數(shù)值模擬在軟件上的應用

數(shù)值模擬在軟件上的應用第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日實驗研究理論分析數(shù)值模擬研究流體運動規(guī)律的三種基本方法第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日連續(xù)性方程為：三種基本方法的比較方法優(yōu)點缺點實驗研究1.結果真實可信2.理論研究和數(shù)值方法的基礎1.受模型尺寸、人身安全、測量精度等限制2.耗費人力、物力、財力3.周期長理論分析1.結果具有普遍性2.指導實驗、驗證數(shù)值計算1.抽象和簡化計算對象2.非線性方程，很難給出解析結果數(shù)值模擬1.克服了實驗研究和理論分析的缺點2.形象地再現(xiàn)流動情景程序的編制及資料的收集、整理，很大程度上依賴于經(jīng)驗與技巧第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日數(shù)值模擬連續(xù)性方程為：連續(xù)性方程：任何流體運動規(guī)律的基礎：動量方程：能量方程：一組非線性偏微分方程獲得這些偏微分方程的精確解析解：很難第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日計算流體力學（CFD）看作是流動基本方程控制下對流動的數(shù)值模擬。通過計算機數(shù)值計算和圖形顯示，對包含有流體運動和熱傳導等相關物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所作的分析。CFD的基本思想：把原來在時間、空間坐標中連續(xù)的物理量的場（如速度場、溫度場、濃度場等），用有限個離散點上的值的集合來代替，按一定方式建立起關于這些值的代數(shù)方程（稱為離散方程）并求解之，以獲得物理量場的近似值。第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日數(shù)值解法很好地利用了離散的概念。常用的離散化方法：有限差分法、有限元法和有限體積法。Fluent是基于有限體積法的，是目前CFD應用最廣的一種方法，將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個互不重復的控制體積，將待解的微分方程對每個控制體積積分，從而得到一組離散方程。離散化方法第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日數(shù)值解法的基本思路與步驟

數(shù)值解法的思路與步驟第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日

通俗理解1.建立反映工程問題或物理問題本質(zhì)的數(shù)學模型，建立針對控制方程的數(shù)值離散化方法。

2.前處理，建立坐標，構建幾何體，網(wǎng)格劃分，確定邊界條件的類型。

構體和網(wǎng)格劃分技巧3.程序計算，選取模型，輸入初始條件，確定邊界條件、設定控制參數(shù)。經(jīng)驗取值；與2有反復修正的過程4.后處理，顯示計算結果，以圖表展示，判斷分析結果的準確性和質(zhì)量。第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日PHOENICS：世界上第一套計算流體動力學與傳熱學的商用軟件。CFX：第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的商業(yè)CFD軟件，英國AEATechnology公司開發(fā)，2003年被ANSYS收購。Fluent：繼PHOENICS之后的第二個投放市場的基于有限體積法的軟件，美國Fluent公司于1983年推出，2006年被ANSYS收購。目前功能最全面、適用性最廣、國內(nèi)使用最廣泛的CFD軟件之一，用C語言編寫。STAR-CD，F(xiàn)IDAP等軟件。

常用的CFD軟件第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日前處理器：主要負責網(wǎng)格的生成。

FLUENT劃分網(wǎng)格的途徑有兩種：用FLUENT提供的專用網(wǎng)格軟件GAMBIT進行網(wǎng)格劃分由其他的CAD軟件完成造型工作，再導入GAMBIT中生成網(wǎng)格，如Pro/E、SolidWorks、Solidedge等。求解器：流體計算的核心，所有計算在此完成。后處理器：Fluent求解器本身就附帶有比較強大的后處理功能。Origin、Tecplot等也是比較專業(yè)的后處理器，可以把一些數(shù)據(jù)可視化。

Fluent軟件包第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日安裝Exceed：Exceed是在Windows環(huán)境下模擬的UNIX軟件，因為Gambit必須在UNIX環(huán)境下才可以運行。安裝Gambit，拷貝Licence到Gambit.Inc/license目錄下。安裝Fluent，拷貝Licence到Fluent.Inc/license目錄下。如需要卸載，以相反的順序卸載即可。

Fluent軟件包的安裝第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日.dbs文件：Gambit工作文件，若想修改網(wǎng)格，可以打開這個文件進行再編輯。.msh文件：Gambit輸出的網(wǎng)格文件。.cas文件：.msh文件經(jīng)過Fluent處理以后得到的文件。.dat文件：Fluent計算數(shù)據(jù)結果的數(shù)據(jù)文件。.jou文件：日志文檔，可以編輯運行。

Fluent軟件包的文件形式第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日利用Fluent軟件進行求解的步驟：（1）運行Gambit，確定幾何形狀，構造幾何體，輸出.dbs文件（2）生成計算網(wǎng)格，輸出.msh文件（3）運行Fluent軟件，選擇合適的解算器：2D（二維單精度）、3D（三維單精度）、2DDP（二維雙精度）、3DDP（三維雙精度）。（4）輸入網(wǎng)格，即讀入.msh文件（5）檢查網(wǎng)格網(wǎng)格檢查是最容易出的問題是網(wǎng)格體積為負數(shù)。如果出現(xiàn)負體積，計算就不可以進行。第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日利用Fluent軟件進行求解的步驟：（6）選擇解算器的格式Fluent提供3種不同的解格式：分離解、隱式耦合解、顯式耦合解。分離解是按順序解連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及組分方程，耦合解是同時解。隱式和顯式解法的區(qū)別在于線性耦合方程的方式不同。（7）選擇需要解的基本方程層流還是湍流（或者無粘流）、化學組分還是化學反應、熱傳導模型等。（8）指定材料物理性質(zhì)（9）指定邊界條件第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日利用Fluent軟件進行求解的步驟：（10）調(diào)節(jié)解的控制參數(shù)（松弛因子、限值、一、二階、迭代誤差等）設定松弛因子：計算流體力學中要求解非線性方程，求解過程中控制變量的變化可以通過松弛因子來實現(xiàn)，來控制變量在每次迭代中的變化，從而控制收斂的速度并改善收斂的狀況。等于1，相當于不用松弛因子；大于1，為超松弛因子，加快收斂速度；小于1，為欠從弛因子，改善收斂的條件。Fluent里面用的是欠松弛，在0～1之間，越小表示兩次迭代值之間變化越小，也就越穩(wěn)定，但收斂也就越慢。第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日利用Fluent軟件進行求解的步驟：（11）保存設置，輸出.cas文件（12）初始化流場需要初始化流場提供一個初始解?？梢詮囊粋€或者多個邊界條件算出初始解，也可以分別輸入流場的數(shù)值。初始化流場有時候對于后面計算的影響很大，需要依靠經(jīng)驗選擇最佳的邊界，設定合理的數(shù)值，進行初始化。（13）開始計算輸入迭代步數(shù)，報告步長等。計算過程中，有選擇性地觀察殘差，調(diào)整相關系數(shù)，使得殘差趨于平穩(wěn)，并達到規(guī)定的殘差值，保證收斂。收斂是一個很重要的問題，一般達到收斂，才可以認為計算結束。第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日利用Fluent軟件進行求解的步驟：（14)檢查結果速度、溫度、濃度分布的等值線、矢量圖(15)保存結果，輸出.dat文件(16)根據(jù)需要進行后處理，利用Oigin、Tecplot等軟件完善溫度分布圖、速度分布場、煙氣成分場等等。必要的話，可以細化網(wǎng)格，改變數(shù)值以及物理模型。第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日網(wǎng)格化分

GAMBIT軟件既可以采用結構化網(wǎng)格，也可以采用非結構化網(wǎng)格。對于不同問題，可以劃分二維的三角形和四邊形網(wǎng)格，三維的四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、金字塔型網(wǎng)格、楔型網(wǎng)格，以及由上述網(wǎng)格類型構成的混合型網(wǎng)格。結構化網(wǎng)格生成速度快、質(zhì)量好、結構簡單，但只適用于形狀規(guī)則的圖形，因此使用的范圍比較窄。對于結構復雜的幾何結構，可以選用非結構化網(wǎng)格，降低了劃分的難度，但是會減慢收斂速度、降低準確性。在Gambit中，只有map和submap生成的是結構化網(wǎng)格，其余均為非結構化網(wǎng)格。第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日網(wǎng)格化分GAMBIT提供了以下面網(wǎng)格劃分Type選項。選項詳細說明Map生成一個普通的結構化網(wǎng)格單元網(wǎng)格Submap將一個不可圖示的面分成可圖示區(qū)域并在每個區(qū)域生成結構化網(wǎng)格單元網(wǎng)格Pave生成非結構化網(wǎng)格單元網(wǎng)格TriPrimitive將一個三側面分成三個四邊形區(qū)域并在每個區(qū)域生成可圖示的網(wǎng)格WedgePrimitive在楔形面的尖部生成三角形網(wǎng)格單元并從尖部向外生成放射狀網(wǎng)格第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日網(wǎng)格化分

如上所述，每個Elements選項與上面列舉的一個或者多個Type選項相關聯(lián)。下表中顯示了每個面網(wǎng)格劃分Elements和Type選項之間的關系。（注意：由“X”標記得陰影單元代表允許選項的組合。）ElementsTypeQuadTriQuad/TriMapX

XSubmapX

PaveXXXTriPrimitiveX

WedgePrimitive

X第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日Fluent模擬效果圖

煤粉爐低NOx燃燒器第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日算例1.冷、熱水混合器內(nèi)部二維流動一個冷、熱水混合器的內(nèi)部流動與熱量交換的問題。溫度為T=350K的熱水自上部的熱水小管嘴流入，與自下部右側小管嘴流入的溫度為290K的冷水在混合器內(nèi)進行熱量與動量的交換后，自下部左側的小管嘴流出?；旌掀鹘Y構如圖所示。第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日算例冷、熱水混合后的出流口冷水入口，T=290K,V=10m/s熱水入口，T=350K,V=10m/s第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日算例冷、熱水混合器內(nèi)的三維流動與換熱冷水和熱水分別自混合器的兩側沿水平切向方向流入，在容器內(nèi)混合后經(jīng)過下部漸縮通道流入等徑的出流管，最后流入大氣。這是一個三維流動問題，所研究的內(nèi)容是混合器內(nèi)的流場、壓力分布和溫度場。混合器結構如圖所示：第二十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日算例熱水入口