计算流体力学与FLUENT软件简介

Fluent软件介绍主要内容Fluent简要介绍1Fluent发展历程2Fluent基本功能及特点345Fluent软件结构6Fluent程序求解问题的步骤7Fluent算例介绍（俞梦玮）Fluent简要介绍CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动，包含了广泛的物理模型，能模拟工业应用中的流动、传热和反应。这些工业应用涵盖了从飞机机翼的空气外流到锅炉的燃烧，从塔内气泡流到钻井平台，从血液流动到半导体制造，以及从洁净室设计到污水处理厂。一些特殊的模型如内燃机燃烧、气动噪声、旋转机械和多相流系统也进一步扩大了软件的应用范围。Fluent发展历程1975年英国谢菲尔大学开发了Tempest1983年美国的流体技术服务公司creature推出fluent1988年FluentInc.成立1995年收购最大对手FDI公司（FIDAP）1997年收购Polyflow公司（粘弹性和聚合物流动模拟）2006年被ANSYS收购Fluent发展历程2006年被ANSYS收购后，命名为6.3版本2009年12.0版本发布2010年13.0版本发布2011年14.0版本发布2013年15.0版本发布2015年16.0版本发布Fluent基本功能及特点网格灵活性ANSYSFluent软件的网格具有完全的灵活性，包括能相对容易地对复杂几何生成非结构网格来求解流动问题。所支持的网格类型包括三角形、四边形、四面体、六面体、棱柱体（楔形）和多面体。湍流模型ANSYSFluent软件一直重点关注开发领先的湍流模型，精确有效地捕捉湍流效应。尤其关注的是经广泛测试的剪切应力湍流模型（SST），因其对非平衡湍流边界层流动和传热的预测有明显的优势。Fluent也提供了创新的模型来求解层流到湍流的转捩。此外，ANSYSFluent提供了大量的尺度解析湍流模型。传热和辐射在许多工业设备像涡轮叶片、发动机缸体和燃烧室，以及建筑和结构中，优化传热都非常关键。ANSYSFluent软件有最新的共轭传热（CHT）技术，把流体动力学和固体材料的内部导热联合起来计算。固体域可以直接划分网格，或用壳模型做为薄壁模拟。ANSYSFluent引入了丰富的模型来计算各类流体和固体间的辐射传热，包括全透明、半透明或不透明辐射。多相流许多CFD应用所包含的流体是多相而不仅是一相。ANSYSFluent是多相流模型技术的领导者。其各类功能让工程师能洞察那些常常难以测量的设备内部。对不同类型的多相流ANSYSFluent软件提供不同的模型。反应流ANSYSFluent都提供了丰富的架构来模拟伴随化学反应和燃烧的流动。ANSYSFluent中的反应流模型能处理大量的气体、煤和液体燃料燃烧模拟。同时也包括预测SOx生成、NOx生成和分解的特殊模型。该技术的表面反应功能可以预测气体和表面组分的反应，也能预测不同组分间的反应，因此，能严格预测沉积和蚀刻。声学对声学来说，ANSYSFluent能用几种方法计算非稳态压力脉动引起的噪声。瞬态LES对表面压力的预测能用内嵌的傅立叶变换工具（FFT）转化为频谱。Ffowcs–Williams和Hawkings声类比能模拟各种的声传播，从暴露的钝体到旋转风扇叶片。宽频噪声模型能基于稳态仿真的结果预估声源。流固耦合通过ANSYSFluent和ANSYS结构力学的耦合可以模拟固体运动对流动的影响。ANSYSFluent中流体域的网格变形算法既稳健又灵活，能允许甚至很大的边界位移。对更极端的边界运动，单个网格拓扑不足以模拟整个变形，ANSYSFluent提供模拟中按需自动重新划分网格的选项。动网格ANSYSFluent的动网格能解决一些挑战性的应用，包括内燃机流动、阀门、油箱分离。ANSYSFluent也提供滑移网格和多重参考坐标系模型，该模型在搅拌器、水泵和涡轮机械中已被验证。FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术；材料属性流动条件会影响材料的详细行为，如压力或温度对CFD结果的精度有关键的影响。针对大范围的液体、气体和固体，ANSYSFluent有丰富的材料属性库。假设仿真中涉及到某个专有材料，或其它材料库中没有的材料，用户能用ANSYSFluent环境的灵活性容易地定义任何新材料，或者定义材料属性和压力、温度、剪切应变速率等流场参数的关系式。后处理和数据输出ANSYSFluent的后处理工具能产生有意义的图像、动画和报告，让流体动力学结果的表达更容易。求解数据能输出到ANSYSCFD-Post、第三方后处理软件或CAE软件中做进一步的分析。FLUENT同传统的CFD计算方法相比，具有以下的优点：稳定性好。FLUENT经过大量算例考核，同实验符合较好；适用范围广。FLUENT含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域；精度提高，可达二阶精度。Fluent软件结构FLUENT包应该包括以下几个部分：1.FLUENT解法器2.prePDF，用于模拟PDF燃烧过程3.GAMBIT，网格生成4.TGrid，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成体网格。5.Filters(Translators)，转换其它程序生成的网格，用于FLUENT计算。可以接口的程序包括：ANSYS,I-DEAS,NASTRAN,PATRAN等。确定几何形状，生成计算网络（用GAMBIT）输入并检查网络选择2D求解器选择求解的方程确定流体的材料性质确定边界类型及边界条件条件计算控制参数流场初始化求解计算保存结果进行后处理等Fluent程序求解问题的步骤：问题描述温度为T0、压强为P0的理想气体以均速V0流过温度为Tp、长为L的无限宽平板，如下图所示。试对平板绕流的流动过程进行数值模拟计算。Fluent算例介绍L=1m空气流过高温平板示意图V0Fluent算例介绍第1步：在Gambit中创建模型、划分网格并确定边界类型创建流动区域的四个节点。Fluent算例介绍第2步：创建网格对此矩形区域进行网格划分，将竖直方向划分为100份，并沿y方向网格长度等比例逐渐增长；将水平方向等分为30份。Fluent算例介绍第3步：定义边界类型在Gambit中设置边界条件。inflowtopplateoutflow名称类型inflowVELOCITY_INLEToutflowPRESSURE_OUTLETtopSYMMETRYplateWALL第4步：输出网格并保存文件Fluent算例介绍第4步：在Fluent中对问题进行设置1.选择2D求解器2.读入网格将网格文件plate.msh读入。3.检查并显示网格点击Grid-CheckFluent算例介绍4.设置求解器1.在time项选择Steady稳态。2.启动能量方程。3.确定紊流模型ReL5×105，属于紊流流动。Fluent算例介绍雷诺数计算问题描述温度为T0、压强为P0的理想气体以均速V0流过温度为Tp、长为L的无限宽平板，如下图所示。试对平板绕流的流动过程进行数值模拟计算。假设流体是可压缩的、设来流为空气，参数如下：来流流速V0=20m/s动力黏度u=1.89×10-5Pa·s导热系数λ=0.0247W/(m·K)定压比热Cp=1005J/(kg·K)来流温度T0=300K来流压强P0=101325Pa由理想气体状态方程，来流气体的密度为ρ=P0/(RTO)=1.177kg/m3来流的雷诺数为ReL=V0L/(u/ρ)=1.266×106Fluent算例介绍4.紊流模型的确定Model选择k-e模型；k-e模型中选择理想化模型；对于边界层流来说，Realizablek-e模型比Standardk-e模型精度更高。在ModelConstants项中的模型常数是被广泛认可的常数，不用改变，保留其他默认设置。Fluent算例介绍要处理边界层内的流动问题需考虑以下三种情况：①层流底层（y+5）；②过渡区域（5y+30）；③紊流区域（y+30）。*/uyy0*u运用Fluent对该问题进行求解后，可以求得对应于不同位置网格的y+值。Fluent算例介绍当网格的粗细度处于紊流区域（y+30），选择EnhancedWallTreatment可用来提高边界问题的计算精度；当网格的粗细度处于过渡区域（5y+30），选择EnhancedWallTreatment也可用来提高边界问题的计算精度，但是作用不明显。当网格的粗细度处于层流区域（5y+），Fluent本身可用来求解层流底层内的问题，所以选择EnhancedWallTreatment对于提高计算精度方面作用不明显。Fluent算例介绍5.定义边界条件①入口边界设置在Zone项选择inflow，速度大小20，流体温度300。但是在点击ok的过程中出现了警告。Fluent算例介绍将inflow边界类型改为pressure-inlet。由可压缩等熵流动计算公式，总压强的计算公式如下：/(1)20112kkapkMp000.0576avMkRT0101325pPa0235.56pppPaFluent算例介绍5.定义边界条件②设置出流边界在Zone项选择outflow，如图所示。GaugePressure为0，表示绝对压强为操作压强。出流边界的表压强=绝对压强-操作压强③设置平板边界条件在Zone项选择plate，如图所示。Fluent算例介绍第5步：求解①采用二阶离散方法进行计算，如图所示，density等参数均选择SecondOrderUpwind；②设置流场初始值③设置收敛临界值④保存并计算Fluent算例介绍残差迭代收敛曲线Fluent算例介绍第6步：计算结果分析①y+分析Fluent算例介绍第6步：计算结果分析①在x=1m处的速度分布谢谢！