计算流体动力学(CFD)简介【稻谷书苑】

一、计算流体动力学（CFD）简介二、FLUENT 概述1教育教学 计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值模拟计算和图象显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD计算的基本思想：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场，温度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程（称为离散方程），求解所建立起来的代数方程以获得所求变量的近似值。一一 计算流体动力学（计算流体动力学（CFDCFD）简介）简介2教育教学 根据控制方程离散方式，分为 有限差分法（FDM）有限元法（FEM）有限分析法（FAM）有限体积法或者控制体积法（FVM或CVM）。有限体积法导出的离散方程可以保证守恒特性，而且离散方程的系数物理意义明确，是目前计算流体力学中应用最广的一种方法。3教育教学优势1.可得流动问题满足工程需要的数值解2.可利用计算机进行各种数值试验局限性1.是一种离散近似算法2.需充分了解所求解问题3.程序编制、正确使用等要求较高CFDCFDCFDCFD特点特点特点特点4教育教学CFDCFDCFDCFD基本计算过程基本计算过程基本计算过程基本计算过程控制方程数值算法划分网格离散格式初始条件边界条件结果和分析求解控制参数5教育教学2.1 Fluent的工程应用背景 Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，只要涉及流体，热传递，及化学反应等的工程问题，都可以用Fluent进行解算。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法及强大的前后处理功能，在航天航空、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。Fluent能够解决的工程问题可以归纳为以下几个方面：1.采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和三维流动问题。计算过程中，网格可以自适应。2.可压缩与不可压缩流动问题。3.稳态和瞬态流动问题。4.无粘流、层流及湍流问题。5.牛顿流体及非牛顿流体。6.对流换热问题（包括自然对流和混合对流）。二 Fluent 概述6教育教学 7.导热与对流换热耦合问题。8.辐射换热。9.惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。10.多运动坐标系下的流动问题。11.化学组分混合与反应。12.可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项。13.用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒、水滴、气泡等）。14.多孔介质流动。15.一维风扇、热交换器性能计算。16.两相流问题。17.复杂表面形状下的自由面流动。7教育教学2.2软件包相关知识2.2.1 Fluent软件的组成 Fluent软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动和物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使设计速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而可以高效率地解 决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件，用于模拟流体流动，传热传质、化学反应和其他复杂的物理现象，各模拟软件都采用了统一的网格生成技术和共同的图形界面，它们之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。Fluent的软件包有以下几个部分组成。（1）前处理器，Cambit用于网格的生成，它是具有超强组合建构模型能力的专用CFD前置处理器。Fluent系列产品皆采用Fluent公司自行研发的Cambit前处理软件来建立几何形状及生成网格。8教育教学另外，TGrid和Fluent（Translators）是独立于Fluent的前处理器，其中TGrid用于从现有的边界网格生成体网格，Filters可以转换由其他软件生成的网格从而用于Fluent计算。与Filters接口的程序包括ANSYS、I-DEAS、NASTRAN、PATRAN等。（2）求解器：它是流体计算的核心，根据专业领域的不同，求解器主要分以下几种类型。Fluent4.5：基于结构化网格的通用CFD求解器。Fluent6.2.16：基于非结构化网格的通用CFD求解器。Fidap：基于有限元方法，并且主要用于流固耦合的通用CFD求解器。Polyflow：针对粘弹性流动的专用CFD求解器。Mixsim：针对搅拌混合问题的专用CFD软件。Icepak:专用的热控分析CFD软件。（3）后处理器：Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。另外，Tecplot也是一款比较专业的后处理器，可以把一些数据可视化，这对于数据处理要求比较高的用户来说是一个理想的选择。9教育教学在以上介绍的Fluent软件包中，求解器Fluent6.2.16是应用范围最广的，所以在以后的章节中我们会对它进行详细的介绍。这个求解器既可使用结构化网格，也可使用非结构化网格。对于二维问题，可以使用四边形网格和三角形网格；对于三维问题，可以使用六面体、四面体、金字塔形以及契形单元，具体的网格见图3-1。Fluent6.2.16可以接受单块和多块网格，以及二维混合网格和三维混合网格。图3-1 Fluent使用的网格的形状10教育教学1.2.2 各软件之间的协同关系 如图3-2所示，最基本的流体数值模拟可以通过以上软件的合作而完成：UG/AutoCAD属于CAD，用来生成数值模拟所在区域的几何形状；Tgrid和Gambit 是把计算区域离散化，或网格的生成，其中Tgrid可以从已有边界网格中生成体网格，而Gambit自身就可以生成几何图形和划分网格的；Fluent求解器是对离散化且定义了边界条件的区域进行数值模拟；Tecplot可以把从Fluent求解器导出的特定格式的数据进行可视化，形象地描述各种量在计算区域内的分布。图3-2 各软件之间的关系图11教育教学2.3.1 Fluent软件包的安装 Fluent的安装顺序如下：(1)安装Exceed。推荐安装Exceed6.2版本。(2)安装Gambit。单击Gambit的安装，按照提示就可以完成安装，推荐安装Gambit2.2.30。(3)安装Fluent。单击Fluent安装文件，按照提示就可以完成安装,推荐安装Fluent6.2.016。一般来说，Fluent和Gambit的安装推荐使用默认安装设置。当按照以上的安装步骤安装完毕以后，还要对Fluent和Gambit的环境变量进行设置。2.3 2.3 Fluent软件包的安装及其运行软件包的安装及其运行12教育教学 “开始”“程序”Fluent Inc ProductsFluent 6.2.16Set environment，单击Set environment，就会进入如图3-3所示的对话框。单击“是”按钮就设置好了Fluent的环境变量。图3-3 系统提示设置Fluent的环境变量13教育教学 选择“开始”“程序”Fluent Inc ProductsGambit2.2.30Set environment，单击Set environment，进入如图3-4所示的对话框。单击“是”按钮就设置好了Gambit的环境变量。另外，注意以上两种环境变量设置好后需要重启系统，否则仍会提示找不到环境变量。图3-4 系统提示设置Gambit的环境变量14教育教学1.3.2 Fluent软件包的运行 Fluent的运行：按照路径“开始”“程序”Fluent Inc Products Fluent 6.2.16，或者利用桌面的快捷方式。Gambit的运行：先运行命令提示符，输入gambit，回车就可以启动Gambit，如图3-5所示。图3-5 Gambit的运行15教育教学2.4 Fluent的简单实例2.4.1 实例简介 下面介绍模拟如图3-6所示管道内速度场的操作过程。其中，管道的宽度远远大于它的高度，所以侧壁对整个速度场的影响比较小，可以对速度场的模拟进行简化。简化以后的数值模拟区域如图3-7所示，这仅仅是原来管道在z=0处的XY截面，它可以看作为槽道，其长度L50mm，高度H=1mm。注意长宽比L/H10，这是槽道内流体充分流动的必要条件，设槽道入口处水流速度为0.1m/s。图中的黑色圆点标志几何区域的控制点，利用这些控制点就可以确定计算区域的几何形状，O点为坐标原点。16教育教学图3-6 矩形截面管道示意图图3-7 流体计算区域示意图17教育教学2.4.2 实例分析 当利用Fluent解决某一工程问题时，要详细考虑以下几个问题：(1)确定计算目标；(2)选择计算模型；(3)确定物理模型；(4)确定解的程序。2.4.3 实例操作步骤 1.利用Gambit建立计算区域和指定边界条件类型 步骤步骤1：文件的创建及其求解器的选择：文件的创建及其求解器的选择 (1)启动Gambit软件 Gambit设置好环境变量以后，可以选择“开始”“运行”打开如图3-8所示的对话框，单击“确定”按钮。接着又会弹出如图3-9所示的对话框，单击Run按钮可以启动Gambit软件，它的窗口布局如图3-10所示。18教育教学图3-8 启动Gambit 图3-9 Gambit Statup对话框19教育教学图3-10 Gambit窗口的布局20教育教学 (2)建立新文件 选择FileNew打开如图3-11所示的文件创建对话框。在ID文本框输入channel作为Gambit要创建的文件名。Title是对这个文件的描述，可以随意填写。如图3-11 建立新文件 21教育教学 需要注意的是，要选中Save current session复选框（呈现红色）才可以创建新文件。然后单击Accept按钮，出现如图3-12所示的关于确认保存文件对话框。单击Yes按钮，创建一个名为channel的新文件。图3-12 确认保存文件对话框22教育教学 (3)选择求解器 创建玩新文件后，需要选择对应的求解器。求解器选择可以通过单击主菜单中的Solver进行。从图3-13所示的子菜单可以看出，系统有很多种求解器类型。本例的槽道速度场是利用Fluent求解器进行求解的，所以在子菜单中选择FLUENT 5/6。步骤步骤2：创建控制点：创建控制点 选择Operation Gemetry Vertex 打开如图3-14的对话框。23教育教学图3-13 求解器类型 图3-14 点创建对话框 24教育教学 在Global选项区域内的 x、y 和 z 坐标对应的三个文本框中，依次输入其中一个控制点的坐标（各个控制点的坐标可以参考图3-7得到），然后单击Apply按钮，就可以在Gambit图形窗口中出现这个控制点。若是在创建某一点时，该点没有显示出来，可以单击Gambit右下角的 按钮来解决这个问题。重复上述点的创建操作，就可以在图形窗口中绘制出所有的控制点，如图3-15所示。可以按住鼠标右键并且上下拖动来缩放图形。图3-15 槽道控制点示意图25教育教学 步骤步骤3：创建边：创建边 为了了解每个控制点的名称，单击窗口右下角即图3-16中的 按钮，从而可以得到如图3-17所示的对话框。图3-16 Gambit Control 图3-17 Specify Display Attributes对话框 26教育教学 单击Label选项前面的按钮，Label被选中，并且Label后面的On也要选中，然后单击Apply按钮，就可以看到前面绘制的各个控制点名称（如图3-18所示）。若想消除名称的显示，只要选中Label后面的Off，然后单击Apply按钮即可。图3-18 各个控制点的名称的显示27教育教学 选择Operation Geometry Edge 打开Greate Straight Edge 对话框（如图3-19所示）。单击Vertices文本框后面的箭头，可以出现如图3-20所示的对话框。图3-19 Greate Straight Edge对话框 图3-20 Vertex List对话框 28教育教学 在Available列表中选择vertex.2和vertex.3，然后单击向右的箭头，就会出现如图3-21所示的情形。单击图3-21中的Close按钮，然后单击图3-19中的Apply按钮确认对点的选择，可以看到vertex.2和vertex.3连成直线。对其他的控制点重复这样的操作，就可以得到如图3-22所示的四条直线围成的矩形区域。图3-21 选中点后的情形 29教育教学 步骤4：创建面 按照前面提到的显示几何单元名称的方法，可以显示图形窗口中所有边和点的名称，如图3-23所示。图3-22 四个控制点连成的矩形区域 图3-23 各几何单元名称的显示30教育教学 选择Operation Geometry Face 打开Create Face From Wireframe对话框（如图3-24），它的功能是通过边来创建面。在创建面时，首先选择创建面的对话框中Edges后面的文本框，等它的背景色变为黄色时，就可创建面了。操作时先选中组成矩形面的四条边edge.1、edge.2、edge.3和edge.4（参看图3-23），然后单击Apply按钮,就可以看到选中的四条边变成了蓝色，这就说明创建了一个面。图3-24 Create Face From Wireframe对话框31教育教学 利用Gambit软件右下角Global Control中的按钮 ，就可以看出上面选择的四条边所组成的区域是一个如图3-25所示的矩形面。图3-25 矩形面示意图 步骤5：网格划分 (1)边的网格划分 当Fluent确定了要进行计算的几何区域以后，接下来的工作是把这个几何区域离散化，即进行网格的划分。32教育教学 选择Operation Mesh Edge ，打开Mesh Edges对话框（如图3-26所示）。利用这个对话框可以对边进行网格划分，在Edges后面的黄色文本框中选中要操作的边，然后设置Spacing的数值，必须注意数值对应的项目是Interval count。如果默认的不是这个项目，则可用鼠标右键单击默认的项目，在出现的多个项目中，选择所需要的项目即可。图3-26 Mesh Edges对话框33教育教学 在图3-26所示对话框中，利用shift+鼠标左键在Edges文本框中选中edge.1和edge.3，然后在Spacing文本框中输入150，注意这一数字对应的项目是Interval count。单击Apply按钮确认设置，就会看到如图3-27所示的上下两条边的网格划分情况。利用同样的方法可以对矩形面的其他边进行网格的划分，设定edge.2和edge.4的Spacing对应数值50，注意数字对应的项目是Interval count，从而可以看到如图3-28所示的可变的网格划分情况。图3-27 部分网格的划分图3-28 各边的网格划分情况34教育教学(2)面的网格划分 对边进行了网格划分以后，就可以对面进行网格的划分了。选择Operation Mesh Face 打开Mesh Faces对话框（如图3-29所示），对面进行网格划分。在Faces后面的黄色框中选中要操作的面，然后设定Spacing下面的数值为1.0，必须注意数字对应的项目是Interval size。如果默认的不是这个项目，同样可以用鼠标的右键单击默认的项目，这时会出现多个项目，选择所需项目即可。进行了上面的设置以后，单击Apply按钮可以看到如图3-30所示的面的网格划分。35教育教学图3-29 Mesh Faces对话框图3-30 面的网格划分情况36教育教学 步骤6：边界条件类型的指定 选择Operation Zones 打开Specify Boundary Types对话框(如图3-31所示)，指定边界条件类型。图3-31 Specify Boundary Types对话框 37教育教学 边界条件类型的操作步骤如下：(1)边界条件的指定 边界条件类型设置Action选项是指对边界条件进行何种操作。当Action下面的Add被选中时，就可以对某一几何体添加边界条件。同样，选中Modify就是对设定好的边界条件进行更改；选中Delete就是删除某个已设定的边界条件；Delete all就是删除全部已设定的边界条件。(2)给出边界的名称 Name选项是给指定边取名，如输入inlet。一般地，为了辨认，名字最好具有一定的含义。(3)指定边界条件的类型 Fluent 5/6对应的边界条件的所有类型如图3-32所示。在Type类型中选中VELOCITY_INLET。选择的方法是：用鼠标右键单击该边界类型，选择需要的类型即可。38教育教学图3-32 边界条件的类型 39教育教学 （4）选择边界对应的几何单元 在图3-31中的Entity黄框内用左键单击，就可以选择VELOCITY_INLET边界条件对应边edge.2。单击Apply按钮即可在图3-31中Name下面添加inlet，其边界条件类型为VELOCITY_INLET。重复上面的步骤就可以对每条边定义边界，当边界条件类型为Wall时，可不对它指定，因为Gambit默认的边界条件类型就是WALL类型。若图3-31中的Show labels项被选中，就可以看到图3-33所示的边界条件的定义。注意图中的网格显示已经被关闭，关闭是通过选中Mesh选项后面的Off来实现的。图3-33 边界类型的显示40教育教学 步骤7：mesh文件的输出 选择FileExportMesh就可以打开输出文件的对话框（如图3-34所示）。图3-34 输出文件的对话框必须指出的是，选中Export2-D(X-Y)Mesh选项才能输出.msh文件。41教育教学 2.利用Fluent求解器求解 利用Gambit软件绘制出计算区域、划分网络、指定边界类型和输出Mesh文件后，可以用Fluent导入Mesh文件，并且进行求解。步骤1：Fluent求解器的选择 本例所计算的槽道速度场是二维问题，且它对求解的精度要求不高，所以选择二维的单精度求解器（如图3-35所示）。单击Run按钮即可启动Fluent求解器。步骤2：文件导入和网格操作 Fluent求解器启动以后，首先要对读入的网格进行相关的操作。（1）读入网格文件 FileReadCase42教育教学打开如图3-36所示文件导入对话框。注意Gambit导出的文件默认的路径为C:Documents and SettingsXXX，其中XXX为用户名。在这一路径下找到channel.msh，单击OK按钮，Mesh文件就可以导入Fluent中。图3-35 Fluent求解器的选择43教育教学图3-36 导入Mesh文件 （2）检查网格文件 GridCheck 网格文件读入后要对网格进行检查。Fluent求解器检查网络的部分信息如下所示：44教育教学45教育教学 （3）设置计算区域尺寸 GridScale 打开如图3-37所示的对话框，对计算区域的尺寸进行设置。从前一步的网络检查可以知道，Gambit导出的计算区域默认Domain Extents不符合要求，因为Fluent默认的长度单位为m，但是在Gambit中作图时，采用的单位为mm，所以要通过Scale Grid对话框缩放计算区域。通过在Scale Factors下面的X和Y对应的文本框里输入相应的比例因子，然后单击Scale按钮就可以实现对Gambit导出模型的缩放，从而得到与图3-7所示区域相同尺寸的计算区域。图3-37 Scale Grid对话框 46教育教学 （4）显示网格 DisplayGrid 当计算区域尺寸调整以后，接下来可以在Fluent中显示网络，从而查看一下它的形状。至于要显示网格文件的哪一部分，可以通过如图3-38所示的对话框来控制。图3-38 Grid Display对话框 47教育教学 网格文件的各个组成部分的显示情况，可以通过Surface 下面列表框中某个部分是否选中来控制。假如Surface 下面各部分都被选中，单击Display按钮就会看到如图3-39所示的网格形状（这仅仅是部分网格）。图3-39 Fluent中的网格显示48教育教学步骤3：选择计算模型 （1）求解器的定义 DefineModelsSolver 打开如图3-40所示的对话框。对于本例。默认的设置就能满足要求，因此单击OK按钮即可。（2）其他计算模型的选定 本例比较简单，没有必要附加其他的计算模型。（3）操作环境的设置 DefineOperating Conditions 打开如图3-41所示的对话框。其中Operating Pressure(pascal)为周围环境的压强，也就是工作环境的压强；49教育教学 图3-40 求解器Solve的设置50教育教学Gravity下面的选项若是被选择，就会展开如图3-42所示的对话框，它说明求解速度场时要考虑重力的影响，关于它的具体操作在以后的实例中会详细介绍。对于本例，默认的操作环境就可以满足要求，所以单击图3-41中的OK按钮即可。图3-41操作环境设置对话框图4-42扩展后的环境设置对话框51教育教学 步骤4：定义流体的物理性质 DefineMaterials 在对计算模型及其操作环境进行了定义以后，就需要定义流体的物理性质。由于前面提到的槽道中的流体为水，所以现在就要通过图3-43所示的对话框获得关于水的一些物理参数。一般来说，Fluent求解器默认计算区域中的物质为Gas，也就是气。关于水的一些物理参数可以从Fluent自带的数据库Fluent Database中调出。单击3-43中的Fluent Database按钮，就会弹出3-44所示的对话框，在Fluent Fluid Materials列表中选中water-liquid，单击Copy按钮就可以把关于水的一些物理参数从数据库中调出，然后单击图3-44中的Close按钮即可。52教育教学3-43 物质的物理性质设置对话框3-44 Fluent自带的物质数据库 53教育教学 步骤5：设置边界条件 DefineBoundary Conditions 设定好物质的物理性质后，通过如图3-45所示对话框对计算区域的边界条件具体化。（1）设置 fluid流体区域的边界条件 在如图3-45所示的Zone列表框中选fluid，即流体所在区域（，然后单击Set按钮，系统会弹出如图3-46所示的对话框。其中Material Name文本框对应的是fluid区域中的物质，从Fluid数据库中复制出来的物质的名称都会在这里显示出来。单击OK按钮就把区域中的流体定义为水了。（2）设置inlet的边界条件 在Zone列表中选择inlet，即槽道的入口对应的边，对应的边界条件类型为VELOCITY-INLET，然后单击Set按钮，得到入口边界条件设置的对话框，Velocity Magnitude对应的是入口的水流速度。入口边界条件的具体设置如图3-47所示，单击OK按钮确认上述设置。（3）设置outlet的边界条件 Outlet对应边界条件的设置保持默认即可 （4）设置wall的边界条件 本例中wall边界条件的设置保持默认。54教育教学3-45 Boundary对话框3-46 fluid区域设置的对话框55教育教学3-47 velocity inlet 边界条件对话框 56教育教学 步骤6：求解方法的设置及其控制 下面介绍设定连续方程和动量方程具体求解方式的过程。（1）求解参数的设置 SolveControlsSolution 打开如图3-48所示的对话框，设置Pressure-Velocity Coupling对应的求解方式为SIMPLEC：Discretization对应得Pressure差分方式为Second Order：Momentum对应的差分方式为Second Order Upwind，此设置的目的是提高计算的精度。最后单击OK按钮。图3-48 Solution Controls对话框 57教育教学 （2）初始化 SolveInitializeInitialize 打开如图3-49所示的对话框，设置Conpute From为inlet，依次单击Init、Apply和Close按钮。图3-49 Solution Initialize对话框58教育教学图3-50 Residual Monitors对话框 （3）打开残差图 SolveMonitorsResidual 打开如图3-50所示的对话框。选择Options下面的Plot复选框，则可在计算时动态地显示计算残差；Convergence对应的数值是计算结果残差要满足的最低要求，它的值越小说明计算的精度要求越高，单击OK按钮确认以上设置。59教育教学 (4)保存当前Case和Data文件 FileWriteCase&Data 保存前面所做的所有设置 (5)开始迭代 SolveIterate 保存好设置后可以进行迭代求解了。迭代的设置如图3-51所示。单击Iterate按钮，Fluent求解器就会对这个问题进行求解，残差的动态显示如图3-52所示。图3-51Iterate对话框的设置 60教育教学图3-52 残差显示图61教育教学 步骤7：计算结果显示 （1）显示速度轮廓线 DisplayContours 当Fluent求解器提示收敛以后，用下面的操作打开等值线显示的对话框，具体的设置如图3-53所示。单击Display按钮显示速度轮廓（如图3-54所示）。注意，图中仅显示了入口附近的速度轮廓线。3-53速度轮廓显示的设置62教育教学图3-54速度轮廓线 63教育教学 （2）显示某边上速度剖面 PlotXYplot 进入如图3-55所示的对话框。其中的Plot Direction选项是与X Axis Function选项相关的，通过设置X与Y文本框的数值就可以控制要显示的线图的X轴方向。图3-55 Solution XY Plot对话框64教育教学按照对话框中的这些设置，可以得到出口处的速度剖面图，如图3-56所示 图3-56 出口处速度剖面图 65教育教学计算液力变矩器的性能特性，如变矩比，效率，输入特性等。计算变矩器工作时的内部力学量，如轴向力，速度分布，压力分布等。优点：提高样机质量，缩短研发周期，降低研发成本。缺点：建立力学模型比较困难，需要相当的工程经验。FluentFluent在液力变矩器研发的应用在液力变矩器研发的应用66教育教学Fluent作为主流的CFD商用软件，在工程实际中得到广泛的应用，熟悉该软件需具备一定的流体力学基础，但是软件仅是一个工具，要解决实际问题，还必须有工程经验。对于变矩器开发而言，在前处理阶段,必须充分了解变矩器才能建立合理的计算模型，在后处理阶段，必须了解变矩器在整机中的匹配，才能正确评价一个变矩器的性能优劣。总结总结67教育教学