計算流體動力學

1、計算流體動力學（CFD）與FLUENT山東科技大學 機電學院胡效東報告提綱vCFD是什么vFLUENT程序簡介v前處理軟件GAMBIT的使用vFLUENT主體程序使用vFLUENT后處理v其它CFD是什么？1、CFD是什么v計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡寫為CFD）通過求解流場控制方程組，以及計算機數(shù)值計算和圖像顯示的方法，在時間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，從而達到對物理問題研究的目的。v應用CFD可以預測流體的行為，同時還可以得到傳質(zhì)（如分離和溶解），傳熱，相變（如凝固和沸騰），化學反應（如燃燒），機械運動（渦輪機），以及相關結(jié)構(gòu)的壓力和變形（

2、如風中桅桿的彎曲）等等的性質(zhì)。 CFD的基本思想vCFD的基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。v最理想的數(shù)值模擬結(jié)果應可以形象地再現(xiàn)流動情景，與做實驗沒有什么差別。數(shù)值模擬、實驗、理論分析的關系v 做理論的目的是為了盡可能了解事物本質(zhì)；v 做數(shù)值模擬則是在盡可能了解的基礎上近似，用求解的方法來反演事實，這肯定是不準確的，但如果方法正確，應該是近似準確的；v 數(shù)值模擬的結(jié)果應該采用實驗來進行驗證。單純實

3、驗測試單純理論分析計算流體動力學CFD的局限性v 數(shù)值解法是一種離散近似的計算方法，依賴于物理上合理、數(shù)學上適用、適合于在計算機上進行計算的離散的有限數(shù)學模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式的解析表達式，只能是有限個離散點上的數(shù)值解，并有一定的誤差；v 它不像物理模型實驗一開始就能給出流動現(xiàn)象并定性地描述，往往需要由原體觀測或物理模型試驗提供某些流動參數(shù)，并需要對建立的數(shù)學模型進行驗證；v 程序的編制及資料的收集、整理和正確利用，在很大程度上依賴于經(jīng)驗和技巧。CFD工作過程v輸運方程 質(zhì)量 動量 能量v封閉方程v底層物理模型求解器v物理模型 湍流 燃燒 輻射 多相流 相變 動網(wǎng)格技術v劃分網(wǎng)格v材

4、料特性v邊界條件v初始條件v求解設置前處理v物理模型v后處理在網(wǎng)格的基礎上求解方程CFD的基本步驟v 分析問題及前處理1. 確定數(shù)值模擬的目標2. 確定計算區(qū)域3. 建立數(shù)值模擬物理模型和網(wǎng)格v 求解執(zhí)行過程4. 建立數(shù)學模型5. 計算并監(jiān)控結(jié)果v 后處理6. 檢查結(jié)果7. 修正模型確定數(shù)值模擬的目標v 需要得到的結(jié)果以及結(jié)果的用途 建立物理模型時需要考慮的問題：在分析中需要建立什么形式的物理模型?采取什么樣的簡化措施？是否需要采用新的修正模型?FLUENT 6 中用User-defined functions (C語言編寫)實現(xiàn)v 需要什么樣的計算精度？v 對計算時間有無要求?確定計算區(qū)域G

5、asRiserCycloneL-valveGasv 怎么樣將研究對象進行孤立化處理?v 計算區(qū)域的初始和結(jié)束位置? 在計算區(qū)域的邊界上是否有存在的邊界信息? 邊界的形式能否容納這些信息? 是否可以根據(jù)實驗測量得到邊界的信息?v 計算區(qū)域可否簡化成二維或者軸對稱形式?建立數(shù)值模擬物理模型和網(wǎng)格v 能否采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格？ 幾何形狀以及流動的復雜程度?v 在各個控制區(qū)域內(nèi)需要什么樣的網(wǎng)格精度 對于這個幾何形體需要什么樣的網(wǎng)格精度? 大的網(wǎng)格梯度是否能預測流場? 是否需要采用網(wǎng)格自適應技術?v 計算機的內(nèi)存容量是否滿足要求? 需要多少的計算網(wǎng)格? 計算模型的數(shù)量?Hybrid mesh for an

6、IC engine valve porttet meshhex meshwedge mesh模型和網(wǎng)格欣賞建立數(shù)學模型v 對于一個給定的問題，需要解決的問題有： 選擇合適的物理模型湍流，燃燒，多相流等 確定材料的特性流體 固體混合物 給定操作工況 給定所有邊界條件 給定初始條件 給定數(shù)值計算的控制參數(shù) 設置監(jiān)視點計算并監(jiān)控結(jié)果v 迭代求解離散方程組. 通過迭代計算使結(jié)果收斂v 什么情況達到收斂： 求解變量在連續(xù)幾個迭代次數(shù)中不發(fā)生改變：從殘差方面可以大體監(jiān)視這一過程 滿足守恒定律v 收斂解的精度取決于： 物理模型的簡化程度和精度 網(wǎng)格的精度檢查結(jié)果v 檢查結(jié)果并提取出有效數(shù)據(jù). 可視化工具能得

7、到：整個流場的特性發(fā)生流場突變的位置流場的關鍵特征 數(shù)學報告工具能夠得到：力和動量界面交換系數(shù)表面和體上變量的積分值流量平衡關系修正模型v 物理模型是否合適 流動的湍流程度 流動是否為非穩(wěn)定流動 是否需要考慮壓縮性 是否需要考慮流體的渦結(jié)構(gòu)（3D）v 邊界條件是否合適 所選取的計算區(qū)域是否能滿足問題要求 邊界條件是否合適 邊界上變量值是否合理v 網(wǎng)格的精度是否滿足要求 能否通過網(wǎng)格的自適應技術提高計算精度 網(wǎng)格是否是獨立于計算之外 對近壁處的處理是否需要修正FLUENT中CFD過程的實現(xiàn)v 創(chuàng)建幾何模型和網(wǎng)格模型（在GAMBIT或其它前處理軟件中完成）；v 啟動FLUENT求解器。v 導入網(wǎng)格

8、模型；v 檢查網(wǎng)格模型是否存在問題；v 選擇求解器及運行環(huán)境；v 決定計算模型，即是否考慮熱交換，是否考慮粘性等；v 設置材料特性；v 設置邊界條件；v 調(diào)整用于控制求解的有關參數(shù)；v 初始化流場；v 開始求解；v 顯示求解結(jié)果；v 保存求解結(jié)果；v 如有必要，修改網(wǎng)格或計算模型，重復上述過程重新進行計算。FLUENT程序簡介FLUENT所能求解的問題v 采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格計算二維 和三位流動問題；計算過程中，網(wǎng)格可以自適應 v 可壓縮與不可壓縮流動問題v 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動問題v 無粘流，層流及湍流問題v 牛頓流體及非牛頓流體v 對流換熱問題（包括自然對流和混合對流）

9、v 導熱與對流換熱耦合問題v 輻射換熱v 化學組分混合與反應v 用Lagrangian 軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）v 兩相流問題 v 復雜表面形狀下的自由面流動FLUENT的本質(zhì)vFluent本質(zhì)是做CFD計算vfluent上所有的面板，最基本的功能就是實現(xiàn)兩個目的： 1).選擇問題的物理和數(shù)值方法（數(shù)值算法、粘性模型、輻射、多相等）； 2).邊界的處理（fluent給定的各種邊界，UDF）FLUENT基本程序結(jié)構(gòu)v GAMBIT，網(wǎng)格生成v 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v Gridgen前處理器v FLUENT解法器v prePDF，用于模擬PDF燃

10、燒過程FLUENTGAMBITTGridFLUENT 解法器解法器FLUENT程序軟件包應該包括以下幾個部分：GAMBIT設置幾何形狀設置幾何形狀生成生成2D或或3D網(wǎng)格網(wǎng)格 其它軟件包其它軟件包 如如CAD等等FLUENT網(wǎng)格輸入及調(diào)整網(wǎng)格輸入及調(diào)整物理模型物理模型邊界條件邊界條件流體物性確定流體物性確定計算計算結(jié)果后處理結(jié)果后處理TGrid2D三角網(wǎng)格三角網(wǎng)格3D四面體網(wǎng)格四面體網(wǎng)格2D和和3D混合網(wǎng)格混合網(wǎng)格prePDF PDF查表查表2D或或3D網(wǎng)格網(wǎng)格幾何形狀或幾何形狀或網(wǎng)格網(wǎng)格PDF程序程序網(wǎng)格網(wǎng)格邊界和（或）邊界和（或）體網(wǎng)格體網(wǎng)格邊界網(wǎng)格邊界網(wǎng)格FLUENT基本程序結(jié)構(gòu)FLUE

11、NT基本控制體形狀三維網(wǎng)格：trianglequadrilateral二維網(wǎng)格：tetrahedronhexahedronpyramidprism or wedgeFLUENT中的湍流模型 湍流流動模型很多，但大致可以歸納為以下三類：v 湍流輸運系數(shù)模型 模型的任務就是給出計算湍流粘性系數(shù)的方法。根據(jù)建立模型所需要的微分方程的數(shù)目，可以分為零方程模型（代數(shù)方程模型），單方程模型和雙方程模型。 v 第二類是拋棄了湍流輸運系數(shù)的概念，直接建立湍流應力和其它二階關聯(lián)量的輸運方程。v 大渦模擬 前兩類是以湍流的統(tǒng)計結(jié)構(gòu)為基礎，對所有渦旋進行統(tǒng)計平均。大渦模擬把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通過求解三

12、維經(jīng)過修正的Navier-Stokes方程，得到大渦旋的運動特性，而對小渦旋運動還采用簡化的亞格子模型（SGS）。 FLUENT中的湍流模型v 實際求解中，選用什么模型要根據(jù)具體問題的特點來決定。選擇的一般原則是流體是否可壓，精度要求，應用簡單，節(jié)省計算時間，同時也具有通用性。v FLUENT提供的湍流模型包括：v 單方程（Spalart-Allmaras）模型、v 雙方程模型（基于湍流動能和擴散率：標準-模型、重整化群-模型、帶漩流修正的Realizable -模型；基于湍流能量方程和擴散速率方程：標準k-模型，剪切壓力傳輸（SST） k-模型）v 雷諾應力模型v 大渦模擬（3D）湍流模型優(yōu)

13、缺點湍流模型優(yōu)缺點FLUENT中的求解方程v 對于所有流動，F(xiàn)LUENT都求解質(zhì)量和動量守恒方程。對于包含傳熱或可壓性流動，還需要增加能量守恒方程。 v 質(zhì)量守恒方程 miiSuxt)(動量守恒方程 iijijijijiFgcxpuuxut)()(能量方程 heffijjjjjieffiiiSuJhxTkxpEuxEt)()()(FLUENT中的求解方法 耦合求解，指同能量方程一起求解，主要是同NASA共同開發(fā)。而分離求解是動量方程、壓力方程和能量方程分開單獨求解，迭代求解。耦合求解精度高，而并行求解一般精度低。 非耦合求解 不可壓縮或壓縮性不強的流體流動 耦合隱式求解 高速可壓縮流動 FLU

14、ENT默認設置是非耦合求解，但對于高速可壓流動，有強的體積力（浮力或離心力）的流動，求解問題時網(wǎng)格要比較密，建議采用耦合隱式求解方法，可以耦合求解能量和動量方程，能比較快地得到收斂解。缺點是需要的內(nèi)存比較大（是非耦合求解迭代時間的1.5-2倍） 耦合顯式求解（收斂時間比較長 ），前身為NASA RANPANT程序。前處理軟件GAMBIT的使用網(wǎng)格選擇v網(wǎng)格選擇需要考慮因素 1 建模時間 2 計算花費，一般對于同一幾何體三角形/四面體網(wǎng)格元素比四邊形/六面體的數(shù)目要少。但是后者卻能允許較大的縱橫比，因此對于狹長形的幾何體選擇該種網(wǎng)格類型。 3 數(shù)字發(fā)散，引起發(fā)散的原因是由于系統(tǒng)的截斷誤差，如果實

15、際流場只有很小的發(fā)散，這時的發(fā)散就很重要。 Gambit的命令面板 工具欄幾何造型網(wǎng)格劃分定義邊界條件及屬性網(wǎng)格質(zhì)量評價標準v 網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達形式，也是模擬與分析的載體。網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計算精度和計算效率有重要影響。對于復雜的CFD問題，網(wǎng)格極易出錯，因此必須對網(wǎng)格生成方式給予足夠的關注。v 網(wǎng)格質(zhì)量本身與具體問題的具體幾何特性、流動特性及流場求解算法有關。因此，網(wǎng)格質(zhì)量最終要由計算結(jié)果來評判，但是誤差分析以及經(jīng)驗表明，CFD計算對計算網(wǎng)格有一些一般性的要求。網(wǎng)格質(zhì)量評價標準v 最基本的要求：所有網(wǎng)格點的Jacobian必須為正值，即網(wǎng)格體積必須為正。v 光滑性：相鄰網(wǎng)格元素體積的

16、變化過大，容易引起較大的截斷誤差，從而導致發(fā)散。 v 元素形狀：主要包括傾斜和縱橫比。一般縱橫比要小于5:1。v 流場：很傾斜的網(wǎng)格在流動的初始區(qū)域是可以的，但在梯度很大的地方就不行。v 節(jié)點密度和聚變：一般來說任何流管都不應該用少于5個的網(wǎng)格元素來描述。體網(wǎng)格劃分 v選定一個體，體的形狀和拓撲特征以及面上的點的類型最終決定了可采用的劃分類型和策略v第一：定義元素類型 Hex 六面體 Hex/Wedge 六面體和楔體 Tet/Hybrid 四面體體網(wǎng)格劃分v 第二：指定劃分策略 Map/Hex 產(chǎn)生規(guī)則的結(jié)構(gòu)化六邊形網(wǎng)格單元 Submap/hex 把一個不是mappable的體劃分為mappa

17、ble區(qū)域，在各個區(qū)域中產(chǎn)生規(guī)則的結(jié)構(gòu)化的六邊形網(wǎng)格單元 Tet Primitive /hex 把一個四面體分成四個六面體區(qū)域，在每個區(qū)域產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 Cooper /hex(hex/wedge) 對指定的源面上的節(jié)點模式進行掃掠，從而形成體網(wǎng)格 TGrid/(Tet/Hybrid) 主要采用四面體單元，但是在恰當?shù)牡胤揭灿昧骟w或者，錐體，楔體等單元 網(wǎng)格加密技術v1）在做網(wǎng)格時區(qū)域分塊進行局部加密。v2）利用FLUENT中的網(wǎng)格自適應技術加密。GAMBIT中邊界條件的定義 選擇求解器 針對求解器選擇不同的邊界條件定義器GAMBIT中邊界條件的定義 選擇邊界對應的幾何體默認值：線、面、體

18、選擇邊界的類型.鼠標直接選取. 對定義好的邊界可以再操作更改、刪除.FLUENT主體程序使用 FLUENT中的網(wǎng)格 v 網(wǎng)格檢查：在讀入網(wǎng)格檢查網(wǎng)格，看是否存在問題。v 負體積的存在說明存在連接不正確的地方，可以通過Iso-Value Adoption在圖形窗口中顯示出錯的區(qū)域。進行解算前必須將這些負體積區(qū)域去除。 v 報告網(wǎng)格的統(tǒng)計信息：1，網(wǎng)格尺寸：節(jié)點、面、單位、分區(qū)的數(shù)目，grid-info-size。（分區(qū)用于并行算法）如果對每個區(qū)域內(nèi)的信息有興趣，選擇grid-info-zone。如果你使用的是對偶型的顯式解算器，每一網(wǎng)格級別的網(wǎng)格信息將被顯示。2，內(nèi)存信息，你可以得到系統(tǒng)內(nèi)存信息

19、的的使用情況。Grid-info-memory usage 。 v 修改網(wǎng)格FLUENT中湍流模擬的設置 v 激活粘性模型面板上的湍流模型（Spalart-Allmaras, k-epsilon, k-，Reynolds Stress or Large Eddy Simulation ）,如果選擇k-epsilon模型，將需要繼續(xù)選擇采用標準模型、重整化群模型或可實現(xiàn)模型中的一種。v 如果流動問題中包含壁面，選擇或者雷諾應力模型，在粘性模型面板上選擇近壁處理方式。近壁處理方式包括：標準壁面函數(shù)；非平衡壁面函數(shù)和雙層區(qū)模型。FLUENT中的材料 v 包括：密度或者分子量，粘度，熱容，熱傳導率，質(zhì)

20、量擴散系數(shù)，標準焓，分子運動論參數(shù)。v 定義方式： 1）通過讀入Case文件來定義材料。 2）可以自己定義新的材料。 3）利用UDF來修改材料屬性。 FLUENT中監(jiān)視參數(shù)設置vMONITORv監(jiān)視殘差（同時可以修改收斂的判據(jù)）v監(jiān)視點、線、面上的變量值FLUENT中的邊界條件 v 為了獲得物理問題（各種微分方程）的唯一解，必須對計算域邊界設定各種參數(shù)值. 如各種通量（熱通量、質(zhì)量通量）、運動狀況等.v 邊界條件內(nèi)容: 定義邊界條件的位置信息 (如進口、固體壁面、對稱位置面) 確定邊界上的各種v 邊界條件的具體內(nèi)容和計算中采用的物理模型、邊界條件的類型密切相關.v 必須仔細確定邊界條件的參數(shù)

21、直接影響了求解過程和所得到的結(jié)果.FLUENT中的邊界條件設置原則v設定在流場的進、出口 有利于收斂v在垂直邊界上不應該存在很大的參數(shù)梯度 會導致不同的計算結(jié)果v減少邊界附近的網(wǎng)格扭曲度 導致早期計算誤差過大FLUENT中的基本邊界類型v 外部面 一般: Pressure inlet, Pressure outlet 不可壓: Velocity inlet, Outflow 可壓: Mass flow inlet, Pressure far-field 特殊: Inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fan 其它: Wall, Symmetry

22、, Periodic, Axisv 單元、區(qū)域 Fluid and Solidv 相交面 Fan, Interior, Porous Jump, Radiator, Walls多通道出口v可以利用 Pressure Outlet 和 Outflow boundaries. Pressure Outlets Outflow:出口流量定義如下:mi=FRWi/FRWi where 0 FRW 1. FRW 為 1 表示均勻分布pressure-inlet (p0,T0)pressure-outlet (ps)2velocity-inlet (v,T0)pressure-outlet (ps)1or

23、FRW2velocity inletFRW1其它的邊界條件vPressure Far Field 模擬 ideal gas law下的流動. 通常給定 free-stream Mach number 和靜態(tài)參數(shù) . Exhaust Fan/Outlet Vent 給定壓力損失系數(shù)（壓力降）以及環(huán)境參數(shù)vInlet Vent/Intake Fan 模擬風扇運動. 給定壓力損失系數(shù)（壓力降）以及環(huán)境參數(shù)Wall Boundariesv 速度：無滑移 切向速度和固壁面速度相等. 法向速度為零 可以定義壁面剪切力.v 熱邊界: 幾種不同的條件 包括定義壁面厚度.v 定義運動的壁面.區(qū)域定義: Fluidv Fluid zone = 求解的流體計算域.v 確定Fluid material.v 確定各種源項: 質(zhì)量、運動、能量等 定義為多空介質(zhì)v 定義旋轉(zhuǎn)等周期性運動.v 定義各種運動方式.區(qū)域定義