第1讲-CFD软件应用课件

调查：各位同学计划用FLUENT模拟哪类问题？针对求解区域利用GAMBIT生成计算网格的基本概念和基本技能利用FLUENT做流动相关问题模拟的基本概念、理论和基本技能利用FLUENT做结果分析（数值计算后处理）的基本概念和基本技能课程主要目标让FLUENT普及为工科研究生的基本工具课程考核（FLUENT大作业要求）用FLUENT完成一个实例全过程，并撰写报告(1)提交纸质报告文档(具体格式见后);(2)实例的dbs、msh、cas、dat压缩后发给我，压缩文件名上注明姓名班级；无论文件大小均通过QQ邮箱的中转功能(3)第8周交倪老师报告格式要求1.研究的意义：要求论证本算例用FLUENT模拟必要性;2.实例介绍，物理结构，物理过程，模拟所要达到的目的，想得到的规律等，模拟工况介绍3.构体过程：说明模拟区域是如何确定的，做了哪些近似处理，(图示所构体)4.网格划分：为了提高计算精度、求解速度，采用了哪些技巧，最终网格划分情况(图示)5.求解过程中模型的选取及其依据，能列出其数学方程更好报告格式要求6.求解器的设置，如差分格式、松驰因子的选取;7.模拟结果及分析：单一工况的云图、矢量图、轨迹图，XY-PLOT；多工况之间的比较(二维曲线)8.数据的精度分析：有没有可供比较的实验数据或者权威数据，或者可对比选用不同模型对结果的影响9.结论第1讲计算流体力学基础及FLUENT软件介绍第2讲小算例快速演示GAMBIT的构体技巧及面网格的生成第3讲GAMBIT体网格生成及边界条件类型第4讲FLUENT的操作界面及其功能、特性介绍第5讲FLUENT锅炉煤燃烧实例分析第6讲FLUENT泵、传热实例分析第7章结果后处理TECPLOTOringe主要内容安世亚太http:/http:/ 第一讲绪言 一、我校及国内外燃烧过程数值计算的历史发展计算传热学（计算传热学（NHT）发展简史）发展简史第一阶段第一阶段-萌芽初创时期萌芽初创时期(1965-1974)(1965-1974)交错网格迎风格式1967年Patankar和Spalding发表了求解抛物型流动P-S方法1972年SIMPLE算法问世1974年Thompson适体坐标-网格生成技术第二阶段第二阶段第二阶段第二阶段-开始走向工业应用阶段（开始走向工业应用阶段（开始走向工业应用阶段（开始走向工业应用阶段（1975-1984)1975-1984)1975-1984)1975-1984)1979年由美国Illinois大学的Minkowycz教授主编的国际刊物Numerical Heat Transfer创刊1979年Spalding教授及其合作者开发的流动与传热问题的大型通用软件PHOENICS第一版问世1979年Leonard发表了具有良好稳定性和高精度的QUICK格式工业界和热科学领域的研究方法也产生改变，由传统的依靠实验，转而采用实验和计算并举的方法。PC机逐渐成为NHT研究领域的一种重要工具，也使NHT更进一步走向普及。一批CFD/NHT的商用软件陆续投放市场。PHONICS(1981)、FLUENT(1983)、FIDAP(1983)、FLOW-3D(1991)、COMPACT等等第三阶段-进一步兴旺发达的近期(1985-至今)目前数值计算向更高的计算精度、更好的区域适应性和更目前数值计算向更高的计算精度、更好的区域适应性和更目前数值计算向更高的计算精度、更好的区域适应性和更目前数值计算向更高的计算精度、更好的区域适应性和更强的鲁棒性强的鲁棒性强的鲁棒性强的鲁棒性(robustness(robustness(robustness(robustness，健壮性，健壮性，健壮性，健壮性)方向发展。包括：方向发展。包括：方向发展。包括：方向发展。包括：(1)(1)(1)(1)非结构化网格研究蓬勃发展非结构化网格研究蓬勃发展非结构化网格研究蓬勃发展非结构化网格研究蓬勃发展(2)(2)(2)(2)高精度格式层出不群高精度格式层出不群高精度格式层出不群高精度格式层出不群(3)(3)(3)(3)细观数值计算渐渐普及细观数值计算渐渐普及细观数值计算渐渐普及细观数值计算渐渐普及(4)(4)(4)(4)模型研究不断深入模型研究不断深入模型研究不断深入模型研究不断深入(5)(5)(5)(5)基于效率和精度的要求，新算法或改进算法不断出现基于效率和精度的要求，新算法或改进算法不断出现基于效率和精度的要求，新算法或改进算法不断出现基于效率和精度的要求，新算法或改进算法不断出现(6)(6)(6)(6)应用研究不断深入和复杂应用研究不断深入和复杂应用研究不断深入和复杂应用研究不断深入和复杂我校我校炉内燃烧过程数值计算国家科技进步三等奖其它院校其它院校清华清华浙大浙大华中华中西安交大西安交大国外国外英国英国斯波尔丁斯波尔丁美国美国帕坦卡帕坦卡日本日本古口博古口博实验与数值计算的结合实验与数值计算的结合在计算传热学的发展过程中，英国帝国理工大学的Spalding进行了开创性的工作。自此之后随着湍流模型、湍流燃烧模型和计算工具和方法的不断发展，流动、传热和燃烧过程的数值模拟也不断得到深化和发展。至今，我们可以完全模拟航空发动机、火箭发动机、柴油发动机、大型锅炉等有反应和传热的内流动过程和外流动过程。斯波尔丁斯波尔丁SpaldingSpalding普遍的研究方法普遍的研究方法理论、数值与实验相结合理论、数值与实验相结合n建立物理模型n建立数学模型n数值计算(优越性)n与实验对照n进一步的改进n完善后的数值计算对物理过程的进一步预报普遍的研究方法普遍的研究方法数值与实验相结合数值与实验相结合二、传热、流动及燃烧数值计算基本原理离散化计算区域离散化控制方程离散化用有限的时空点有限的时空点代替连续的、无限的时空点 描述物理过程的复杂的偏微分方程形成网格 可用于计算机求解的代数方程（差分方程）计算传热学就是用离散的有限点的状态变量去刻划和计算传热学就是用离散的有限点的状态变量去刻划和计算传热学就是用离散的有限点的状态变量去刻划和计算传热学就是用离散的有限点的状态变量去刻划和近似连续的无限点的真实过程。近似连续的无限点的真实过程。近似连续的无限点的真实过程。近似连续的无限点的真实过程。这个刻划和近似的依据就是这个刻划和近似的依据就是这个刻划和近似的依据就是这个刻划和近似的依据就是真实过程所应该满足的基真实过程所应该满足的基真实过程所应该满足的基真实过程所应该满足的基本方程本方程本方程本方程。因此我们计算传热学所得到的解是这样一种形式：因此我们计算传热学所得到的解是这样一种形式：因此我们计算传热学所得到的解是这样一种形式：因此我们计算传热学所得到的解是这样一种形式：有别于解析解或纯数学手段所给出的解的形式：有别于解析解或纯数学手段所给出的解的形式：有别于解析解或纯数学手段所给出的解的形式：有别于解析解或纯数学手段所给出的解的形式：CFDNHT区域离散化 xrxr对角直角坐标法对角直角坐标法贴体坐标贴体坐标xy 曲线坐标张量分析法非结构网格非结构网格混合控制方程离散化 yxyx控制容积有限元法控制容积有限元法 控制容积有限差分控制容积有限差分 有限差分法有限差分法(Finite Difference Method,FDM)有限体积法有限体积法(Finite Volume Method,FVM)有限元法有限元法(Finite Element Method,FEM)有限分析法有限分析法(Finite Analytic Method,FAM)把控制方程中的各阶导数用把控制方程中的各阶导数用相应的差分表达式来代替相应的差分表达式来代替 偏微分形式的控制方程离散化 差分格式差分格式对流扩散方程中对流项的离散格式对流扩散方程中对流项的离散格式 迎风格式、中心差分格式、混合格式、乘方格式、迎风格式、中心差分格式、混合格式、乘方格式、QUICKQUICK格式等格式等 QUICKQUICK格式格式 一阶迎风一阶迎风 WWWPEEEwei-2i-1i+1i+2SIMPLESIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure Semi-Implicit Method for Pressure Linked EquationsLinked Equations）算法，字面意思为求解压力算法，字面意思为求解压力耦合方程的半隐式方法。耦合方程的半隐式方法。SIMPLE系列算法系列算法它的基本思想为：在求解它的基本思想为：在求解NavierNavierStokesStokes方程时方程时采用压力修正算法，先给定一个压力场（它可以采用压力修正算法，先给定一个压力场（它可以是假定的或是上一层次的计算所确定的），在此是假定的或是上一层次的计算所确定的），在此条件下按次序求解条件下按次序求解u u和和v v的代数方程，由此所得到的代数方程，由此所得到的速度场未必能满足质量守恒的要求，因必须对的速度场未必能满足质量守恒的要求，因必须对给定的压力场加以修正。给定的压力场加以修正。SIMPLESIMPLE算法包括各种改进方案是不可压缩流体的算法包括各种改进方案是不可压缩流体的NavierNavierStokesStokes方程数值求解中应用非常广泛的算法，并且已成功地方程数值求解中应用非常广泛的算法，并且已成功地应用于可压缩流体的数值计算中。应用于可压缩流体的数值计算中。SIMPLE算法算法SIMPLE算法计算步骤算法计算步骤(1)假假定定一一个个速速度度分分布布，记记为为u0,v0，以以此此计计算算动动量量离离散散方程中的系数及常数项；方程中的系数及常数项；(2)假定一个压力场假定一个压力场p*；(3)依次求解两个动量方程，得依次求解两个动量方程，得u*、v*；(4)求压力修正方程得求压力修正方程得p；(5)计算修正后的速度场；计算修正后的速度场；(6)求解求解k-方程；方程；(7)将将经经过过修修正正的的压压力力p作作为为新新的的压压力力给给定定值值p*，返返回回第一步；第一步；(8)重复全过程，直至收敛。重复全过程，直至收敛。数学模型数学模型紊流模型紊流模型完全模拟完全模拟大涡模拟大涡模拟紊流粘性系数法紊流粘性系数法雷诺雷诺(Reynolds)(Reynolds)时均方程法时均方程法 雷诺应力方程法雷诺应力方程法 k-epsilonk-epsilon双方程模型双方程模型 其它模型其它模型辐射模型、燃烧模型、颗粒相模型、多组分模型辐射模型、燃烧模型、颗粒相模型、多组分模型 等等基本控制方程湍流的数值模拟方法其它一些数值计算基本术语边界条件初场初始化迭代松驰因子残差收敛、发散11陶文铨，计算传热学的近代进展，科学出版社陶文铨，计算传热学的近代进展，科学出版社22朱家鲲朱家鲲 著著,计算流体力学，科学出版社，计算流体力学，科学出版社，1985198533陶文铨陶文铨 著著,数值传热学，西安交通大学出版社，数值传热学，西安交通大学出版社，1988.71988.744王应时王应时,范维澄，周力行，徐旭常范维澄，周力行，徐旭常 著著,燃烧过程数燃烧过程数值计算，科学出版社，值计算，科学出版社，198619865 S.V.5 S.V.帕坦卡帕坦卡(美美)著，张政著，张政 译，传热与流体流动译，传热与流体流动的数值计算，科学出版社，的数值计算，科学出版社，1984 1984 参考文献参考文献FLUENT流体工程仿真计算实例与应用作者：韩占忠王敬译者：兰小平出版社：北京理工大学出版社出版日期：2004-6-11Fluent技术基础与应用实例技术基础与应用实例(CAD/CAM/CAE实用实用技术技术)【作者作者】王瑞金张凯王刚【出版社出版社】清华大学出版社【版次版次】2007年02月第二版本书基于Fluent6.2.16版本、Gambit2.2.30版本和Tecpeot10.0版本CFDCFD软件介绍软件介绍FLUENT-5CFX-4 -5 CFX-TASCflowPHOENIXSTAR-CDNUMECA尤迈克尤迈克总体应用情况锅炉炉内燃烧过程汽轮机通流部分斜流式循环水泵火电机组旁路系统炼钢炉冷却壁