2004-06 FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用 韓占忠 王敬 蘭小平 北京理工大學(xué)出版社

1、前言回到頂部T空氣、水、油等易于流動的物質(zhì)被統(tǒng)稱為流體。在力的作用下，流體的流動可引起能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和物質(zhì)的傳送，利用流體進行力傳遞、進行功和能轉(zhuǎn)換的機械就稱為流體機械。比如，泵是一種將電能轉(zhuǎn)換為流體動能并輸送液體的機械；風(fēng)機是一種將機械能或電能轉(zhuǎn)換為風(fēng)能的機械；水力發(fā)電機就是一種將水的勢能和動能轉(zhuǎn)換為電能的一種機械。此類例子舉不勝舉，因此，流體機械與我們的生活和工作密切相關(guān)。流體力學(xué)就是一門研究流體流動規(guī)律以及流體與固體相互作用的一門學(xué)科，研究的范圍涉及到風(fēng)扇的設(shè)計，發(fā)動機內(nèi)氣體的流動以及車輛外形的減阻設(shè)計，水利機械的工作原理，輸油管道的鋪設(shè)，供水系統(tǒng)的設(shè)計，乃至航海、航空和航天等領(lǐng)域內(nèi)動

2、力系統(tǒng)和外形設(shè)計等等。自從1687年牛頓定律公布以來，直到本世紀50年代初，研究流體運動規(guī)律的主要方法有兩種：一是實驗研究，以實驗為研究手段；另一種是理論分析方法，利用簡單流動模型假設(shè)，給出某些問題的解析解。前者耗費巨大，而后者對于較復(fù)雜的非線性流動現(xiàn)象目前還有些無能為力。20世紀70年代以來，飛速發(fā)展起來的計算流體力學(xué)為實驗研究和理論研究都起到了促進作用，也為簡化流動模型提供了更多的依據(jù)，使很多分析方法得到發(fā)展和完善。實驗研究、理論分析方法和數(shù)值模擬已成為當前研究流體運動規(guī)律的三種基本方法。任何流體運動的規(guī)律都是以質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律為基礎(chǔ)的。這些基本定律可由數(shù)學(xué)方程組來

3、描述，如歐拉方程、NS方程。采用數(shù)值計算方法，通過計算機求解這些控制流體流動的數(shù)學(xué)方程，進而研究流體的運動規(guī)律，這樣的學(xué)科就是計算流體力學(xué)。盡管流動規(guī)律仍然滿足質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，但流體力學(xué)不同于固體力學(xué)，一個根本原因就在于流體的流動過程中發(fā)生了巨大的形變，使問題求解變得異常復(fù)雜。其控制方程屬于非線性的偏微分方程，除幾個簡單問題之外，一般來說很難求得解析解。為此，對具體問題進行數(shù)值求解就成為研究流體流動的一個重要的研究方向和方法，其基礎(chǔ)就是計算流體力學(xué)。對于大多數(shù)人來說，不必要掌握流體力學(xué)微分方程的求解以及進行計算流體力學(xué)的深人研究，但在工作中又需要對某些具體的流動過程進

4、行分析、計算和研究，由此，計算準確、界面友好、使用簡單，又能解決問題的大型商業(yè)計算機軟件應(yīng)運而生。目前，比較著名的有FLUENT,CFX,STARCD等，本書將向讀者介紹FLUENT軟件。本書是以基礎(chǔ)知識、二維流動和三維流動的順序編寫而成的。其中第一章是流體力學(xué)的基礎(chǔ)知識和FLUENT軟件簡介，可作為后續(xù)內(nèi)容的簡單鋪墊。讀者可在后面的學(xué)習(xí)中不斷翻閱這一章，以期對所進行模擬的問題和結(jié)果有一個理論的說明。第二章是二維流動數(shù)值模擬部分，建模和計算都比較簡單，是本書的基礎(chǔ)。第三章是三維流動問題，建模和計算以及后處理都比較復(fù)雜。由于篇幅的限制，本書不可能面面俱到并進行詳細講解，但相信讀者通過本書的學(xué)習(xí)，

5、一定能領(lǐng)會其中的技巧。本書是利用FLUENT軟件進行流體流動與傳熱計算的一本人門書籍，是以“跟我學(xué)”的形式編寫的。在編寫中，所使用FLUENT的版本是6.0，GAMBIT的版本是2.0。書中給出了11個具體的例子，讀者只要按照書中的步驟一步一步進行，即可完成一個具體問題的數(shù)值模擬與分析。通過本書中若干個例子的學(xué)習(xí)，讀者可逐步掌握利用FLUENT進行流體流動數(shù)值模擬的基本方法，進人流體流動與傳熱數(shù)值模擬這一廣闊的領(lǐng)域，盡情地對所感興趣的問題進行數(shù)值模擬和研究，在各自研究的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮各自的特點，不再受到流體流動問題的困擾。本書第一章、第二章的第1，2，3，4，5節(jié)以及第三章的第1節(jié)由韓占忠編寫；第

6、三章的第2節(jié)由蘭小平編寫；第二章的第6節(jié)和第三章的第3，4，5節(jié)由王敬編寫；全書由韓占忠總纂。在本書的編寫過程中，得到了北京理工大學(xué)機械與車輛工程學(xué)院王國玉教授的熱心指導(dǎo)以及碩士研究生陶磊、張震等同學(xué)的大力協(xié)助，還得到了中國北方車輛研究所工程分析與可靠性中心的魏來生主任、汪建兵工程師和郭劉洋工程師的大力幫助，在此一并致謝。本書既是廣大工程技術(shù)人員利用FLUENT軟件進行流體流動數(shù)值模擬計算的一本入門書，又可作為大專院校相關(guān)專業(yè)本科和碩士研究生的流體力學(xué)以及傳熱學(xué)的教學(xué)參考書。鑒于編者水平有限，書中難免有不當之處，還請廣大讀者給予指正，不勝感謝。編者2004年3月內(nèi)容簡介回到頂部T書籍計算機書籍

7、本書是利用界面友好、使用簡單的大型商業(yè)計算機應(yīng)用軟件FLUENT進行流體流動與傳熱計算的一本入門書籍。全書以“跟我學(xué)”的形式編寫而成。書中給出了11個實例，讀者只要按照書中的步驟一步一步進行，即可完成一個具體問題的數(shù)值模擬與分析，進而逐步掌握利FLUENT進行流體流動數(shù)值模擬的基本方法。書中使用FLUENT6.0版本，GAMBIT20版本。本書配有1張光盤，可對書中所舉實例進行動畫演示。目錄回到頂部t第一章流體力學(xué)基礎(chǔ)與fluent簡介第一節(jié)概論一、流體的密度、重度和比重二、流體的黏性牛頓流體與非牛頓流體三、流體的壓縮性可壓縮與不可壓縮流體四、液體的表面張力第二節(jié)流體力學(xué)中的力與壓強一、質(zhì)量力

8、與表面力二、絕對壓強、相對壓強與真空度三、液體的汽化壓強四、靜壓、動壓和總壓第三節(jié)能量損失與總流的能量方程一、沿程損失與局部損失二、總流的伯努里方程三、人口段與充分發(fā)展段第四節(jié)流體運動的描述一、定常流動與非定常流動二、流線與跡線三、流量與凈通量四、有旋流動與有勢流動.五、層流與湍流第五節(jié)亞音速與超音速流動一、音速與流速二、馬赫數(shù)與馬赫錐三、速度系數(shù)與臨界參數(shù)四、可壓縮流動的伯努里方程五、等熵滯止關(guān)系式第六節(jié)正激波與斜激波一、正激波二、斜激波第七節(jié)流體多維流動基本控制方程一、物質(zhì)導(dǎo)數(shù)二、連續(xù)性方程三、ns方程第八節(jié)邊界層與物體阻力一、邊界層及基本特征二、層流邊界層微分方程三、邊界層動量積分關(guān)系式

9、四、物體阻力第九節(jié)湍流模型第十節(jié)fluent簡介一、程序的結(jié)構(gòu)二、fluent程序可以求解的問題三、用fluent程序求解問題的步驟四、關(guān)于fluent求解器的說明五、fluent求解方法的選擇六、邊界條件的確定第二章二維流動與傳熱的數(shù)值計算第一節(jié)冷、熱水混合器內(nèi)部二維流動一、前處理利用gambit建立計算模型第1步確定求解器第2步創(chuàng)建坐標網(wǎng)格圖第3步由節(jié)點創(chuàng)建直線第4步創(chuàng)建圓弧邊第5步創(chuàng)建小管嘴第6步由線組成面第7步確定邊界線的內(nèi)部節(jié)點分布并創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格第8步設(shè)置邊界類型第9步輸出網(wǎng)格并保存會話二、利用fluent進行混合器內(nèi)流動與熱交換的仿真計算第1步與網(wǎng)格相關(guān)的操作第2步建立求解模型第

10、3步設(shè)置流體的物理屬性第4步設(shè)置邊界條件第5步求解第6步顯示計算結(jié)果第7步使用二階離散化方法重新計算第8步自適應(yīng)性網(wǎng)格修改功能小結(jié)課后練習(xí)第二節(jié)噴管內(nèi)二維非定常流動一、利用gambit建立計算模型第1步確定求解器第2步創(chuàng)建坐標網(wǎng)格圖和邊界線的節(jié)點第3步由節(jié)點創(chuàng)建直線第4步利用圓角功能對i點處的角倒成圓弧第5步由邊線創(chuàng)建面第6步定義邊線上的節(jié)點分布第7步創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格第8步設(shè)置邊界類型第9步輸出網(wǎng)格并保存會話二、利用fluent進行噴管內(nèi)流動的仿真計算第1步與網(wǎng)格相關(guān)的操作第2步確定長度單位第3步建立求解模型第4步設(shè)置流體屬性第5步設(shè)置工作壓強為0atm第6步設(shè)置邊界條件第7步求解定常流動第8步

11、非定常邊界條件設(shè)置以及非定常流動的計算第9步求解非定常流第10步對非定常流動計算數(shù)據(jù)的保存與后處理小結(jié)課后練習(xí)第三節(jié)三角翼的可壓縮外部繞流一、利用gambit建立計算模型第1步啟動gambit，并選擇求解器為fluent56第2步創(chuàng)建節(jié)點第3步由節(jié)點連成線第4步由邊線創(chuàng)建面第5步創(chuàng)建網(wǎng)格第6步設(shè)置邊界類型第7步輸出網(wǎng)格文件二、利用fluent進行仿真計算第1步啟動fluent2d求解器并讀入網(wǎng)格文件第2步網(wǎng)格檢查與確定長度單位第3步建立計算模型第4步設(shè)置流體材料屬性第5步設(shè)置工作壓強第6步設(shè)置邊界條件第7步利用求解器進行求解第8步計算結(jié)果的后處理小結(jié)課后練習(xí)第四節(jié)三角翼不可壓縮的外部繞流（空化

12、模型應(yīng)用）第1步啟動fluent2d求解器并讀入網(wǎng)格文件第2步網(wǎng)格檢查與確定長度單位第3步設(shè)置求解器第4步設(shè)置流體材料及其物理性質(zhì)第5步設(shè)置流體的流相第6步設(shè)置邊界條件第7步求解第8步對計算結(jié)果的后處理小結(jié)課后練習(xí)第五節(jié)vof模型的應(yīng)用一、利用gambit建立計算模型第1步啟動gambit并選擇fluent56求解器第2步建立坐標網(wǎng)格并創(chuàng)建節(jié)點第3步由節(jié)點連成直線段第4步創(chuàng)建圓弧第5步創(chuàng)建線段的交點g第6步將兩條線在g點處分別斷開第7步刪除dg直線和fg弧線第8步由邊創(chuàng)建面第9步定義邊線上的節(jié)點分布第10步在面上創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格第11步設(shè)置邊界類型第12步輸出網(wǎng)格文件并保存會話二、利用fluen

13、t2d求解器進行求解第1步讀入、顯示網(wǎng)格并設(shè)置長度單位第2步設(shè)置求解器第3步設(shè)置流體材料及屬性第4步設(shè)置基本相和第二相第5步運算環(huán)境設(shè)置第6步設(shè)置邊界條件第7步求解第8步計算結(jié)果的后處理小結(jié)第六節(jié)組分傳輸與氣體燃燒一、利用gambit建立計算模型第1步打開gambit第2步對空氣進口邊界進行分網(wǎng)第3步設(shè)置邊界條件第4步輸出2d網(wǎng)格二、利用fluent-2d求解器進行模擬計算第1步與網(wǎng)格相關(guān)的操作第2步設(shè)置求解模型第3步流體材料設(shè)置第4步邊界條件設(shè)置第5步使用常比熱容的初始化并求解第6步采用變比熱容的解法第7步后處理第8步nox預(yù)測小結(jié)第三章三維流動與傳熱的數(shù)值計算第一節(jié)冷、熱水混合器內(nèi)的三維流

14、動與換熱一、利用gambit建立混合器計算模型第1步啟動gambit并選定求解器(fluent56)第2步創(chuàng)建混合器主體第3步設(shè)置混合器的切向入流管第4步去掉小圓柱體與大圓柱體相交的多余部分，并將三個圓柱體聯(lián)結(jié)成一個整體第5步創(chuàng)建主體下部的圓錐第6步創(chuàng)建出流小管第7步將混合器上部、漸縮部分和下部出流小管組合為一個整體，第8步對混合器內(nèi)區(qū)域劃分網(wǎng)格第9步檢查網(wǎng)格劃分情況第10步設(shè)置邊界類型第11步輸出網(wǎng)格文件（msh）二、利用fluent3d求解器進行求解第1步檢查網(wǎng)格并定義長度單位第2步創(chuàng)建計算模型第3步設(shè)置流體的材料屬性第4步設(shè)置邊界條件第5步求解初始化第6步設(shè)置監(jiān)視器第7步保存case文件

15、第8步求解計算第9步保存計算結(jié)果三、計算結(jié)果的后處理第1步讀入case和data文件第2步顯示網(wǎng)格第3步創(chuàng)建等（坐標）值面第4步繪制溫度與壓強分布圖第5步繪制速度矢量圖第6步繪制流體質(zhì)點的跡線第7步繪制xy曲線小結(jié)課后練習(xí)第二節(jié)粘性流體通過圓管彎頭段的三維流動一、前處理利用gambit建立計算模型第1步確定求解器第2步創(chuàng)建圓環(huán)第3步創(chuàng)建立方體第4步移動立方體第5步分割圓環(huán)第6步刪除34圓環(huán)第7步建立彎管直段第8步移動彎管直段第9步整合彎管和直段第10步邊界層的設(shè)定第11步劃分面網(wǎng)格第12步劃分體網(wǎng)格第13步定義邊界類型第14步輸出網(wǎng)格文件二、利用fluent3d求解器進行模擬計算第1步啟動fl

16、uent，進入3d模式第2步讀入網(wǎng)格數(shù)據(jù)第3步網(wǎng)格檢查第4步顯示網(wǎng)格第5步建立求解模型第6步設(shè)置標準湍流模型第7步設(shè)置流體的物理屬性第h步設(shè)置邊界條件第9步求解控制第10步求解第11步顯示初步計算結(jié)果第12步流線顯示小結(jié)第三節(jié)三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題一、利用gambit進行網(wǎng)格劃分第1步導(dǎo)入幾何模型第2步選取求解器第3步網(wǎng)格劃分第4步邊界條件設(shè)置第5步網(wǎng)格檢查第6步輸出網(wǎng)格二、利用fluent-3d求解器進行數(shù)值模擬計算第1步在fluent中讀入網(wǎng)格文件第2步選取求解器第3步材料設(shè)置第4步邊界條件第5步求解控制第6步后處理小結(jié)第四節(jié)動網(wǎng)格問題一、利用fluent-3d進行計算第1步與網(wǎng)格有關(guān)的操作第2步模型沒置第3步材料設(shè)置第4步邊界條件設(shè)置第5步網(wǎng)格運動設(shè)置第6步求解二、利用flu