第二章基本物理模型

中国科学技术大学FLUENT讲义：第二章基本物理模型--1--第二章基本物理模型无论是可压、还是不可压流动，无论是层流还是湍流问题，FLUENT都具有很强的模拟能力。FLUENT提供了很多数学模型用以模拟复杂几何结构下的输运现象（如传热与化学反应）。该软件能解决比较广泛的工程实际问题，包括处理设备内部过程中的层流非牛顿流体流动，透平机械和汽车发动机过程中的湍流传热过程，锅炉炉里的粉煤燃烧过程，还有可压射流、外流气体动力学和固体火箭中的可压反应流动等。为了能模拟工业设备和过程中的流动及相关的输运现象，FLUENT提供了许多解决工程实际问题的选择，其中包括多空介质流动，（风扇和热交换器）的集总参量计算，流向周期流动与传热，有旋流动和动坐标系下流动问题。随精确时间滑移网格的动坐标方法可以模拟计算涡轮流动问题。FLUENT还提供了离散相模型用以模拟喷雾过程或者稀疏颗粒流动问题。还有些两相流模型可供大家选用。第一节连续和动量方程对于所有流动，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。对于有组分混合或者化学反应的流动问题则要增加组分守恒方程，当选择PDF模型时，需要求解混合分数及其方差的守恒方程。如果是湍流问题，还有相应的输运方程需要求解。下面给出层流的守恒方程。2.1.1质量守恒方程()imiuStx2－1该方程是质量守恒的总的形式，可以适合可压和不可压流动。源项mS是稀疏相增加到连续相中的质量，（如液体蒸发变成气体）或者质量源项（用户定义）。对于二维轴对称几何条件，连续方程可以写成：mSrvvruxt)()(2－2式中，x是轴向坐标；r是径向坐标，u和v分别是轴向和径向速度分量。2.1.2动量守恒方程惯性坐标系下，i方向的动量守恒方程为：()()ijiijiijijpuuugFtxxc2－3式中，p是静压；ij是应力张量，定义为：ijllijjiijxuxuxu32，ig，iF是重力体积力和其它体积力（如源于两相之间的作用），iF还可以包括其它模型源项或者用户自定义源项。对于二维轴对称几何条件，轴向和轴向的动量守恒方程分别为：中国科学技术大学FLUENT讲义：第二章基本物理模型--2--xpvurrruurxrut)(1)(1)()(3221vxurxrxFxvrurrr12－4和rpvvrrruvrxrvt)(1)(1)(ruxvrxr1)(3221vxvrrrrFrwvrrv22)(3222－5w是旋流速度。2.1.3能量方程FLUENT可以计算流体和（或者）固体区域之间的传热问题。如果是周期性换热流动，则流动边界要给定周期边界条件。如果计算计算模型包括两个流动区域，中间被固体或者墙壁隔开的换热问题，则要特别注意：1，两个流体都不能用流出边界条件（outflow）；2，两个区域的流动介质可以不同，但要分别定义流体性质（如果计算组分，只能给一个混合组分）。FLUENT求解的能量方程形式如下：()(())(()ieffjjjijeffhjiiiTEuEpkhJuStxxx2－6式中，kkkteff，为有效导热系数(湍流导热系数根据湍流模型来定义)。jJ是组分j的扩散通量。方程右边前三项分别为导热项，组分扩散项和粘性耗散项。hS是包括化学反应流体1流体2中国科学技术大学FLUENT讲义：第二章基本物理模型--3--热和其它体积热源的源项。其中，22iuphE2－7对于理想气体，焓定义为：jjjhmh；对于不可压缩气体，焓定义为：phmhjjj。jm是组分j的质量分数，组分j的焓定义为：dTchTTjpjref,，其中KTref15.298。2.1.4PDF模型的能量方程如果在非绝热PDF燃烧模型模式下，FLUENT求解的总焓方程为：()()()tiiikhiipikkuHHuHStxxcxx2－8假定刘易斯数为1，方程右边第一项为组分扩散和导热项的合并项；第二项为粘性耗散，为非守恒形式。总焓H定义为:jjjHmH组分j的总焓定义为：)(,0,,jrefjTjTjpjThdTcHref2－9其中)(,0jrefjTh是组分j基于参考温度jrefT,的生成焓。虽然能量的标准形式里包括了压力做功和动能项，但在采用segregatedsolver求解不可压问题时候都可以忽略掉。当然，如果想不忽略它们的作用，可以在define/models/energy中设置。对于可压缩流动问题，在用coupledsolvers求解时总是考虑压力做功和动能项。粘性耗散项是考虑流体中的粘性剪切作用产生的热量。如果用segregatedsolver求解，默认设置并没有考虑。如果Brinkman数（TkUBre2，T是系统温度差）大于1时，粘性加热一定不能忽略。这时候一定要设置ViscousHeating选项。对于可压缩流动，一般Br1，如果还用segregatedsolver求解，一定要考虑粘性加热。如果是coupledsolver求解，粘性加热会自动考虑。Fluent求解焓方程时，组分扩散项都已经包括。用segregatedsolver求解，如果想不考虑该项，可以在组分模型面板（SpeciesModelPanel）中关闭能量扩散项。如果采用了非绝热的PDF燃烧模型，方程中并不明确出现该项，应为导热和组分扩散项合并为一项了。当用coupledsolver求解时，能量方程总会考虑该项。2.1.5化学反应源项化学反应源项如下：中国科学技术大学FLUENT讲义：第二章基本物理模型--4--jjTTjpjjreactionhRdTcMhSrefjref,,0,2－10其中，0jh是组分j的生成焓；jR是组分j生成的体积率。对于非绝热PDF燃烧模型，（2－9），生成热定义在总焓中，所以化学反应热不包含在源项中。2.1.6固体区域的能量方程在固体区域，FLUENT采用的能量方程为如下形式：qxTkxhuxhtiiii)()(2－11式中，是密度；h是显焓；k是导热系数；T是温度；q体积热源。方程左边第二项表示由于固体旋转或者平移运动热传输。方程右边两相分别为固体导热和体积热源。2.1.7固体内部导热各向异性的影响当用segregatedsolver求解时，FLUENT允许你指定材料的各向导热系数。固体导热各向异性方程形式如下：)(iijixTkx其中，ijk是导热系数矩阵。2.1.8进口热扩散进口的净能量输运包括对流和扩散两部分。指定进口温度就可以确定对流部分，但扩散项取决于计算出来的温度场梯度。因此我们不能给定扩散分量或者净能量输运。但在一些问题中，我们更希望能给定净能量输运，而不是给定进口温度。如果用segregatedsolver求解时，可以在dfine/models/energy中去掉进口能量扩散，从而达到给定净进口能量输运。但是我们用coupledsolver时，不能去掉能量扩散部分。第二节计算传热过程中用户输入如果用FLUENT计算有传热的问题时候，必须击活相关模型和提供热边界条件，并且给出材料物性。这一系列过程如下：1，击活能量面板。Define-Models-Energy2，（对于segregatedsolver）如果模拟粘性流动过程，而且要考虑粘性加热，击活ViscousHeating；Define-Models-ViscousHeating3，定义热边界条件（包括流体进口，出口和壁面）Define-BoundaryConditions。在流动进口和出口要给定温度，但壁面可以有如下边界条件选择：（1）指定热流量（2）指定温度（3）对流换热中国科学技术大学FLUENT讲义：第二章基本物理模型--5--（4）外部辐射（5）对流换热＋辐射换热4，定义材料热物性。Define-Materials.比热和导热系数都要给出，并且可以用温度函数的形式给出。2.2.1温度限制为了计算的稳定性，FLUENT对计算出来的温度给了范围限制。给定温度限制，一方面是为了计算稳定的需要，同时，真实温度也有其相应的范围。由于给定材料物性不好，或者其它原因，计算出的中间超过了物理应该达到的温度。FLUENT中，给定的最高温度5000K，最小温度1K，如果计算过程中的温度超过这个范围，那么就在这最高温度或最低温度值处锁定。如果你觉得这个限制不合理，你可以自己调节。Solve-control-limits2.2.2传热问题求解过程对于一些简单的传热过程FLUENT的默认设置可以成功进行模拟，但如果要加快你的问题的收敛速度或者提高计算过程的稳定性，下面的一些过程就比较重要了。2.2.3松弛因子确定如果用segregatedsolver求解能量方程，在solve-controls-solution处定义松弛因子。如果你采用非绝热PDF模型，也必须和通常一样设置包括温度项在内地松弛因子。在求解温度和焓时候，FLUENT默认设置能量方程松弛因子为1。在一些问题里，能量场影响流动场（物性随温度变化，或者有浮力），这时候松弛因子要小些，比如在0.8到1之间。如果流动场和温度场不是耦合的（没有随温度变化的热物性或者浮力影响），松弛因子就可以采用1。如果我们求解的是焓方程（非绝热PDF燃烧模型），温度需要设置松弛因子。焓的变化中不是所有的都用来计算温度的变化。这对于一些问题，你需要流动场焓变化快，而温度不能变化太快（影响流体热物性太快）的解决很有好处。2.2.4组分扩散项如果用segregatedsolver求解组分输运方程，如果考虑组分扩散，计算收敛会比较困难。为了提高收敛性，可以在define-models-species处取消对组分扩散的考虑。这时候组分扩散对能量的影响就被忽略了。如果我们选择coupledsolver求解，那么组分扩散一定是存在的。2.2.5耦合和非耦合流动场与温度场计算如果流动和传热不是耦合的（没有温度变化的热物性或者浮力影响），那么我们可以先求解绝热流动场，然后加进能量方程。这时候可以暂时先关闭动量或者能量方程中的一个，先求解另外的一个。Solve-controls-solution.如果流动和温度场是耦合的，你可以先求解流动方程，收敛后再击活能量方程，一起求解。需要注意的是，Coupledsolver总是同时求解流动与能量方程。中国科学技术大学FLUENT讲义：第二章基本物理模型--6--2.2.6传热计算结果输出FLUENT提供了几种传热结果的输出形式。可以以图形的形式输出，也可以用下列参数或者函数形式输出。可以输出的参数包括：静温、总温、静焓、相对总温、壁面温度（内或外表面）、总焓、总焓方差、熵、总能量、内能、表面热流量、表面换热系数、表面Nusselt数和表面stanton数。定义焓或者能量输出的参数跟求解的是可压或不可压问题有关。可以通过Report-Fluxes给出控制体的每个边界或者通过壁面的总的换热量。必须注意，要检测一下是否能量平衡，这可以检查是否求解已经收敛。也可以通过Report-surfaceIntegrals-Enthalpy给出某个边界或壁面的总的换热量。焓流率定义为AdVHQ。2－12Report-Surfaceintegrals-surfaceHeattransferCodf.(wallheatflux)可以给出某个表面