2004-06 FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)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(dòng)的物質(zhì)被統(tǒng)稱為流體。在力的作用下，流體的流動(dòng)可引起能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和物質(zhì)的傳送，利用流體進(jìn)行力傳遞、進(jìn)行功和能轉(zhuǎn)換的機(jī)械就稱為流體機(jī)械。比如，泵是一種將電能轉(zhuǎn)換為流體動(dòng)能并輸送液體的機(jī)械；風(fēng)機(jī)是一種將機(jī)械能或電能轉(zhuǎn)換為風(fēng)能的機(jī)械；水力發(fā)電機(jī)就是一種將水的勢能和動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的一種機(jī)械。此類例子舉不勝舉，因此，流體機(jī)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(dòng)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(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體的流動(dòng)以及車輛外形的減阻設(shè)計(jì)，水利機(jī)械的工作原理，輸油管道的鋪設(shè)，供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，乃至航海、航空和航天等領(lǐng)域內(nèi)動(dòng)

2、力系統(tǒng)和外形設(shè)計(jì)等等。自從1687年牛頓定律公布以來，直到本世紀(jì)50年代初，研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要方法有兩種：一是實(shí)驗(yàn)研究，以實(shí)驗(yàn)為研究手段；另一種是理論分析方法，利用簡單流動(dòng)模型假設(shè)，給出某些問題的解析解。前者耗費(fèi)巨大，而后者對于較復(fù)雜的非線性流動(dòng)現(xiàn)象目前還有些無能為力。20世紀(jì)70年代以來，飛速發(fā)展起來的計(jì)算流體力學(xué)為實(shí)驗(yàn)研究和理論研究都起到了促進(jìn)作用，也為簡化流動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究、理論分析方法和數(shù)值模擬已成為當(dāng)前研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的三種基本方法。任何流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律都是以質(zhì)量守恒定律、動(dòng)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(jì)算方法，通過計(jì)算機(jī)求解這些控制流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)方程，進(jìn)而研究流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這樣的學(xué)科就是計(jì)算流體力學(xué)。盡管流動(dòng)規(guī)律仍然滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)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(gè)根本原因就在于流體的流動(dòng)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(gè)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(jìn)行數(shù)值求解就成為研究流體流動(dòng)的一個(gè)重要的研究方向和方法，其基礎(chǔ)就是計(jì)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(jìn)行計(jì)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(dòng)過程進(jìn)

4、行分析、計(jì)算和研究，由此，計(jì)算準(zhǔn)確、界面友好、使用簡單，又能解決問題的大型商業(yè)計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)運(yùn)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(shí)、二維流動(dòng)和三維流動(dòng)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(shí)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(jìn)行模擬的問題和結(jié)果有一個(gè)理論的說明。第二章是二維流動(dòng)數(shù)值模擬部分，建模和計(jì)算都比較簡單，是本書的基礎(chǔ)。第三章是三維流動(dòng)問題，建模和計(jì)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(jìn)行詳細(xì)講解，但相信讀者通過本書的學(xué)習(xí)，

5、一定能領(lǐng)會(huì)其中的技巧。本書是利用FLUENT軟件進(jìn)行流體流動(dòng)與傳熱計(jì)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(gè)具體的例子，讀者只要按照書中的步驟一步一步進(jìn)行，即可完成一個(gè)具體問題的數(shù)值模擬與分析。通過本書中若干個(gè)例子的學(xué)習(xí)，讀者可逐步掌握利用FLUENT進(jìn)行流體流動(dòng)數(shù)值模擬的基本方法，進(jìn)人流體流動(dòng)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(jìn)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(diǎn)，不再受到流體流動(dòng)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(jī)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(jìn)行流體流動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)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(dāng)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(jì)算機(jī)書籍

7、本書是利用界面友好、使用簡單的大型商業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件FLUENT進(jìn)行流體流動(dòng)與傳熱計(jì)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(gè)實(shí)例，讀者只要按照書中的步驟一步一步進(jìn)行，即可完成一個(gè)具體問題的數(shù)值模擬與分析，進(jìn)而逐步掌握利FLUENT進(jìn)行流體流動(dòng)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(shí)例進(jìn)行動(dòng)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(qiáng)一、質(zhì)量力

8、與表面力二、絕對壓強(qiáng)、相對壓強(qiáng)與真空度三、液體的汽化壓強(qiáng)四、靜壓、動(dòng)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(yùn)動(dòng)的描述一、定常流動(dòng)與非定常流動(dòng)二、流線與跡線三、流量與凈通量四、有旋流動(dòng)與有勢流動(dòng).五、層流與湍流第五節(jié)亞音速與超音速流動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)與傳熱的數(shù)值計(jì)算第一節(jié)冷、熱水混合器內(nèi)部二維流動(dòng)一、前處理利用gambit建立計(jì)算模型第1步確定求解器第2步創(chuàng)建坐標(biāo)網(wǎng)格圖第3步由節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(huì)話二、利用fluent進(jìn)行混合器內(nèi)流動(dòng)與熱交換的仿真計(jì)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(jì)算結(jié)果第7步使用二階離散化方法重新計(jì)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(dòng)一、利用gambit建立計(jì)算模型第1步確定求解器第2步創(chuàng)建坐標(biāo)網(wǎng)格圖和邊界線的節(jié)點(diǎn)第3步由節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建直線第4步利用圓角功能對i點(diǎn)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(diǎn)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(huì)話二、利用fluent進(jìn)行噴管內(nèi)流動(dòng)的仿真計(jì)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(qiáng)為0atm第6步設(shè)置邊界條件第7步求解定常流動(dòng)第8步

11、非定常邊界條件設(shè)置以及非定常流動(dòng)的計(jì)算第9步求解非定常流第10步對非定常流動(dòng)計(jì)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(jì)算模型第1步啟動(dòng)gambit，并選擇求解器為fluent56第2步創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)第3步由節(jié)點(diǎn)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(jìn)行仿真計(jì)算第1步啟動(dòng)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(jì)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(qiáng)第6步設(shè)置邊界條件第7步利用求解器進(jìn)行求解第8步計(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)算模型第1步啟動(dòng)gambit并選擇fluent56求解器第2步建立坐標(biāo)網(wǎng)格并創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)第3步由節(jié)點(diǎn)連成直線段第4步創(chuàng)建圓弧第5步創(chuàng)建線段的交點(diǎn)g第6步將兩條線在g點(diǎn)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(diǎn)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(huì)話二、利用fluen

13、t2d求解器進(jìn)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(yùn)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(jì)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(jì)算模型第1步打開gambit第2步對空氣進(jìn)口邊界進(jìn)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(jìn)行模擬計(jì)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(dòng)與傳熱的數(shù)值計(jì)算第一節(jié)冷、熱水混合器內(nèi)的三維流

14、動(dòng)與換熱一、利用gambit建立混合器計(jì)算模型第1步啟動(dòng)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(gè)圓柱體聯(lián)結(jié)成一個(gè)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(gè)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(jìn)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(jì)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(jì)算第9步保存計(jì)算結(jié)果三、計(jì)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(biāo)）值面第4步繪制溫度與壓強(qiáng)分布圖第5步繪制速度矢量圖第6步繪制流體質(zhì)點(diǎn)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(dòng)一、前處理利用gambit建立計(jì)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(dòng)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(dòng)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(jìn)行模擬計(jì)算第1步啟動(dòng)fl

16、uent，進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(jìn)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(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)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(dòng)網(wǎng)格問題一、利用fluent-3d進(jìn)行計(jì)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(yùn)動(dòng)設(shè)置第6步求解二、利用flu