1-Fluent——通用应用介绍

2Fluent基本应用1一、Fluent简介二、CFD求解基本步骤三、Gambit的使用四、Fluent求解器的使用五、Fluent后处理3Fluent简介随着计算机技术的发展进步，计算传热学(NHT)逐渐在传热学研究领域崭露头角，成为继理论传热学和实验传热学之后的又一种重要研究手段。目前，Fluent是工业界和教育系统中市场占有率较高的商业软件。它能够进行传热、传质、动量传递、燃烧、多相流和化学反应等方面的研究，并在航天设计、汽车设计以及涡轮机设计等方面得到广泛应用。控制方程一般形式（2D）质量守恒方程（massconservationequation）𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕(𝜕𝜕𝜌𝜌)𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕(𝜕𝜕𝜌𝜌)𝜕𝜕𝜕𝜕=0𝜕𝜕(𝜕𝜕𝜌𝜌)𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕(𝜕𝜕𝜌𝜌𝜌𝜌)𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕(𝜕𝜕𝜌𝜌𝜌𝜌)𝜕𝜕𝜕𝜕=−𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜇𝜇𝜕𝜕𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜇𝜇𝜕𝜕𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕动量守恒方程（momentumconservationequation）𝜕𝜕(𝜕𝜕𝜌𝜌)𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕(𝜕𝜕𝜌𝜌𝜌𝜌)𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕(𝜕𝜕𝜌𝜌𝜌𝜌)𝜕𝜕𝜕𝜕=−𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜇𝜇𝜕𝜕𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜇𝜇𝜕𝜕𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕−𝜕𝜕𝜌𝜌能量守恒方程（energyconservationequation）𝜕𝜕(𝜕𝜕𝜌𝜌)𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕(𝜕𝜕𝜌𝜌𝜌𝜌)𝜕𝜕𝜕𝜕+𝜕𝜕(𝜕𝜕𝒗𝒗𝜌𝜌)𝜕𝜕𝜕𝜕=𝑑𝑑𝑑𝑑𝜌𝜌𝜆𝜆𝒄𝒄𝒑𝒑𝐠𝐠𝐠𝐠𝐠𝐠𝐠𝐠𝜌𝜌+Ф+𝑆𝑆4各物理相的意义及守恒定律的归一化前面的三大守恒定律其实可以写成统一的格式非稳项对流项扩散项源项物理意义：三大守恒定律具有相同的含义。可以用该公式描述上述三大守恒定律（Φ不同）。好处：统一的格式，使数值计算的编程更方便。湍流、化学反应等模型也可使用该归一化的方程进行求解，大大方便编程。567Fluent软件包Fluent软件包一般包括有前处理器、求解器和后处理器。前处理器：主要包括Gambit、Tgrid和Fliters，用于模拟对象的几何建模以及网格生成，其中Gambit较常用。求解器：它是CFD软件包的核心，Fluent本身实际上就是一个求解器。后处理器：Fluent本身附带有强大的后处理功能，也可将计算结果导出到其他软件进行后处理。8CFD求解基本步骤分析问题及前处理求解执行过程后处理确定数值模拟的目标确定计算区域建立数值模拟物理模型和网格建立数学模型计算并监控结果检查计算结果修正模型9确定数值模拟的目标需要得到的结果以及结果的用途需要达到的计算精度计算时间的要求建立物理模型时需要考虑的问题建立什么形式的物理模型？能否采用适当的简化措施？是否需要采用新的修正模型？10确定计算区域将研究对象进行孤立化处理确定计算区域的初始和结束位置尽量将计算区域简化为二维或轴对称形式计算区域的边界上是否存在边界信息边界的形式能否容纳这些信息能否根据实验的测量得到边界信息11建立数值模拟物理模型和网格能否采用结构化网格在各个控制区域内需要什么样的网格精度计算机的内存容量是否满足要求几何形状以及流动的复杂程度对于这个几何形体需要什么样的网格精度大的网格梯度能否预测流场是否需要采用网格自适应技术需要计算的网格数量12建立数学模型选择合适的物理模型确定材料的特性给定操作工况给定所有边界条件设定数值计算的控制参数初始化设置监视点湍流、多相流、燃烧、辐射等状态以及状态参数13计算并监控结果通过迭代计算使结果收敛。计算结果收敛的判据收敛解的精度的取决因素求解变量在连续几个迭代次数中不发生变化满足守恒定律物理模型的简化程度和精度网格的精度14修正模型物理模型是否合适边界条件是否合适网格的精度是否满足要求是否需要考虑压缩性所取的计算区域是否能满足问题要求边界上变量值是否合理能否通过网格自适应技术提高计算精度对近壁处的处理是否需要修正是否需要考虑流体的涡结构15Gambit的使用Gambit用户界面图菜单栏命令面板命令显示窗命令输入窗命令解释窗视图控制面板视图16Gambit常用的几何造型工具点的生成线的生成17Gambit常用的几何造型工具面的生成体的生成18Gambit常用编辑功能常用编辑功能移动、复制布尔运算分裂与合并撤销、重复和删除连接与解除连接19Gambit网格生成边界层网格线网格面网格体网格绘制网格20边界层网格输入参数拾取边界Firstrow—第一个网格点距边界的距离Growthfactor—网格比例因子Rows—边界层网格点数Depth—边界层厚度21线网格的划分线的拾取网格比例因子中间密(疏)22面网格的划分划分方法适用类型QuadTriQuad/TriMap√√Submap√Pave√√√TriPrimitive√Map)产生规则的结构化网格)Submap(把一个非mappable面分成几个mappable面，从而在每个区域产生结构化网格)Pave(产生非结构化网格)TriPrimitive(把一个三边形面分成三个四边形部分，在每个部分生成结构化网格)WedgePrimitive(在楔形面的顶点产生三角形网格单元，从顶点往外生成发散性的网格)中科信软高级技术培训中心－23体网格的划分划分方法适用类型HexHex/WedgeTet/HybridMap√Submap√TetPrimitive√Cooper√√TGrid√Hex六面体Hex/Wedge六面体和楔体Tet/Hybrid四面体24网格质量检查网格是CFD模型的几何表达式，也是模拟与分析的载体，网格质量对CFD计算精度和效率有重要影响。Fluent网格质量标准：AspectRatio长宽比。等于1是最好，一般要求不超过5：1。DiagonalRatio对角线之比。该值越高，单元越不规则，最好等于1。EdgeRatio长边与短边之比。大于或等于1，等于1时最好。EquiAngleSkew通过单元夹角计算的歪斜度。在0到1之间，为0最好，为1质量最差。最好是要控制在0到0.4之间。EquiSizeSkew通过单元大小计算的歪斜度。在0到1之间，为0质量最好，为1质量最差。2D单元在0.1以内，3D单元在0.4以内。MidAngleSkew通过单元边中点连线夹角计算的歪斜度。Stretch相邻单元大小之比。仅适用于3D单元，最好控制在2以内Taper锥度。在0到1之间，为0质量最好，为1质量最差。Volume单元体积。划分网格时应避免出现负体积。25设定边界条件边界类型适用范围速度进口适用于不可压缩流动问题。压力进口可压、不可压问题都适用。质量进口主要用于可压缩流动。压力出口只使用于模拟亚音速流动。压力远扬只对可压缩流动适合。自由出流压力进口条件、可压缩流动和有密度变化的非稳定流动不适用此边界条件。进口通风给定损失系数，流动方向和总压和总温。进口风扇给定压降，流动方向和环境总压和总温。出口通风给定损失系数和环境静压和静温。对称边界适用于流动及传热场是对称的情况。周期性边界用于几何边界，流动和换热是周期性重复的。固壁边界适用于壁面无滑移的情况。26Mesh网格文件的输出选择File→Export→Mesh就可以打开输出文件对话框。对于二维情况，必须选择Export2-D(X-Y)Mesh选项，才能输出正确的.msh文件。最后保存任务文件，退出Gambit。Fluent求解器的使用Fluent数值模拟的一般步骤根据具体问题选择求解器版本类型。导入网格(File→Read→Case，选择由Gambit导出的.msh文件)。检查网格(Grid→Check)。如果网格最小体积为负，需要重新划分。选择计算模型。确定流体物理性质(Define→Materials)。定义操作环境(Define→OperationCondition)。设置边界条件(Define→BoundaryCondition)。求解参数的设置。流场初始化(Solve→Initialize)。迭代求解(Solve→Iterate)。保存结果，后处理。2728求解器版本类型的选择2d2ddp3d3ddp二维、单精度求解器二维、双精度求解器三维、单精度求解器三维、双精度求解器大多数情况下，单精度求解器已经足够高效准确，所需内存也比双精度求解器要少，但在某些特殊情况下需要考虑使用双精度求解器，例如细长管道、热传导率很大以及高纵横比网格等问题。什么是CFD?CFD是计算流体动力学(Computationalfluiddynamics)的缩写，是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方程组◦质量守恒方程◦动量守恒方程◦能量守恒方程◦组分守恒方程◦体积力◦等等CFD分析一般应用在以下阶段:◦概念设计◦产品的详细设计◦发现问题◦改进设计CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。29CFD如何工作?ANSYSCFD求解器是基于有限体积法的◦计算域离散化为一系列控制体积◦在这些控制体上求解质量、动量、能量、组分等的通用守恒方程◦偏微分方程组离散化为代数方程组◦用数值方法求解代数方程组以获取流场解Fluidregionofpipeflowisdiscretizedintoafinitesetofcontrolvolumes.EquationVariableContinuity1XmomentumuYmomentumvZmomentumwEnergyhControlVolume**FLUENTcontrolvolumesarecell-centered(i.e.theycorresponddirectlywiththemesh)whileCFXcontrolvolumesarenode-centeredUnsteadyConvectionDiffusionGeneration30CFD模拟概览问题定义1.确定模拟的目的2.确定计算域前处理和求解过程3.创建代表计算域的几何实体4.设计并划分网格5.设置物理问题(物理模型、材料属性、域属性、边界条件…)6.定义求解器(数值格式、收敛控制…)7.求解并监控后处理过程8.查看计算结果9.修订模型ProblemIdentification1.Definegoals2.IdentifydomainPre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.SolverSettingsSolve7.ComputesolutionPostProcessing8.Examineresults9.UpdateModel311.定义模拟目的你希望得到什么样的结果(例如，压降，流量)，你如何使用这些结果？◦你的模拟有哪些选择？你的分析应该包括哪些物理模型(例如，湍流，压缩性，辐射)？你需要做哪些假设和简化？你能做哪些假设和简化(如对称、周期性)？你需要自己定义模型吗？FLUENT使用UDF，CFX使用UserFORTRAN计算精度要求到什么级别？你希望多久能拿到结果？CFD是否是合适的工具？ProblemIdentification1.Definegoals2.Identifydomain322.确定计算域如何把一个完成的物理系统分割出来？计算域的起始和结束位置◦在这些位置你能获得边界条件吗？◦这些边界条件类型合适吗？◦你能把边界延伸到有合适数据的