数值计算与工程仿真3

清洁能源论坛通讯—CFD专刊第三期2005-4-6清洁能源论坛CFD讨论区通讯清洁能源论坛数值计算与工程仿真技术研究院清洁能源技术论坛数值计算与工程仿真技术研究院清洁能源论坛通讯—CFD专刊第三期2005-4-6目录一、基本概念介绍：边界条件与初始条件假扩散交错网格边界层网格湍流附加切应力虚拟质量力牛顿流体与非牛顿流体二、实际问题解决：1.FLUENT使用的文件类型2.FLUENT使用的单位制３.在Gambit中指定边界类型4.软件安装步骤三、讨论区精选：[论坛讨论]关于壁面函数[论坛讨论]如何将ｃａｄ2004图形导入gambit.如何设ｃａｄ的环境变量关于动网格问题网格生成软件Gridgen，Gambit，IcemCFD的比较清洁能源技术论坛数值计算与工程仿真技术研究院清洁能源论坛通讯—CFD专刊第三期2005-4-6基本概念介绍：边界条件与初始条件边界条件与初始条件是控制方程有确定解的前提。边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律。对于任何问题，都需要给定边界条件。初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况，对于瞬态问题，必须给定初始条件，稳态问题，则不用给定。对于边界条件与初始条件的处理，直接影响计算结果的精度。在CFD模拟时，基本边界条件有：1.流动进口边界包括速度进口边界，压力进口边界，质量进口边界（可压流动）。在使用流动进口边界时，需要涉及到某些流动参数，如绝对压力，湍动能及耗散率，这些参数要做特殊考虑。关于参考压力，在流场数值计算中，压力总是按相对值表示的，实际求解的压力并不是绝对值，而是相对于进口压力而言的。在有些情况下，可以通过设定进口压力为0，求解其他点的压力。还有时，为了减小数字截断误差，往往故意抬高或降低参考压力场的值，可使其余各处的计算压力场与整体数值计算的量级相吻合。2.流动出口边界一般选在离几何扰动足够远的地方来施加。在这样的位置，流动是充分发展的，沿流动方向没有变化。该边界只有在进入计算域的流动是以进口边界条件给定时才使用，而且在只有一个出口的计算域中使用。3.给定压力边界在流动分布的详细信息未知，但边界的压力值已知的情况下，使用恒压边界条件。应用该边界条件的典型问题包括：物体外部绕流，自由表面流，自然通风及燃烧等浮力驱动流和有多个出口的内部流动。4.壁面边界对于湍流计算，在近壁面区，要用壁面函数来做处理。壁面函数法的前提是：流动平行于壁面而且只在垂直壁面的方向变化，流动方向不存在压力梯度，壁面处不存在化学作用，雷诺数足够大。若这些条件之一不满足，则使用壁面函数法的预测精度会大大降低，甚至完全不可用。清洁能源技术论坛数值计算与工程仿真技术研究院清洁能源论坛通讯—CFD专刊第三期2005-4-65.对称边界在对称边界上，垂直边界的速度取为0，而其他物理量的值在该边界内外是相等的，即计算域外紧邻边界的节点的值等于对应的计算域内紧邻边界的节点的值。6.周期性（循环）边界流出循环边界出口的所有流动变量的通量等于进入循环边界的对应变量的通量。使用边界条件要注意的地方：①选择合理的边界条件，边界条件的4种组合方式：只有壁面，壁面、进口和至少一个出口，壁面、进口和至少一个恒压边界，壁面和恒压边界。②为得到准确的结果，出口边界位置的选取要位于最后一个屏障物后10倍于屏障高度或更远的位置。③近壁面网格。要保证壁面函数法有效，就需要使离壁面最近的一内节点位于湍流的对数律层中，即y+必须大于11.63，这就相当于给最靠近壁面的网格到壁面的距离△yp设定了一个下限。初始条件在瞬态问题中，除了要在计算开始之前初始化相关的数据外，不需要其他特殊处理。给定初始条件时要注意的是：要针对所有计算变量，给定整个计算域内各单元的初始条件；初始条件一定是物理上合理的，要靠经验或实测结果。假扩散任何数值计算的格式总会引起误差，对流-扩散方程中的一阶导数项（对流项）的离散格式的截断误差小于二阶而引起较大的数值计算误差的现象称为假扩散。除了非稳定项和对流项的一阶导数离散可以引起假扩散外，流动方向与网格线呈倾斜交叉（多维问题）也会引起假扩散。因此在划分网格的时候，要尽量避免。交错网格所谓交错网格，是指将速度分量与压力在不同的网格系统上离散。使用交错网格的目的，是为了解决在普通网格上离散控制方程时给计算带来严重问题。交错网格是SIMPLE算法实现的基础。交错网格将标量（如压力，温度和密度）在正常网格节点上存储和计算，而将速清洁能源技术论坛数值计算与工程仿真技术研究院清洁能源论坛通讯—CFD专刊第三期2005-4-6度的各分量分别在错位后的网格上存储和计算，错位后网格的中心位于原控制体积大界面上。二维问题，就有三套不同的网格系统分别存储p,u和v,对于三维问题，就有四套网格系统，分别用于存储p,u，v和w。边界层网格CFD计算对计算网格有特殊的要求，一是考虑到近壁粘性效应采用较密的贴体网格，二是网格的疏密程度与流场参数的变化梯度大体一致。对于面网格，可以设置平行于给定边的边界层网格，可以指定第二层与第一层的间距比，及总的层数。对于体网格，也可以设置垂直于壁面方向的边界层，从而可以划分出高质量的贴体网格。Gambit中提供专门的边界层网格画法。湍流附加切应力在《数值传热学》里讲到湍流粘性系数法时有提到这个概念，但没有明确的解释。湍流粘性系数法就是将湍流应力表示成湍流粘性系数，计算的关键就转化为求解这种湍流粘性系数。根据Boussinesq的假设，将湍流脉动所造成的附加应力与时均的应变率联系起来。根据层流时的流体应力与应变率的本构方程构造出湍流脉动时的方程。从而又引出两个概念——k,ηt,其中k表示的是单位质量流体的湍流脉动动能。ηt就是湍流粘性系数，是空间坐标的函数，取决于流动状态。所谓湍流模型，就是把ηt与湍流时均参数联系起来的关系式。依据确定ηt的微分方程的个数的多少，又有所谓零方程模型，一方程模型及两方程模型等。虚拟质量力对多相流动，当第二相相对于主相加速时，FLUENT包含虚拟质量的影响。主相质量的惯性遇到加速的粒子（或液滴或气泡）对粒子施加一个虚拟质量力。下式是其定义式：如果第二相的密度远远“大于”主相的密度时，虚拟质量力的影响是可以忽略的。缺省的情况是忽略它的。请看下面的这段英文帮助。清洁能源技术论坛数值计算与工程仿真技术研究院清洁能源论坛通讯—CFD专刊第三期2005-4-6牛顿流体与非牛顿流体依据内摩擦剪应力与速度变化率的关系不同，粘性流体又分为牛顿流体和非牛顿流体。牛顿内摩擦定律表示：流体内摩擦剪应力和单位距离上的两层流体间的相对速度成比例。比例系数µ称为流体动力粘度，常简称为粘度。它的值取决于流体的性质、温度和压力大小。若µ为常数，则称为牛顿流体，否则为非牛顿流体。空气、水等均为牛顿流体；聚合溶液、含有悬浮粒杂质或纤维的流体为非牛顿流体。应用方面1.FLUENT使用的文件类型使用Fluent时，涉及到多种类型的文件，Fluent读入的文件类型包括grid,case,data,profile,scheme及journal文件，输出的文件类型包括case,data,profile,journal以及transcript等。Fluent还可以保存当前窗口的布局以及保存图形窗口的硬拷贝。下面对其中几种文件进行介绍：Grid（网格文件），扩展名为msh，包含所有节点的坐标及节点之间的连接性信息，不包括边界条件，流动参数或解的参数。Grid文件可由GAMBIT,TGrid等生成。Case(案例文件)，扩展名为cas，包括网格，边界条件，解的参数，用户界面和图形环境的信息。这是Fluent中的基本文件之一，是核心文件。将网格导入Fluent清洁能源技术论坛数值计算与工程仿真技术研究院清洁能源论坛通讯—CFD专刊第三期2005-4-6后，便可选择File菜单中的相关命令生成该文件。一般来讲，用户只要保留这个文件，一个完整的CFD模型就掌握在自己手中了。Data（数据文件），扩展名为data，包含每个网格单元的流场值以及收敛的历史纪录（残差值），该文件时Fluent中的基本文件之一，用户可随时调用该文件查看计算结果。Profile（边界信息文件），扩展名用户自定义，用于记录指定边界区域上的流动情况。Journal（日志文件），扩展名用户自定义，用于记录用户输入过的各种命令。2..FLUENT使用的单位制Fluent提供英制、国际单位制（SI）和厘米-克-秒制（ＣＧＳ）等单位制，这些单位制之间可以互相转换。但Fluent规定，对于边界特征，源项、自定义流场函数、外部创建的Ｘ－Ｙ图散点图的数据文件数据，必须使用国际单位制。对于网格文件，不管在创建时用的是什么单位制，在被读入到Fluent时，都假定为是用国际单位制，因此导入网格文件后，要对网格尺寸进行一定的缩放处理。３．在Gambit中指定边界类型在Gambit中画好网格之后，要根据不同的情况选择不同的求解器。每一种求解器都提供了多种类型的边界。使用FLUENT5/6时，提供的边界如下所示：清洁能源技术论坛数值计算与工程仿真技术研究院清洁能源论坛通讯—CFD专刊第三期2005-4-6在使用FLUENT４时，提供的边界如下所示：清洁能源技术论坛数值计算与工程仿真技术研究院清洁能源论坛通讯—CFD专刊第三期2005-4-6比较FLUENT４和FLUENT5/6，提供的边界有很大的区别，FLUENT5/6在原有基础上完善了很多，因此解决实际问题时要根据要解的问题选择合适的求解器，设定边界。4.软件安装步骤：对于初学者来说，什么都是陌生的。对Fluent的安装问题，有些才接触的人还是没有经验。因此在此多啰嗦几句，望高手们见谅！step1:首先安装exceed软件，推荐是exceed6.2版本，再装exceed3d,按提示步骤完成即可，提问设定密码等，可忽略或随便填写。清洁能源技术论坛数值计算与工程仿真技术研究院清洁能源论坛通讯—CFD专刊第三期2005-4-6step2:点击gambit文件夹的setup.exe，按步骤安装；step3:FLUENT和GAMBIT需要把相应license.dat文件拷贝到FLUENT.INC/license目录下；step4：安装完之后，把x:\FLUENT.INC\ntbin\ntx86\gambit.exe命令符拖到桌面（x为安装的盘符）；step5:点击fluent源文件夹的setup.exe，按步骤安装；step6:从程序里找到fluent应用程序，发到桌面上。注：安装可能出现的几个问题：1.出错信息“unablefind/openlicense.dat，第三步没执行；2.gambit在使用过程中出现非正常退出时可能会产生*.lok文件，下次使用不能打开该工作文件时，进入x:\FLUENT.INC\ntbin\ntx86\，把*.lok文件删除即可；3.安装好FLUENT和GAMBIT最好设置一下用户默认路径，推荐设置办法，在非系统分区建一个目录，如d:\usersa）win2k用户在控制面板－用户和密码－高级－高级，在使用fluent用户的配置文件，修改本地路径为d:\users，重起到该用户运行命令提示符，检查用户路径是否修改；b）xp用户，把命令提示符发送到桌面快捷方式，右键单击命令提示符快捷方式在快捷方式－起始位置加入D:\users,重起检查。[论坛讨论]关于壁面函数问：在Fluent计算中经常会用到壁面函数，我看了一些帮助，但是仍然对这个概念很模糊，我想知道咱们用的壁面函数里是不是不论计算什么Fluent里都要采用的，这个壁面函数需要认为定义嘛？有的时候在Fluent的例子里后处理用到过壁面函数，显示关于这个函数的一些参数有什么实际意义呢？甲：壁面函数是对某些湍