FLUENT培训教材01简介

APeraGlobalCompany©PERAChinaANSYSFLUENT培训教材第一节：CFD简介安世亚太科技（北京）有限公司APeraGlobalCompany©PERAChina什么是CFD?CFD是计算流体动力学（Computationalfluiddynamics）的缩写，是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方程组–质量守恒方程–动量守恒方程–能量守恒方程–组分守恒方程–体积力–等等CFD分析一般应用在以下阶段:–概念设计–产品的详细设计–发现问题–改进设计CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。APeraGlobalCompany©PERAChinaCFD如何工作?ANSYSCFD求解器是基于有限体积法的–计算域离散化为一系列控制体积–在这些控制体上求解质量、动量、能量、组分等的通用守恒方程–偏微分方程组离散化为代数方程组–用数值方法求解代数方程组以获取流场解Fluidregionofpipeflowisdiscretizedintoafinitesetofcontrolvolumes.EquationVariableContinuity1XmomentumuYmomentumvZmomentumwEnergyhControlVolume**FLUENTcontrolvolumesarecell-centered(i.e.theycorresponddirectlywiththemesh)whileCFXcontrolvolumesarenode-centeredUnsteadyConvectionDiffusionGenerationAPeraGlobalCompany©PERAChinaCFD模拟概览问题定义1.确定模拟的目的2.确定计算域前处理和求解过程3.创建代表计算域的几何实体4.设计并划分网格5.设置物理问题（物理模型、材料属性、域属性、边界条件…）6.定义求解器（数值格式、收敛控制…）7.求解并监控后处理过程8.查看计算结果9.修订模型ProblemIdentification1.Definegoals2.IdentifydomainPre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.SolverSettingsSolve7.ComputesolutionPostProcessing8.Examineresults9.UpdateModelAPeraGlobalCompany©PERAChina1.定义模拟目的你希望得到什么样的结果（例如，压降，流量），你如何使用这些结果？–你的模拟有哪些选择？•你的分析应该包括哪些物理模型（例如，湍流，压缩性，辐射）？•你需要做哪些假设和简化？•你能做哪些假设和简化（如对称、周期性）？•你需要自己定义模型吗？▪FLUENT使用UDF，CFX使用UserFORTRAN计算精度要求到什么级别？你希望多久能拿到结果？CFD是否是合适的工具？ProblemIdentification1.Definegoals2.IdentifydomainAPeraGlobalCompany©PERAChina2.确定计算域如何把一个完成的物理系统分割出来？计算域的起始和结束位置–在这些位置你能获得边界条件吗？–这些边界条件类型合适吗？–你能把边界延伸到有合适数据的位置吗？能简化为二维或者轴对称问题吗？ProblemIdentification1.Definegoals2.IdentifydomainDomainofInterestasPartofaLargerSystem(notmodeled)DomainofinterestisolatedandmeshedforCFDsimulation.APeraGlobalCompany©PERAChina3.创建几何模型你如何得到流体域的几何模型？–使用现有的CAD模型•从固体域中抽取出流体域？–直接创建流体几何模型你能简化几何吗？–去除可能引起复杂网格的不必要特征（倒角、焊点等）–使用对称或周期性？•流场和边界条件是否都是对称或周期性的？你需要切分模型以获得边界条件或者创建域吗？SolidmodelofaHeadlightAssemblyPre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.SolverSettingsAPeraGlobalCompany©PERAChina4.设计和划分网格计算域的各个部分都需要哪种程度的网格密度？–网格必须能捕捉感兴趣的几何特征，以及关心变量的梯度，如速度梯度、压力梯度、温度梯度等。–你能估计出大梯度的位置吗？–你需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？哪种类型的网格是最合适的？–几何的复杂度如何？–你能使用四边形/六面体网格，或者三角形/四面体网格是否足够合适？–需要使用非一致边界条件吗？你有足够的计算机资源吗？–需要多少个单元/节点？–需要使用多少个物理模型？PyramidPrism/WedgeHexahedronPre-Processing3.Geometry4.Meshing5.Physics6.SolverSettingsTriangleQuadrilateralTetrahedronAPeraGlobalCompany©PERAChina四边形/六面体还是三角形/四面体网格对沿着结构方向的流动，四边形/六面体网格和三角形/四面体网格相比，能用更少的单元/节点获得高精度的结果–当网格和流动方向一致，四边形/六面体网格能减少数值扩散–在创建网格阶段，四边形/六面体网格需要花费更多人力APeraGlobalCompany©PERAChina四边形/六面体还是三角形/四面体网格TetrahedralmeshWedge(prism)mesh对复杂几何，四边形/六面体网格没有数值优势，你可以使用三角形/四面体网格或混合网格来节省划分网格的工作量–生成网格快速–流动一般不沿着网格方向混合网格一般使用三角形/四面体网格，并在特定的域里使用其他类型的单元–例如，用棱柱型网格捕捉边界层–比单独使用三角形/四面体网格更有效APeraGlobalCompany©PERAChina多域（或混合）网格多域或混合网格在不同的域使用不同的网格类型，例如–在风扇和热源处使用六面体网格–在其他地方使用四面体/棱柱体网格多域网格是求解精度、计算效率和生成网格工作量之间的很好的平衡手段当不同域直接的网格节点不一致时，需要使用非一致网格技术。ModelcourtesyofROIEngineeringAPeraGlobalCompany©PERAChina非一致网格对复杂几何体，非一致网格很有用–分别划分每一个域，然后粘接在其他情况下，也使用非一致网格界面技术–不同坐标系之间–移动网格Non-conformalinterface3DFilmCoolingCoolantisinjectedintoaductfromaplenum.TheplenumismeshedwithtetrahedralcellswhiletheductismeshedwithhexahedralcellsCompressorandScrollThecompressorandscrollarejoinedthroughanonconformalinterface.ThisservestoconnectthehexandtetmeshesandalsoallowsachangeinreferenceframeAPeraGlobalCompany©PERAChina设置物理问题和求解器对给定的问题，你需要–定义材料属性•流体•固体•混合物–选择合适的物理模型•湍流，燃烧，多相流等。–指定操作条件–指定边界条件–提供初始值–设置求解器控制参数–设置监测收敛参数Forcomplexproblemssolvingasimplifiedor2Dproblemwillprovidevaluableexperiencewiththemodelsandsolversettingsforyourprobleminashortamountoftime.Pre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.SolverSettingsAPeraGlobalCompany©PERAChina求解通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛以下情况达到收敛：–两次迭代的流场结果差异小到可以忽略•监测残差趋势能帮助理解这个差异–达到全局守恒•全局量的平衡–感兴趣的量（如阻力、压降）达到稳定值•监测感兴趣量的变化.收敛解的精度和以下因素有关：–合适的物理模型，模型的精度–网格密度，网格无关性–数值误差Aconvergedandmesh-independentsolutiononawell-posedproblemwillprovideusefulengineeringresults!Solve7.ComputesolutionAPeraGlobalCompany©PERAChina查看结果查看结果，抽取有用的数据–使用可视化的工具能回答以下问题:•什么是全局的流动类型？•是否有分离？•激波、剪切层等在哪儿出现？•关键的流动特征是否捕捉住了？–数值报告工具能给出以下量化结果：•力、动量•平均换热系数•面积分、体积分量•通量平衡Examineresultstoensurepropertyconservationandcorrectphysicalbehavior.Highresidualsmaybecausedbyjustafewpoorqualitycells.PostProcessing8.Examineresults9.UpdateModelAPeraGlobalCompany©PERAChina修订模型这些物理模型是否合适？–流动是湍流的吗？–流动是非稳态的吗？–是否有压缩性效应？–是否有三维效应？这些边界条件是否合适？–计算域是否足够大？–边界条件是否合适？–边界值是否是合理的？网格是否是足够的？–加密网格能否提高精度？–网格是否有无关性？–是否需要提高网格捕捉几何的细节PostProcessing8.Examineresults9.UpdateModelAPeraGlobalCompany©PERAChinaFLUENT中的物理模型流动和传热–动量、质量、能量方程–辐射湍流–雷诺平均模型(Spalart-Allmaras,k–ε,k–ω,雷诺应力模型)–大涡模拟(LES)和分离涡模拟(DES)组分输运体积反应–Arrhenius有限速率化学反应–湍流快速化学反应•涡耗散,非预混,预混，局部预混–湍流有限速率反应•EDC,laminarflamelet,compositionPDFtransport–表面化学反应PressureContoursinNear-GroundFlightTemperatureContoursforKilnBurnerRetrofitAPeraGlobalCompany©PERAChinaFLUENT中的物理模型多相流模型–离散相模型(DPM)–VOF–Mixtures–Eulerian-EulerianandEulerian-granular–Liquid/Solidandcavitationphasechange动网格–Movingzones•Singleandmultiplereferenceframes(MRF)•Mixingplanemodel•Slidingmeshmodel–Movinganddeforming(dynamic)mesh(MDM)用户定义标量输运方程PressureContoursinaSquirrelCageBlower(CourtesyFordMotorCo.)GasoutletOi