ANSYSFLOTRAN分析指南F5FLOTRAN層流和湍流分析算例

1、第五章 FLOTRAN層流和湍流分析算例 一、問(wèn)題描述 二、分析方法及假定 三、幾何尺寸及流體性質(zhì) 四、分析過(guò)程 第1步：進(jìn)入ANSYS 第2步：設(shè)置分析選擇 第3步：定義單元類(lèi)型 第4步：生成分析區(qū)域的幾何面 第5步：定義單元形狀 第6步：劃分有限元網(wǎng)格 第7步：生成并應(yīng)用新的工具欄按鈕 第8步：施加邊界條件 第9步：求解層流 第10步：觀察層流分析的結(jié)果 第11步：確定流體粘性如何影響流場(chǎng)特性 第12步：進(jìn)行湍流分析 第13步：對(duì)新的出口區(qū)劃分網(wǎng)格 第14步：施加湍流分析的載荷 第15步：改變FLOTRAN分析選項(xiàng)和流體性 第16步：進(jìn)行求解 第17步：將流體速度結(jié)果以向量圖和路徑圖的方式

2、進(jìn)行顯示 第18步：繪制壓力等值線圖 第19步：退出ANSYS問(wèn)題描述該算例是一個(gè)二維的導(dǎo)流管分析，先分析一個(gè)雷諾數(shù)為400的層流情況，然后改變流場(chǎng)參數(shù)再重新分析，最后再擴(kuò)大分析區(qū)域來(lái)計(jì)算其湍流情況。該算例所用單位制為國(guó)際單位制。分析區(qū)域圖示如下： 分析方法及假定 用FLUID141單元來(lái)作二維分析，本算例作了如下三個(gè)分析： 雷諾數(shù)為400的假想流的層流分析 降低流體粘性后（即增大雷諾數(shù)）的假想流的層流分析 雷諾數(shù)約為260000的空氣流的湍流分析分析時(shí)假定進(jìn)口速度均勻，并且垂直于進(jìn)口流場(chǎng)方向上的流體速度為零。在所有壁面上施加無(wú)滑移邊界條件（即所有速度分量都為零）；假定流體不可壓縮，并且其性質(zhì)

3、為恒值，在這種情況下，壓力就可只考慮相對(duì)值，因此在出口處施加的壓力邊界條件是相對(duì)壓力為零。第一次分析時(shí)，流場(chǎng)為層流，著可以通過(guò)雷諾數(shù)來(lái)判定，其公式如下： 第二次分析時(shí)，將流體粘性降低到原來(lái)的十分之一（雷諾數(shù)相應(yīng)增大）后再在第 一次分析的基礎(chǔ)上重啟動(dòng)分析對(duì)于內(nèi)流來(lái)說(shuō)，當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到2000至3000時(shí)，流場(chǎng)即由層流過(guò)渡到湍流，故第三次分析（空氣流，雷諾數(shù)約為260000）時(shí)，流場(chǎng)是湍流。對(duì)于湍流分析，上圖所示的導(dǎo)流管的后端應(yīng)加長(zhǎng)，以使流場(chǎng)能得到充分發(fā)展。此時(shí)，應(yīng)在該次求解之前改變ANSYS的工作名以防止程序在上一次分析結(jié)果的基礎(chǔ)上作重啟動(dòng)分析。幾何尺寸及流體性質(zhì)進(jìn)口段長(zhǎng)度4 m進(jìn)口段高度1 m過(guò)渡

4、段長(zhǎng)度2 m出口段高度2.5 m層流分析時(shí)出口段長(zhǎng)度6 m湍流分析時(shí)出口段長(zhǎng)度12 m假設(shè)流體密度1 Kg/m3假設(shè)流體粘性第一次分析0.01Kg/m-s；第二次分析0.001 Kg/m-s空氣密度1.205 Kg/m3空氣粘性1.8135*10-5 Kg/m-s進(jìn)口速度2.0 m/s出口壓力0 nt/m2分析過(guò)程如下：第1步：進(jìn)入ANSYS參見(jiàn)ANSYS Operation Guide第2步：設(shè)置分析選擇1進(jìn)入Main MenuPreference2點(diǎn)取FLOTRAN CFD項(xiàng)3點(diǎn)取OK第3步：定義單元類(lèi)型1進(jìn)入Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edi

5、t/Delete2點(diǎn)取Add3在彈出菜單的左框中點(diǎn)取FLOTRAN CFD，右框中點(diǎn)取2D FLOTRAN 1414點(diǎn)取OK5點(diǎn)取Close第4步：生成分析區(qū)域的幾何面該步定義三個(gè)面：分別表示進(jìn)口和出口的兩個(gè)矩形面，以及一個(gè)表示過(guò)渡段的面。1生成進(jìn)口段，進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-Areas-RectangleBy Dimensions2在彈出菜單中的相應(yīng)區(qū)域輸入以下值：X1處輸入0 X2處輸入2 Y1處輸入0 Y2處輸入13點(diǎn)取Apply4生成出口段，再在上面彈出菜單中輸入以下值：X1處輸入6 X2處輸入12Y1處輸入0 Y2處輸入2.55

6、點(diǎn)取OK6在工具欄（Toolbar）窗口中點(diǎn)取SAVE_DB7進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Modeling-CreateLinesTan to 2 Lines8點(diǎn)取左側(cè)矩形的上面一條線作為第一條切線，再在點(diǎn)取菜單中點(diǎn)取OK9點(diǎn)取該線的右端點(diǎn)作為第一切點(diǎn)，再在點(diǎn)取菜單中點(diǎn)取OK10點(diǎn)取右側(cè)矩形的上面一條線作為第二條切線，再在點(diǎn)取菜單中點(diǎn)取OK11點(diǎn)取該線的左端點(diǎn)作為第二切點(diǎn)，再在點(diǎn)取菜單中點(diǎn)取OK12在點(diǎn)取菜單中點(diǎn)取Cancel。所生成的結(jié)果線是一條界于兩個(gè)矩形之間的光滑曲線13進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Modeling-Create-Areas-Arb

7、itraryThrough KPs14分別點(diǎn)取界于兩個(gè)矩形之間的光滑曲線上的兩個(gè)端點(diǎn)，再點(diǎn)取左側(cè)矩形的右下角和右側(cè)矩形的左下角15 點(diǎn)取OK16在工具欄窗口中點(diǎn)取SAVE_DB第5步：定義單元形狀1進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Meshing-Mesher Opts2將Midside node placement域改為No Midside nodes，點(diǎn)取OK3在彈出菜單中點(diǎn)取QuadOnly4點(diǎn)取OK5進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuPlotLines6進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Meshing-Size Cntrls-Lines-Picked Lines7

8、點(diǎn)取進(jìn)口區(qū)（左側(cè)矩形面）的上下兩條直線8在點(diǎn)取菜單中點(diǎn)取Apply9在彈出菜單的No. of element divisions域中輸入1210在彈出菜單的Spacing ratio域中輸入-211點(diǎn)取Apply12點(diǎn)取過(guò)渡區(qū)（中間面）的上下兩條線，并點(diǎn)取Apply13在彈出菜單的No. of element divisions域中輸入914在彈出菜單的Spacing ratio域中輸入115點(diǎn)取Apply16 點(diǎn)取出口區(qū)（右側(cè)矩形面）的上面一條直線，并點(diǎn)取Apply17在彈出菜單的No. of element divisions域中輸入13并在Spacing ratio域中輸入0.418點(diǎn)取

9、Apply19點(diǎn)取出口區(qū)（右側(cè)矩形面）的下面一條直線，并點(diǎn)取Apply20在彈出菜單的Spacing ratio域中輸入2.521點(diǎn)取Apply22點(diǎn)取剩下的四條垂線，并點(diǎn)取OK23在彈出菜單的No. of element divisions域中輸入10并在Spacing ratio域中輸入-224點(diǎn)取OK25在工具欄窗口中點(diǎn)取SAVE_DB第6步：劃分有限元網(wǎng)格1進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Meshing-MeshAreasFree2在點(diǎn)取菜單中點(diǎn)取Pick All第7步：生成并應(yīng)用新的工具欄按鈕在做類(lèi)似于該例的分析時(shí)，定義一些諸如能“自動(dòng)選擇出與某條線相關(guān)的所有節(jié)點(diǎn)”、

10、“關(guān)閉座標(biāo)系符號(hào)的顯示”等的工具欄按鈕是非常有助于方便地建立模型的。這一步的目的就是建立兩個(gè)分別實(shí)現(xiàn)上述功能的工具欄按鈕1進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuMenu CtrlsEdit Toolbar2在彈出菜單中的*ABBR后輸入ns1,nsll,13點(diǎn)取Accept4在彈出菜單中的*ABBR后輸入tri,/triad,off5點(diǎn)取Accept，然后點(diǎn)取Close6在工具欄中點(diǎn)取剛生成好的TRI按鈕，之后進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuPlotReplot，此時(shí)，在圖形窗口中，原來(lái)的座標(biāo)系符號(hào)就會(huì)消失了。第8步：施加邊界條件在模型的進(jìn)口處加X(jué)方向速度為2、其它方向速度為零的進(jìn)口速度條件；在所有壁面處加

11、兩個(gè)方向速度都為零的速度條件，在出口處加零壓力邊界條件1進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuPlotNodes2進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuSelectEntities3在彈出菜單中選擇“Nodes”和“By Num/Pick”，并點(diǎn)取OK4在彈出的選擇菜單中選擇“Box”5按住鼠標(biāo)左鍵，在模型左側(cè)進(jìn)口邊的所有節(jié)點(diǎn)周?chē)鲆粋€(gè)方框6點(diǎn)取OK7進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Loads-Loads-Apply-Fluid/CFD-VelocityOn Nodes8點(diǎn)取Pick All9在彈出菜單的VX域輸入2，VY域輸入010點(diǎn)取OK11進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuPlotLines12

12、進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuSelectEntities13在彈出菜單中選擇“Lines”和“By Num/Pick”，之后點(diǎn)取OK14在圖形窗口中點(diǎn)取表示上下六個(gè)壁面的六條線，之后點(diǎn)取選擇菜單中的OK15在工具欄菜單中點(diǎn)取NSL按鈕，以選取上面六條線上的全部節(jié)點(diǎn)16進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuPlotNodes17進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Loads-Loads-Apply-Fluid/CFD-VelocityOn Nodes18點(diǎn)取Pick All19在彈出菜單的VX域和VY域都輸入020點(diǎn)取OK21進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuSelectEverything，然后再

13、進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuPlotNodes22進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Loads-Loads-Apply-Fluid/CFD-Pressure DOFOn Nodes23在彈出的選擇菜單中選擇“Box”，按住鼠標(biāo)左鍵，在模型右側(cè)出口邊的所有節(jié)點(diǎn)周?chē)鲆粋€(gè)方框24在彈出菜單中將壓力值設(shè)為零25點(diǎn)取OK26進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuSelectEverything27在工具欄中點(diǎn)取SAVE-DB第9步：求解層流該步首先建立流體性質(zhì)，然后設(shè)置執(zhí)行控制，并開(kāi)始求解1進(jìn)入Main MenuSolutionFLOTRAN SetUpFluid Properties2將彈出菜

14、單的“Density”域設(shè)為“Constant”，點(diǎn)取OK3將恒值密度設(shè)為1.0，恒值粘性設(shè)為0.014點(diǎn)取OK5進(jìn)入Main MenuSolutionFLOTRAN SetUpExecution Control6在彈出菜單的“Global iterations”域輸入207點(diǎn)取OK8進(jìn)入Main MenuSolutionRun FLOTRAN，開(kāi)始進(jìn)行求解第10步：觀察層流分析的結(jié)果1進(jìn)入Main MenuGeneral Postproc-Read Results-Last Set2進(jìn)入Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsVector PlotPredi

15、fined3在彈出菜單中選擇“DOF solution”和“Velocity V”4點(diǎn)取OK5進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuPlotCtrlsDevice Options6將向量模式(vector mode (wire frame)設(shè)為“ON”，之后點(diǎn)取OK7進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuPlotCtrlsStyleEdge Options8在彈出菜單的“Edge tolerance angle”域輸入19將“Element Outline for non-contour/contour plots”域設(shè)為“Edge Only/All”10將“Replot upon OK/Apply”域設(shè)為“Re

16、plot”11點(diǎn)取OK第11步：確定流體粘性如何影響流場(chǎng)特性諸如空氣和水等常見(jiàn)流體的粘性都低于上例中的假想流體粘性。將該粘性縮小10倍將響應(yīng)增大雷諾數(shù)。在本步中，返回FLOTRAN的輸入步，改變粘性值，重新求解。分析將從上面結(jié)束處重新開(kāi)始，并執(zhí)行附加的20次總體迭代。1進(jìn)入Main MenuSolutionFLOTRAN SetUpFluid Properties2點(diǎn)取OK3將粘性值改為0.0014點(diǎn)取OK5進(jìn)入Main MenuSolutionRun FLOTRAN，開(kāi)始進(jìn)行求解6可進(jìn)行與上面第10步類(lèi)似的結(jié)果觀察第12步：進(jìn)行湍流分析從低粘性分析的結(jié)果可以看出，回流區(qū)已延伸到出口邊界之后，

17、若希望流體在出口之前得到充分發(fā)展，則必須給其更多的空間，對(duì)于空氣則尤其更應(yīng)如此，因其粘性比上面的0.001還低。下面所進(jìn)行的本算例的第二部分，就是緊接著上面的層流分析來(lái)作一個(gè)空氣的湍流分析，此時(shí)要延長(zhǎng)問(wèn)題的求解區(qū)域并對(duì)延長(zhǎng)部分重新劃分網(wǎng)格、重新施加邊界條件、并激活湍流模型。在求解之前，還必須改變工作名（Jobname）。1刪除壓力邊界條件，進(jìn)入：Main MenuPreprocessor-Loads-Loads-DeleteFluid/CFDPressure DOFOn Nodes，并在彈出菜單中選擇“Pick All”2進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Modeling-Cre

18、ate-Areas-RectangleByDimensions3輸入下面的座標(biāo)值：X1處輸入12X2處輸入24Y1處輸入0Y2處輸入2.54點(diǎn)取OK5融合關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)入Main MenuPreprocessorNumbering CtrlsMerge Items6將彈出菜單的“Type of item to merge”域設(shè)為“All”，然后點(diǎn)取OK，忽略隨后彈出的警告信息7進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuPlotLines第13步：對(duì)新的出口區(qū)劃分網(wǎng)格1進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Meshing-Size Cntrls-Lines-Picked Lines2點(diǎn)取新的出口區(qū)的最右

19、側(cè)的一條垂線，并點(diǎn)取OK3在彈出菜單的No. of element divisions域中輸入104在彈出菜單的Spacing ratio域中輸入-25點(diǎn)取Apply6點(diǎn)取新出口區(qū)的上下兩條線7點(diǎn)取OK8在彈出菜單的No. of element divisions域中輸入20并在Spacing ratio域中輸入19點(diǎn)取OK，并在工具欄中點(diǎn)取SAVE-DB10進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Meshing-MeshAreasFree11點(diǎn)取新的出口區(qū)，并點(diǎn)取OK12進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuPlotNodes，圖形顯示節(jié)點(diǎn)第14步：施加湍流分析的載荷1進(jìn)入Main MenuP

20、reprocessor-Loads-Loads-Apply-Fluid/CFD-VelocityOn Nodes2在彈出的選擇菜單中選擇“Box”3按住鼠標(biāo)左鍵，在還未施加邊界條件的上壁面節(jié)點(diǎn)周?chē)鲆粋€(gè)矩形框，然后在還未施加邊界條件的下壁面節(jié)點(diǎn)周?chē)鲆粋€(gè)矩形框4點(diǎn)取OK5在彈出菜單的VX域和VY域都輸入06點(diǎn)取OK7進(jìn)入Main MenuPreprocessor-Loads-Loads-Apply-Fluid/CFD-Pressure DOFOn Nodes8在彈出的選擇菜單中選擇“Box”9在新的模型右側(cè)出口邊的所有節(jié)點(diǎn)周?chē)鲆粋€(gè)方框10點(diǎn)取OK11在彈出菜單中將壓力值設(shè)為零12點(diǎn)取O

21、K第15步：改變FLOTRAN分析選項(xiàng)和流體性質(zhì)1進(jìn)入Main MenuSolutionFLOTRAN SetUpSolution Options2將彈出菜單的“Laminar or turbulent”域設(shè)為“Turbulent”3點(diǎn)取OK4進(jìn)入Main MenuSolutionFLOTRAN SetUpExecution Control5在彈出菜單的“Global iterations”域輸入606 點(diǎn)取OK7進(jìn)入Main MenuSolutionFLOTRAN SetUpFluid Properties8將彈出菜單的“Density”域設(shè)為“AIR”9點(diǎn)取OK10確認(rèn)所用的流體性質(zhì)是AIR，并點(diǎn)取OK第16步：進(jìn)行求解1進(jìn)入U(xiǎn)tility MenuFileChang Jobname2在彈出的警告信息菜單中點(diǎn)取Close3在彈出的修改工作名的菜單中輸入“turb”作為新的工作名4點(diǎn)取OK5進(jìn)入Main MenuSolutionRun FLOTRAN，開(kāi)始進(jìn)行求解第17步：將流體速度結(jié)果以向量圖和路徑圖的方式進(jìn)行顯示1進(jìn)入Main MenuGeneral Postproc-Read Results-Last Set2進(jìn)入Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsVector PlotPredifined3在彈出菜單中選擇“DOF