计算流体动力学.

计算流体动力学（CFD）与FLUENT山东科技大学机电学院胡效东报告提纲CFD是什么FLUENT程序简介前处理软件GAMBIT的使用FLUENT主体程序使用FLUENT后处理其它CFD是什么？1、CFD是什么计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics，简写为CFD）通过求解流场控制方程组，以及计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。应用CFD可以预测流体的行为，同时还可以得到传质（如分离和溶解），传热，相变（如凝固和沸腾），化学反应（如燃烧），机械运动（涡轮机），以及相关结构的压力和变形（如风中桅杆的弯曲）等等的性质。CFD的基本思想CFD的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。最理想的数值模拟结果应可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么差别。数值模拟、实验、理论分析的关系做理论的目的是为了尽可能了解事物本质；做数值模拟则是在尽可能了解的基础上近似，用求解的方法来反演事实，这肯定是不准确的，但如果方法正确，应该是近似准确的；数值模拟的结果应该采用实验来进行验证。单纯实验测试单纯理论分析计算流体动力学CFD的局限性数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只能是有限个离散点上的数值解，并有一定的误差；它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证；程序的编制及资料的收集、整理和正确利用，在很大程度上依赖于经验和技巧。CFD工作过程输运方程质量动量能量封闭方程底层物理模型求解器物理模型湍流燃烧辐射多相流相变动网格技术划分网格材料特性边界条件初始条件求解设置前处理物理模型后处理在网格的基础上求解方程CFD的基本步骤分析问题及前处理1.确定数值模拟的目标2.确定计算区域3.建立数值模拟物理模型和网格求解执行过程4.建立数学模型5.计算并监控结果后处理6.检查结果7.修正模型确定数值模拟的目标需要得到的结果以及结果的用途建立物理模型时需要考虑的问题：在分析中需要建立什么形式的物理模型?采取什么样的简化措施？是否需要采用新的修正模型?FLUENT6中用User-definedfunctions(C语言编写)实现需要什么样的计算精度？对计算时间有无要求?确定计算区域GasRiserCycloneL-valveGas怎么样将研究对象进行孤立化处理?计算区域的初始和结束位置?在计算区域的边界上是否有存在的边界信息?边界的形式能否容纳这些信息?是否可以根据实验测量得到边界的信息?计算区域可否简化成二维或者轴对称形式?建立数值模拟物理模型和网格能否采用结构化的网格？几何形状以及流动的复杂程度?在各个控制区域内需要什么样的网格精度对于这个几何形体需要什么样的网格精度?大的网格梯度是否能预测流场?是否需要采用网格自适应技术?计算机的内存容量是否满足要求?需要多少的计算网格?计算模型的数量?HybridmeshforanICenginevalveporttetmeshhexmeshwedgemesh模型和网格欣赏建立数学模型对于一个给定的问题，需要解决的问题有：选择合适的物理模型湍流，燃烧，多相流等确定材料的特性流体固体混合物给定操作工况给定所有边界条件给定初始条件给定数值计算的控制参数设置监视点计算并监控结果迭代求解离散方程组.通过迭代计算使结果收敛什么情况达到收敛：求解变量在连续几个迭代次数中不发生改变：从残差方面可以大体监视这一过程满足守恒定律收敛解的精度取决于：物理模型的简化程度和精度网格的精度检查结果检查结果并提取出有效数据.可视化工具能得到：整个流场的特性发生流场突变的位置流场的关键特征数学报告工具能够得到：力和动量界面交换系数表面和体上变量的积分值流量平衡关系修正模型物理模型是否合适流动的湍流程度流动是否为非稳定流动是否需要考虑压缩性是否需要考虑流体的涡结构（3D）边界条件是否合适所选取的计算区域是否能满足问题要求边界条件是否合适边界上变量值是否合理网格的精度是否满足要求能否通过网格的自适应技术提高计算精度网格是否是独立于计算之外对近壁处的处理是否需要修正FLUENT中CFD过程的实现创建几何模型和网格模型（在GAMBIT或其它前处理软件中完成）；启动FLUENT求解器。导入网格模型；检查网格模型是否存在问题；选择求解器及运行环境；决定计算模型，即是否考虑热交换，是否考虑粘性等；设置材料特性；设置边界条件；调整用于控制求解的有关参数；初始化流场；开始求解；显示求解结果；保存求解结果；如有必要，修改网格或计算模型，重复上述过程重新进行计算。FLUENT程序简介FLUENT所能求解的问题采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和三位流动问题；计算过程中，网格可以自适应可压缩与不可压缩流动问题稳态和瞬态流动问题无粘流，层流及湍流问题牛顿流体及非牛顿流体对流换热问题（包括自然对流和混合对流）导热与对流换热耦合问题辐射换热化学组分混合与反应用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒，水滴，气泡等）两相流问题复杂表面形状下的自由面流动FLUENT的本质Fluent本质是做CFD计算fluent上所有的面板，最基本的功能就是实现两个目的：1).选择问题的物理和数值方法（数值算法、粘性模型、辐射、多相等）；2).边界的处理（fluent给定的各种边界，UDF）FLUENT基本程序结构GAMBIT，网格生成TGrid，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成体网格Gridgen前处理器FLUENT解法器prePDF，用于模拟PDF燃烧过程FLUENTGAMBITTGridFLUENT解法器FLUENT程序软件包应该包括以下几个部分：GAMBIT设置几何形状生成2D或3D网格其它软件包如CAD等FLUENT网格输入及调整物理模型边界条件流体物性确定计算结果后处理TGrid2D三角网格3D四面体网格2D和3D混合网格prePDFPDF查表2D或3D网格几何形状或网格PDF程序网格边界和（或）体网格边界网格FLUENT基本程序结构FLUENT基本控制体形状三维网格：trianglequadrilateral二维网格：tetrahedronhexahedronpyramidprismorwedgeFLUENT中的湍流模型湍流流动模型很多，但大致可以归纳为以下三类：湍流输运系数模型模型的任务就是给出计算湍流粘性系数的方法。根据建立模型所需要的微分方程的数目，可以分为零方程模型（代数方程模型），单方程模型和双方程模型。第二类是抛弃了湍流输运系数的概念，直接建立湍流应力和其它二阶关联量的输运方程。大涡模拟前两类是以湍流的统计结构为基础，对所有涡旋进行统计平均。大涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解三维经过修正的Navier-Stokes方程，得到大涡旋的运动特性，而对小涡旋运动还采用简化的亚格子模型（SGS）。FLUENT中的湍流模型实际求解中，选用什么模型要根据具体问题的特点来决定。选择的一般原则是流体是否可压，精度要求，应用简单，节省计算时间，同时也具有通用性。FLUENT提供的湍流模型包括：单方程（Spalart-Allmaras）模型、双方程模型（基于湍流动能和扩散率：标准κ-ε模型、重整化群κ-ε模型、带漩流修正的Realizableκ-ε模型；基于湍流能量方程和扩散速率方程：标准k-ω模型，剪切压力传输（SST）k-ω模型）雷诺应力模型大涡模拟（3D）湍流模型优缺点模型名字优点缺点Spalart-Allmaras计算量小，对一定复杂程度的边界层问题有较好效果计算结果没有被广泛测试，缺少子模型，如考虑燃烧或浮力问题标准k-ε模型应用多，计算量合适，有较多数据积累和相当精度对于流向有曲率变化，较强压力梯度，有旋问题等复杂流动模拟效果欠缺RNGk-ε模型能模拟射流撞击，分离流，二次流，旋流等中等复杂流动受到涡旋粘性各向同性假设限制Realizablek-ε模型和RNG模型差不多，还可以模拟圆口射流问题受到涡旋粘性各向同性假设限制雷诺应力模型考虑的物理机理更仔细，包括了湍流各向异性影响CPU时间长（2～3倍），动量和湍流量高度耦合。湍流模型优缺点模型名字优点缺点标准k-ω模型适用于低雷诺数，可压缩性和剪切流SSTk-ω模型独立于k－e模型之外，在近壁自由流中有广泛的应用范围和精度FLUENT中的求解方程对于所有流动，FLUENT都求解质量和动量守恒方程。对于包含传热或可压性流动，还需要增加能量守恒方程。质量守恒方程miiSuxt)(动量守恒方程iijijijijiFgcxpuuxut)()(能量方程heffijjjjjieffiiiSuJhxTkxpEuxEt)(())(()(FLUENT中的求解方法耦合求解，指同能量方程一起求解，主要是同NASA共同开发。而分离求解是动量方程、压力方程和能量方程分开单独求解，迭代求解。耦合求解精度高，而并行求解一般精度低。非耦合求解不可压缩或压缩性不强的流体流动耦合隐式求解高速可压缩流动FLUENT默认设置是非耦合求解，但对于高速可压流动，有强的体积力（浮力或离心力）的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法，可以耦合求解能量和动量方程，能比较快地得到收敛解。缺点是需要的内存比较大（是非耦合求解迭代时间的1.5-2倍）耦合显式求解（收敛时间比较长），前身为NASARANPANT程序。前处理软件GAMBIT的使用网格选择网格选择需要考虑因素1建模时间2计算花费，一般对于同一几何体三角形/四面体网格元素比四边形/六面体的数目要少。但是后者却能允许较大的纵横比，因此对于狭长形的几何体选择该种网格类型。3数字发散，引起发散的原因是由于系统的截断误差，如果实际流场只有很小的发散，这时的发散就很重要。Gambit的命令面板工具栏几何造型网格划分定义边界条件及属性网格质量评价标准网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响。对于复杂的CFD问题，网格极易出错，因此必须对网格生成方式给予足够的关注。网格质量本身与具体问题的具体几何特性、流动特性及流场求解算法有关。因此，网格质量最终要由计算结果来评判，但是误差分析以及经验表明，CFD计算对计算网格有一些一般性的要求。网格质量评价标准最基本的要求：所有网格点的Jacobian必须为正值，即网格体积必须为正。光滑性：相邻网格元素体积的变化过大，容易引起较大的截断误差，从而导致发散。元素形状：主要包括倾斜和纵横比。一般纵横比要小于5:1。流场：很倾斜的网格在流动的初始区域是可以的，但在梯度很大的地方就不行。节点密度和聚变：一般来说任何流管都不应该用少于5个的网格元素来描述。体网格划分选定一个体，体的形状和拓扑特征以及面上的点的类型最终决定了可采用的划分类型和策略第一：定义元素类型Hex六面体Hex/Wedge六面体和楔体Tet/Hybrid四面体体网格划分第二：指定划分策略Map/Hex产生规则的结构化六边形网格单元Submap/hex把一个不是mappable的体划分为mappable区域，在各个区域中产生规则的结构化的六边形网格