CFD介绍-刘霞

CFD软件介绍——Fluent的应用刘霞2012.11.281主要内容CFD基础应用发展历史基本功能基本方程FLUENT结构GIMBIT软件FLUENT软件题例2概念CFD是ComputationalFluidDynamics的缩写，即计算流体力学。CFD通过计算机进行数值模拟，分析流体流动和传热等物理现象。通过CFD技术，我们可以利用计算机分析并显示流场中的现象。自1981年来，出现了FLUENT、CFX、STAR-CD、FIDAP和PHOENICS等CFD软件。3广泛应用CFD技术广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、等诸多工程领域。航空航天器的气动分析汽车外部流场及内部环境的分析4船舶航行流动分析广泛应用发动机模拟及燃烧分析5旋转机械流到流动分析化工容器的流固耦合分析建筑物的饶流及受力分析广泛应用6发展历程1975年谢菲尔德大学（UK）开发了Tempest1983年美国的流体技术服务公司creature推出fluent1988年FluentInc.成立1995年收购最大对手FDI公司（FIDAP）1997年收购Polyflow公司（粘弹性和聚合物流动模拟）2006年被ANSYS收购在被ANSYS收购后为6.3版本2009年6月发布12.0版本2010年底发布13.0版本2011年底发布14.0版本7FLUENT的基本功能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；惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟；化学组分混合与反应；可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项；用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒，水滴，气泡等）；8FLUENT基本方程和本质基本方程质量守恒：动量守恒：能量守恒：0)()()(zuyuxutzyxxzxyxxxxxfzyxxpuutu)()(yzyyyxyyyfzyxypuutu)()(zzzyzxzzzfzyxzpuutu)()(heffjjjeffSuJHTkupEtE)]([])[()(根本来讲，CFD求解的本质就是解方程。9FLUENT软件结构GAMBIT设置几何形状生成2D或3D网格其它软件包，如CAD，CAE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10GIMBIT软件GIMBIT软件工作界面11GAMBIT网格划分12GIMBIT边界条件设定13FLUENT软件14求解器选择（1）FLUENT求解器：(1)FLUENT2d——二维单精度求解器；(2)FLUENT3d——三维单精度求解器：(3)FLUENT2ddp——二维双精度求解器；(4)FLUENT3ddp——三维双精度求解器。15求解器选择（2）FLUENT中有两种求解器–压力基和密度基。压力基求解器以动量和压力为基本变量。密度基耦合求解器以矢量方式求解连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程。16求解器选择（3）17求解模型选择模型特点及适用范围S-A模型大网格低成本湍流模型，适用于模拟中等复杂的内流和外流以及压力梯度下的边界层流动k-ε模型标准优缺点明确，适用于初始迭代、设计选型和参数研究重整化适用于涉及快速应变、中等涡和局部转捩的复杂剪切流动可实现计算精度高于重整化k-ε模型标准k-ω模型在模拟近壁面边界层、自由剪切和低雷诺数流动时性能更好。可以用于模拟转捩和逆压梯度下的边界层分离(空气动力学中的外流模拟和旋转机械)SSTk-ω模型与标准k-ω模型性能类似，对壁面距离的依赖使得它不适合于模拟自由剪切流动。RSM模型基于雷诺平均的湍流模型，避免各向同性涡粘性假设，需要较多的CPU时间和内存消耗，适用于模拟强漩涡流等复杂三维流动LES模型适用于模拟瞬态的大尺度涡18离散格式在对指定问题进行CFD计算之前，首先要将计算区域离散化，即对空间上连续的计算区域进行划分，把它划分成许多个子区域，并确定每个区域中的节点，从而生成网格。然后将控制方程在网格上离散，即将偏微分方程格式的控制方程转化为各个节点上的代数方程组，然后求解离散方程组，得到各个节点上的解。节点之间的近似解，一般认为光滑变化，原则上可以应用插值方法确定，从而得到整个计算域上的近似解。这种插值方式被称为离散格式（discrezitationscheme）19离散格式离散格式稳定性及稳定条件精度与经济性中心差分条件稳定Pe≤2在不发生振荡的参数范围内，可以获得校准确的结果。一阶迎风绝对稳定虽然可以获得物理上可接受的解，但当Pe数较大时，假扩散较严重。为避免此问题，常需要加密计算网格。二阶迎风绝对稳定精度较一阶迎风高，但仍有假扩散问题。混合格式绝对稳定当Pe≤2时，性能与中心差分格式相同。当Pe2时，性能与一阶迎风格式相同。指数格式绝对稳定主要适用于无源项的对流扩散问题，对有非常数源项的场合，当Pe数较高时有较大误差。QUICK格式条件稳定Pe≤8/3可以减少假扩散误差，精度较高，应用较广泛，但主要用于六面体和四边形网格。改进的QUICK格式绝对稳定性能同标准QUICK格式，只是不存在稳定性问题。20离散格式的选择21初始化设置FLUENT要求所有的求解变量有初始值更真实的初值能提高收敛稳定性，加速收敛过程.有些情况需要一个好的初值22边界条件的设定速度进口边界条件（velocity-inlet）：给出进口速度及需要计算的所有标量值。该边界条件适用于不可压缩流动问题。23边界条件的设定压力进口边界条件（pressure-inlet）：压力进口边界条件通常用于给出流体进口的压力和流动的其它标量参数，对计算可压和不可压问题都适合。24其他边界条件质量流量进口边界条件(mass-flow-inlet)：给定入口边界上的质量流量。主要用于可压缩流动问题，对于不可压缩问题，由于密度是常数，可以使用速度入口条件。如果压力边界条件和质量边界条件都适合流动时，优先选择用压力进口条件。压力出口边界条件(pressure-outlet)：需要给定出口静压（表压）。而且，该压力只用于亚音速计算。如果局部变成超音速，则根据前面来流条件外推出口边界条件。需要特别指出的是，这里的压力是相对于前面给定的工作压力。自由流出边界条件(outflow):不知道流出口的压力或者速度，这时候可以选择流出边界条件。固壁边界条件（wall）:对于粘性流动问题，Fluent默认设置是壁面无滑移条件。25迭代计算及结果26Y型气化炉热模实验台Y型气化炉冷模实验台Y型气化炉GAMBIT中模型4题例——Y型气化炉炉内数值建模及热态过程模拟27Y型气化炉计算区域图简化喷嘴放大图为计算简化及准确，本文进行CFD数值计算的物理模型为Y型气化炉炉内二维空间。不仅可以简化模型网格划分，且作为气化炉关键设备的雾化喷嘴的复杂结构简化为三段入气通道，计算量控制在合理范围保证计算的相对精度。4Y型气化炉炉内数值建模及热态过程模拟28模拟计算各过程参数设置4Y型气化炉炉内数值建模及热态过程模拟29Y型气化炉炉内数值建模及热态过程模拟启动组分输运与化学反应模型，规定反应类型为体积反应，选中Eddy-Dissipation，启动涡耗散模型，并选择混合组分为methane-air。在进行以上设置后，已选组分列表中从上到下依次设置为甲烷、氧气、二氧化碳、水和氮气，满足质量分数逐渐增加的规律。设置材料的比热。在MaterialType为fluid的条件下，设置各组分的比热为分段多项式形式。出口压力为定压0Pa，设置壁面为定温边界，温度为300K。同一喷嘴中，含甲烷质量分数为100%的甲烷气喷入速度为与含氧气质量分数为23%的空气喷入速度相等。炉侧两喷嘴甲烷气速40m/s，空气气速为40m/s；炉顶喷嘴甲烷气速与空气气速相等，先后分别为20、40、80、120m/s，进行Fluent模拟计算，分布得到Y型气化炉内温度分布、速度矢量分布、湍流强度分布及产物质量浓度分布结果。30Y型气化炉炉内热态过程模拟模拟计算结果及分析温度场分布温度分布趋势基本一致，炉膛中心温度最高；随着顶喷速度增加，炉内温度场下部炉膛温度增加明显，炉膛整体温度分布更加均匀。31Y型气化炉炉内热态过程模拟湍流强度分布湍流分布趋势基本一致，炉内轴线两侧湍流强度最大；随着顶喷速度增加，炉内整体湍流强度增加。32Y型气化炉炉内热态过程模拟速度矢量分布速度分布趋势基本一致，炉膛轴线最高；随着顶喷速度增加，炉内中心炉膛出部分粒子速度过大，在炉膛内停留时间短，可能引起粒子炉内短路现象。33Y型气化炉炉内热态过程模拟产物浓度分布产物浓度分布趋势基本一致；随着顶喷速度增加，炉内产物浓度增加，分布更加均匀。3435