過平板，在緊靠壁面的附面層內(nèi)，需要考慮粘性影響，因此，附面層內(nèi)為有旋流動，附面層外的流動，就性可以忽略，為無旋流動。,求解器選擇（1）,FLUENT求解器： (1)FLUENT 2d 二維單精度求解器； (2)FLUENT 3d 三維單精度求解器： (3)FLUENT 2ddp 二維雙精度求解器； (4)FLUENT 3ddp 三維雙精度求解器。,求解器選擇（2）,FLUENT中有兩種求解器 壓力基和密度基。 壓力基求解器以動量和壓力為基本變量 通過連續(xù)性方程導(dǎo)出壓力和速度的耦合算法 只采用隱式方式對控制方程進行線性化 壓力基求解器有兩種算法 分離求解器 壓力修正和動量方程順序求解。 耦合求解器(PBCS)壓力和動量方程同時求解,用哪種壓力梯度來計算控制方程中的導(dǎo)數(shù)項。,求解器選擇（3）,壓力基求解器通過連續(xù)性方程和動量方程導(dǎo)出壓力方程或壓力修正方程 壓力-速度耦合方程求解算法 Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) 默認算法，穩(wěn)健性好,SIMPLE-Consistent (SIMPLEC) 對簡單問題，收斂更快，如層流 Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO) 對非穩(wěn)態(tài)流動或者高扭曲度網(wǎng)格有用 Coupled 壓力基耦合求解器,求解器選擇（4）,密度基耦合求解器 以矢量方式求解連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和組分方程 通過狀態(tài)方程得到壓力 其他標(biāo)量方程按照分離方式求解,DBCS 可以顯式或隱式方式求解 隱式: 使用高斯賽德爾方法求解所有變量 顯式: 用多步龍格庫塔顯式時間積分法。,求解器選擇（5）,求解器選擇（6）,求解器選擇（7）,壓力基求解器應(yīng)用范圍覆蓋從低壓不可壓縮流到高速壓縮流 需要的內(nèi)存少 求解過程靈活 壓力基耦合求解器 (PBCS) 適用于大多數(shù)單相流，比分離求解器性能更好 不能用于多相流（歐拉）、周期質(zhì)量流和 NITA 比分離求解器多用1.52倍內(nèi)存 密度基耦合求解器 (DBCS)適用于密度、能量、動量、組分間強耦合的現(xiàn)象 例如: 伴有燃燒的高速可壓縮流動，超高音速流動、激波干擾 隱式方法一般優(yōu)于顯式，因為其對時間步有嚴格的限制 顯式方法一般用于流動時間尺度和聲學(xué)時間尺度相當(dāng)?shù)那闆r（如高馬赫激波的傳播）,離散格式（1）,在對指定問題進行CFD計算之前，首先要將計算區(qū)域離散化，即對空間上連續(xù)的計算區(qū)域進行劃分，把它劃分成許多個子區(qū)域，并確定每個區(qū)域中的節(jié)點，從而生成網(wǎng)格。然后將控制方程在網(wǎng)格上離散，即將偏微分方程格式的控制方程轉(zhuǎn)化為各個節(jié)點上的代數(shù)方程組，然后求解離散方程組，得到各個節(jié)點上的解。 節(jié)點之間的近似解，一般認為光滑變化，原則上可以應(yīng)用插值方法確定，從而得到整個計算域上的近似解。 這種插值方式被稱為離散格式（discrezitation scheme）,離散格式（2）,離散格式（3）,對流項的插值方法有: First-Order Upwind 易收斂，一階精度 Power Law 對低雷諾數(shù)流動 ( Recell 5 )比一階格式更精確 Second-Order Upwind 尤其適用流動和網(wǎng)格方向不一致的四面體/三角形網(wǎng)格，二階精度，收斂慢 Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL) 對非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，局部三階精度，對二次流、旋轉(zhuǎn)渦、力等預(yù)測的更精確 Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) 適用于四邊形/六面體以及混合網(wǎng)格，對旋轉(zhuǎn)流動有用，在均勻網(wǎng)格上能達到三階精度,離散格式（4）,離散格式（5）,為了得到擴散通量、速度導(dǎo)數(shù)，以及高階離散格式，都需要求解變量的梯度 單元中心的變量梯度由以下三種方法得到: Green-Gauss Cell-Based 可能會引起偽擴散 Green-Gauss Node-Based 更精確，更少偽擴散，建議對三角形/四面體網(wǎng)格采用 Least-Squares Cell-Based 建議對多面體網(wǎng)格采用，精度和屬性同Node-based 面上的梯度用多級泰勒級數(shù)展開求得,離散格式（6）,使用分離算法時，計算面上壓力的插值方法有: Standard 默認格式，對于近邊界的沿面法向存在大壓力梯度流動，精度下降（如果存在壓力突變，建議改用 PRESTO! ） PRESTO! 用于高度旋流，包括壓力梯度突變（多孔介質(zhì)，風(fēng)扇模型等）或者計算域存在大曲率的面 Linear 當(dāng)其他格式導(dǎo)致收斂問題或非物理解時使用 Second-Order 用于壓縮流，不適用多孔介質(zhì)、風(fēng)扇、壓力突變以及VOF/Mixture 多相流 Body Force Weighted 用于大體積力的情況，如高瑞利數(shù)自然對流或高旋流,離散格式（7）,初始化（1）,FLUENT 要求所有的求解變量有初始值 更真實的初值能提高收斂穩(wěn)定性，加速收斂過程. 有些情況需要一個好的初值 在特定區(qū)域?qū)μ囟ㄗ兞繂为氋x值 自由射流（噴射區(qū)高速） 燃燒問題 （高溫激活反應(yīng)） 單元標(biāo)注（自適應(yīng)）,FMG 初始化（2）,Full MultiGrid (FMG) 能用來創(chuàng)建更好的初場 FMG 初始化對包括大的壓力梯度和速度梯度的復(fù)雜流動有用 在粗級別網(wǎng)格上求解一階歐拉方程 可用于壓力基或密度基求解器，但限于穩(wěn)態(tài)問題 啟動 FMG 初始化 壓力基求解器: /solve/init/fmg-initialization 密度基求解器: 當(dāng)選擇密度基求解器后在 GUI里可見 FMG 在粗網(wǎng)格上用多重網(wǎng)格求解 通過 TUI 命令來設(shè)置 /solve/init/set-fmg-initialization,邊界條件的設(shè)定（1）,速度進口邊界條件（velocity-inlet）：給出進口速度及需要計算的所有標(biāo)量值。該邊界條件適用于不可壓縮流動問題。,邊界條件的設(shè)定（2）,壓力進口邊界條件（pressure-inlet）：壓力進口邊界條件通常用于給出流體進口的壓力和流動的其它標(biāo)量參數(shù)，對計算可壓和不可壓問題都適合。 壓力進口邊界條件通常用于不知道進口流率或流動速度時候的流動，這類流動在工程中常見，如浮力驅(qū)動的流動問題。壓力進口條件還可以用于處理外部或者非受限流動的自由邊界。 壓力邊界條件的設(shè)置如圖，其中第一項的表壓強與絕對壓強，參考壓強有如下關(guān)系：,Operating pressure 輸入：Defineoperating conditions,邊界條件的設(shè)定（3）,如果流動是亞聲速的，則會忽略Supersonic/Initial Gauge Pressure，它是由指定的駐點值來計算的。,這里給出的表壓強的大小，是入口邊界上的總壓。,邊界條件的設(shè)定（4）,質(zhì)量流量進口邊界條件(mass-flow-inlet)：給定入口邊界上的質(zhì)量流量。主要用于可壓縮流動問題，對于不可壓縮問題，由于密度是常數(shù)，可以使用速度入口條件。如果壓力邊界條件和質(zhì)量邊界條件都適合流動時，優(yōu)先選擇用壓力進口條件。 壓力出口邊界條件(pressure-outlet)：需要給定出口靜壓（表壓）。而且，該壓力只用于亞音速計算。如果局部變成超音速，則根據(jù)前面來流條件外推出口邊界條件。需要特別指出的是，這里的壓力是相對于前面給定的工作壓力。 如果有回流出現(xiàn)，給的表壓將視為總壓，所以不必給出回流壓力?；亓髁鲃臃较蚺c出口邊界垂直。,邊界條件的設(shè)定（5）,邊界條件的設(shè)定（6）,壓力遠場邊界條件(pressure-far-field): 如果知道來流