第9章 材料性质

1第9章材料性质本章重点介绍应用Fluent软件进行流体计算过程中，非常关键的一个步骤——流体材料的设定，包括物性参数的计算方程和详细的参数设定过程。本章也简要介绍关于多相流模型（VOF模型、混合物模型、欧拉模型）等参数的设定，包括各模型中物质物性参数的设定。读者通过学习本章，可以掌握在Fluent6.1软件里调用数据库里已有的物性参数，和改变、添加自己的物性参数的方法和技巧。9.1物性参数设定简介在建立数学模型中非常关键的一步便是正确设定所研究物质的物性参数。在Fluent6.1里，物性参数的设定是在Materials（材料）面板中完成的。Materials（材料）面板如图9-1。在面板中需要设定的参数包括：（1）密度和（或）分子量。（2）粘度。（3）比热。（4）热传导系数。（5）质量扩散系数。（6）标准状态下的焓。（7）分子动力论参数。这些参数可以是温度或组成函数，而温度和组元的变化方程可以是多项式函数、阶梯函数或分段多项式函数。Fluent设置流体物性的这个特点给计算带来很大方便，尤其是在温度场的变化非常复杂，物性参数很难用单个函数来表示的情况下尤其如此。单个组元物性参数的变化可以由用户指定或者由分子动力论确定。Materials（材料）面板会显示已被激活的物质所有需要设定的物性参数。需要注意的是，如果用户定义的属性需要用能量方程来求解（例如用理想气体定律求密度，用温度函数求粘度），Fluent软件会自动激活能量方程。在这种情况下必须要设定材料的热力学条件和其他相关参数。对于固体材料来说，需要定义材料的密度、热传导系数和比热。如果模拟半透明物质，还需要设定物质的辐射属性。固体物质热传导系数的设置很灵活，既可以是常数值，也可2以是随温度变化的函数，甚至由用户自定义函数（UDF，UserDefinedFunction）来定义。图9-1Materials（材料）面板如果使用分离求解器，除非在模拟非定常流或者运动的固体区域，对于固体材料可以不需定义其密度和比热。对于定常流来说，固体材料列表中也会出现比热一项，但是该值只被用于焓的后处理程序中，计算时并不需要它。9.1.1材料类型在Fluent软件中，流体和固体的物理性质与指定的材料（materials）相关——在计算时指定材料的名称便相应指定了该材料所对应的物性参数，这些物性参数随即作为边界条件被设定在相应的网格分区上。在计算组元输运问题时，需要定义一种包含所有组元在内的混合物材料。除了混合物的物性参数需要设定外，还需要设定混合物中每种组元的物性参数，当然3这些混合物及其组元都属于流体材料。在使用弥散相模型时，还可以定义附加的物性参数。在FLUENT中有一些预先定义好的混合物材料，比如空气、煤油等等，如果在计算中需要改变这些材料中包含的组元，或改变组元的性质时，也可以通过Materials（材料）面板进行修改。物性参数值的设定可以从零开始，完全由用户设定，也可以通过编辑FLUENT软件中提供的材料数据库进行扩充（见9.1.4节）。需要特别强调的是，所有设定的物性参数会保存在case文件中，这样下次即使选用新的求解器计算，只要调用该case文件便不需要重新输入材料数据。9.1.2材料面板材料面板如图9-1所示，使用这个面板可以创建新材料或复制、修改现有材料的物性参数。单击Define（定义）菜单下的materials…（材料）便可以打开材料面板。本节重点介绍一般物性参数的设定，对于随温度变化的物性参数的设定在下节中有详细讲解。在默认情况下，materials（材料）列表仅包括一种流体物质air（空气）和一种固体物质aluminium（铝）。如果要计算的流体物质恰恰是空气，那么可以直接使用默认的物性参数，当然也可以修改后再使用。但绝大多数情况下，我们都需要从数据库中调用其他的物质或者定义自己的物质。举一个简单的例子，如果要研究的流体是水，那么可以有两种选择，一种是从数据库中调用现有的材料数据，并且根据需要决定是否修改其物性参数如密度、粘度等；另一种方法则是建立自己全新的水，并定义其所有的物性参数。混合物物质只有在激活组元运输方程后才会出现。与此类似，惰性颗粒、液滴和燃烧颗粒在引入弥散相模型之前是不会出现的。但在一个混合物的数据从数据库中加载进来时，它所包含的所有组元的流体材料（组元）将会自动被复制。1.修改现有材料的材料属性在绝大多数情况下都是从数据库中加载已有的材料数据，然后根据实际情况和计算需要修改材料的物性参数。修改物性参数的工作，必须在材料面板中完成，其步骤如下：（1）在MaterialType（材料类型）下拉菜单中选择材料的类型（流体或固体）。（2）根据（1）的选择，在FluidMaterials（流体材料）或SolidMaterials（固体材料）的下拉菜单中选定要改变物性的材料。（3）根据需要修改在Properties（性质）框中所包含的各种物性参数。如果列出的物4性参数种类太多，则需要拖动滑动条以显示所有的物性参数。在完成修改后，单击Change/Create（修改/创建）按钮，新的物性参数便被设定了。要改变其他材料的物性参数只要重复前面步骤便可，但每种材料的物性参数修改完毕后，都要单击Change/Create（修改/创建）按钮进行确认。2．重命名已有材料所有的材料都是通过材料名称和分子式来区分的。除自行创建的物质外，现有材料数据中只有材料名称可以改变，但却不能改变他们的分子式。通过下面的步骤可以改变一种材料的名称：（1）与改变物性参数一样，首先在MaterialType下拉菜单中选择材料的类型（流体或固体）。（2）根据第一步的选择，在FluidMaterials或SolidMaterials的下拉菜单中选定要修改物性的材料。（3）在面板顶部的Name（名称）框中输入新的名称。（4）单击Change/Create（修改/创建）按钮，这时会弹出一个问题对话框，如图9-2。图9-2问题对话框（5）选择Yes（是）便完成了更改材料名称的工作。采用同样的方法可以更改其他材料的名称，每次更改完成后单击Change/Create（修改/创建）按钮进行确认。3．从数据库中复制材料材料数据库中包含许多常用的流体、固体和混合物材料。调用这些材料的步骤非常简单，要做的仅仅是从数据库中把它们复制到当前的材料列表中。复制材料应采取以下步骤：（1）单击材料面板的Database...（数据库）按钮打开DatabaseMaterials（材料数据库）面板，如图9-3所示。5（2）在MaterialType下拉菜单中选择材料的类型（流体或固体）。（3）根据（1）的选择，在FluidMaterials或SolidMaterials的下拉菜单中选定要复制的材料，该材料的各种参数随即显示在属性（Properties）框中。（4）可以拖动滚动条检查材料的所有参数。对于某些参数，除了用常值定义外，也可以用温度的函数形式加以定义。具体采用哪种定义形式，可以从物性右边的下拉列表中选择。具体设置方法，请参见后续章节的详细介绍。（5）单击Copy（复制）按钮，完成复制工作。图9-3材料数据库面板6重复上述步骤可以复制其他的材料，复制工作全部完成时单击close（关闭）按钮关闭材料数据库面板。一旦将材料从数据库中复制完成，就可以如前面所讲的一样修改其物性参数，而且为了保持数据库的准确性，任何修改都不会影响原数据库里物性参数的数值。4．创立新的物质在数据库中没有我们要用的材料的情况下，我们可以创建该物质。步骤如下：（1）在MaterialType（材料类型）下拉列表中选择新材料的种类（流体或固体）。（2）在Name（名称）框中输入新材料的名称。（3）在properties（属性）框中，设定物质的属性.（4）单击Change/Creat（改变/创建）按钮。系统会弹出一个问题对话框，询问是否覆盖原有材料（即创立新材料前，材料面板显示的材料！）。选择No（否），系统会添加新材料，并保持原材料。接着会弹出另外一个面板，要求输入新材料的分子式。如果已知则输入，否则保持空白并单击OK按钮。在上述步骤完成后面板会显示新的材料。5．保存材料及其物性参数所有的材料及其物性参数都会保存在算例文件（.cas文件）中。如果在新的任务中，读入该算例文件，则所有的材料及其物性参数都会被读入。6．删除材料如果材料列表中有不再使用的材料，执行以下步骤可以将其删除：（1）在材料类型下拉菜单中选择材料类型（流体或固体）。（2）选择要删除的材料。（3）单击Delete（删除）按钮完成删除。在当前列表中删除材料，不会影响到数据库数据。7．改变材料列表顺序在默认状态下，当前列表及数据库中的材料都是按照名称顺序排列。如果想按照分子式排列，则在OrderMaterialsBy（材料排序方式）菜单下，选择ChemicalFormula（分子式）即可。需要说明的是，材料面板与材料数据库中材料的排列方式可以有所不同，比如材料面板中可以用名称排列，材料数据库中却可以用分子式排列。79.1.3用温度方程定义物性参数材料属性可以用多项式、阶梯函数或者分段多项式等形式定义为温度的函数：多项式函数：()...2321+++=TATAATφ（9-1）阶梯函数：()()nnnnnnTTTTT−−−+=++11φφφφ（9-2）其中1nN≤≤，N为分段数。分段多项式函数，对于时间段1：()...:23211max,1min,+++=TATAATTTTφ（9-3）对于时间段2：()...:23212max,2min,+++=TBTBBTTTTφ（9-4）注意：如果用温度的多项式函数或者分段多项式函数定义参数，其中的温度单位必须是Kelvin（开氏温度）或者Rankine（兰氏温度）。如果使用的是Celsius（摄氏温度）或者Kelvin（开氏温度）作为温度单位，则相应的多项式系数要用Kelvin（开氏温度）进行设置。如果使用Fahrenheit（华氏温度）或者Rankine（兰氏温度）作为温度单位，则相应的多项式系数要用Rankine（兰氏温度）单位进行设置。除了上述三种函数形式外，一些材料性质还可以用其他函数形式定义，另外一些材料性质则只能用这三种函数中的一到二种函数加以定义。1．多项式函数的输入执行以下步骤，便可以定义物性为温度的多项式函数：（1）在材料面板物性参数右边的下拉菜单中选择polynomial（多项式），系统会自动弹出PolynomialProfile（多项式曲线）面板如图9-4。（2）确定多项式系数个数（Coefficients），昀多可输入8个。默认的数字1定义方程为0阶的。物性将会是常数值，它等效于输入单个系数A1，输入2对应于1阶函数，物性将是温度的线性函数，依此类推。（3）确定系数值，系数1、2、3与方程9-1-1中的A1、A2、A3对应。图9-4中的输入8定义了如下方程：()TT02.01000−=ρ（9-5）图9-4PolynomialProfile（多项式曲线）面板2．阶梯函数的输入执行如下步骤，可以定义多段线性温度函数：（1）材料面板中，在物性名称右边的下拉菜单中选择piecewise-linear（阶梯函数），系统会自动弹出PolynomialProfile（阶梯函数曲线）面板，如图9-5。图9-5Piecewise-LinearProfile（阶梯函数曲线）面板9（2）定义阶梯函数分段的点数。（3）在对应的数据点（datapoints）下，输入成对的数据值。首先输入点1的自变量和因变量数值，然后增加点的个数并且输入相应的数据值。数据值必须按温度递增的次序输入，Fluent是不会自动排序的！每种属性昀多可输入30个点。图9-5所示便是如图9-6的函数输入完成后的阶梯函数面板的样子。图9-6定义阶梯函数粘度μ（T）3．分段多项式函数的输入分段多项式函数的定义也非常简单，只要执行以下步骤便可以了。（1）材料面板中，在物性名称右边的下拉菜单中选择piecewise-polynomial（多段多项式），系统会自动弹出Polynomi