数值模拟在Fluent软件上的应用课件

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Company Logo,*,Click to edit Master title style,LOGO,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,实验研究,理论分析,数值模拟,研究流体运动规律的三种基本方法,实验研究理论分析数值模拟研究流体运动规律的三种基本方法,1,连续性方程为：,三种基本方法的比较,连续性方程为：三种基本方法的比较,2,数值模拟,连续性方程为：,连续性方程：,任何流体运动规律的基础：,动量方程：,能量方程：,一组非线性偏微分方程,获得这些偏微分方程的精确解析解：很难,数值模拟连续性方程为：连续性方程：任何流体运动规律的基础：动,3,计算流体力学（,CFD,）,看作是流动基本方程控制下对流动的数值模拟。通过计算机数值计算和图形显示，对包含有流体运动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。,CFD,的基本思想：,把原来在时间、空间坐标中连续的物理量的场（如速度场、温度场、浓度场等），用有限个离散点上的值的集合来代替，按一定方式建立起关于这些值的代数方程（称为离散方程）并求解之，以获得物理量场的近似值。,计算流体力学（CFD）看作是流动基本方程控制下对流动的数值模,4,数值解法很好地利用了,离散,的概念。,常用的离散化方法,：有限差分法、有限元法和有限体积法。,Fluent,是基于有限体积法的，,是目前,CFD,应用最广的一种,方法，将计算区域划分为网,格，并使每个网格点周围有,一个互不重复的控制体积，,将待解的微分方程对每个控,制体积积分，从而得到一组,离散方程。,离散化方法,数值解法很好地利用了离散的概念。离散化方法,5,数值解法的基本思路与步骤,数值解法的思路与步骤,数值解法的基本思路与步骤 数值解法的思路与步骤,6,通俗理解,1.,建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型，建立针对控制方程的数值离散化方法。,2.,前处理，建立坐标，构建几何体，网格划分，确定边界条件的类型。,构体和网格划分技巧,3.,程序计算，选取模型，输入初始条件，确定边界条件、设定控制参数。,经验取值；与,2,有反复修正的过程,4.,后处理，显示计算结果，以图表展示，判断分析结果的准确性和质量。,通俗理解 1.建立反映工程问题或物理问题本质的数,7,PHOENICS,：,世界上第一套计算流体动力学与传热学的商用软件。,CFX,：,第一个通过,ISO9001,质量认证的商业,CFD,软件，英国,AEA,Technology,公司开发，,2003,年被,ANSYS,收购。,Fluent,：,继,PHOENICS,之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件，美国,Fluent,公司于,1983,年推出，,2006,年被,ANSYS,收购。目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的,CFD,软件之一，用,C,语言编写。,STAR-CD,，,FIDAP,等软件。,常用的,CFD,软件,PHOENICS：世界上第一套计算流体动力学与传热学的商用软,8,前处理器：,主要负责网格的生成。,FLUENT,划分网格的途径有两种：,用,FLUENT,提供的专用网格软件,GAMBIT,进行网格划分,由其他的,CAD,软件完成造型工作，再导入,GAMBIT,中生成网格，如,Pro/E,、,SolidWorks,、,Solidedge,等。,求解器：,流体计算的核心，所有计算在此完成。,后处理器：,Fluent,求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。,Origin,、,Tecplot,等也是比较专业的后处理器，可以把一些数据可视化。,Fluent,软件包,前处理器：主要负责网格的生成。Fluent软件包,9,安装,Exceed,：,Exceed,是在,Windows,环境下模拟的,UNIX,软件，因为,Gambit,必须在,UNIX,环境下才可以运行。,安装,Gambit,，拷贝,Licence,到,Gambit.Inc/license,目录下。,安装,Fluent,，拷贝,Licence,到,Fluent.Inc/license,目录下。,如需要卸载，以相反的顺序卸载即可。,Fluent,软件包的安装,安装Exceed：Exceed是在Windows环境下模拟的,10,.,dbs,文件：,Gambit,工作文件，若想修改网格，可以打开这个文件进行再编辑。,.,msh,文件：,Gambit,输出的网格文件。,.,cas,文件：,.msh,文件经过,Fluent,处理以后得到的文件。,.,dat,文件：,Fluent,计算数据结果的数据文件。,.,jou,文件：,日志文档，可以编辑运行。,Fluent,软件包的文件形式,.dbs文件：Gambit工作文件，若想修改网格，可以打开这,11,利用Fluent软件进行求解的步骤：,（1）运行Gambit，确定几何形状，构造几何体，输出 .dbs文件,（2）生成计算网格，输出.msh文件,（3）运行Fluent软件，选择合适的解算器：2D（二维单精度）、3D（三维单精度）、2DDP（二维双精度）、3DDP（三维双精度）。,（4）输入网格，即读入.msh文件,（5）检查网格,网格检查是最容易出的问题是网格体积为负数。如果出现负体积，计算就不可以进行。,利用Fluent软件进行求解的步骤：（1）运行Gambit，,12,利用Fluent软件进行求解的步骤：,（6）选择解算器的格式,Fluent提供3种不同的解格式：分离解、隐式耦合解、显式耦合解。分离解是按顺序解连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程，耦合解是同时解。隐式和显式解法的区别在于线性耦合方程的方式不同。,（7）选择需要解的基本方程,层流还是湍流（或者无粘流）、化学组分还是化学反应、热传导模型等。,（8）指定材料物理性质,（9）指定边界条件,利用Fluent软件进行求解的步骤：（6）选择解算器的格式,13,利用Fluent软件进行求解的步骤：,（10）调节解的控制参数（松弛因子、限值、一、二阶、迭代误差等）,设定松弛因子：,计算流体力学中要求解非线性方程，求解过程中控制变量的变化可以通过松弛因子来实现，来控制变量在每次迭代中的变化，从而控制收敛的速度并改善收敛的状况。等于1，相当于不用松弛因子；大于1，为超松弛因子，加快收敛速度；小于1，为欠从弛因子，改善收敛的条件。Fluent里面用的是欠松弛，在01之间，越小表示两次迭代值之间变化越小，也就越稳定，但收敛也就越慢。,利用Fluent软件进行求解的步骤：（10）调节解的控制参数,14,利用Fluent软件进行求解的步骤：,（11）保存设置，输出.cas文件,（12）初始化流场,需要初始化流场提供一个初始解。可以从一个或者多个边界条件算出初始解，也可以分别输入流场的数值。初始化流场有时候对于后面计算的影响很大，需要依靠经验选择最佳的边界，设定合理的数值，进行初始化。,（13）开始计算,输入迭代步数，报告步长等。,计算过程中，有选择性地观察残差，调整相关系数，使得残差趋于平稳，并达到规定的残差值，保证收敛。收敛是一个很重要的问题，一般达到收敛，才可以认为计算结束。,利用Fluent软件进行求解的步骤：（11）保存设置，输出.,15,利用Fluent软件进行求解的步骤：,（14)检查结果,速度、温度、浓度分布的等值线、矢量图,(15)保存结果，输出.dat文件,(16)根据需要进行后处理，利用Oigin、Tecplot等软件完善温度分布图、速度分布场、烟气成分场等等。必要的话，可以细化网格，改变数值以及物理模型。,利用Fluent软件进行求解的步骤：（14)检查结果,16,网格化分,GAMBIT,软件既可以采用结构化网格，也可以采用非结构化网格。对于不同问题，可以划分二维的三角形和四边形网格，三维的四面体网格、六面体网格、金字塔型网格、楔型网格，以及由上述网格类型构成的混合型网格。,结构化网格生成速度快、质量好、结构简单，但只适用于形状规则的图形，因此使用的范围比较窄。对于结构复杂的几何结构，可以选用非结构化网格，降低了划分的难度，但是会减慢收敛速度、降低准确性。,在Gambit中，只有map和submap生成的是结构化网格，其余均为非结构化网格。,网格化分 GAMBIT 软件既可以采用结构化网格，也可以采用,17,网格化分,GAMBIT,提供了以下面网格划分Type选项。,网格化分GAMBIT提供了以下面网格划分Type选项。,18,网格化分,如上所述，每个Elements选项与上面列举的一个或者多个Type选项相关联。下表中显示了每个面网格划分Elements和Type选项之间的关系。（,注意,：由“X”标记得阴影单元代表允许选项的组合。）,网格化分 如上所述，每个Elements选项与,19,Fluent,模拟效果图,煤粉炉 低,NOx,燃烧器,Fluent模拟效果图 煤粉炉,20,算例,1.,冷、热水混合器内部二维流动,一个冷、热水混合器的内部流动与热量交换的问题。温度为T=350K的热水自上部的热水小管嘴流入，与自下部右侧小管嘴流入的温度为290K的冷水在混合器内进行热量与动量的交换后，自下部左侧的小管嘴流出。混合器结构如图所示。,算例1.冷、热水混合器内部二维流动,21,算例,冷、热水混合后的出流口,冷水入口，,T=290K,V=10m/s,热水入口，,T=350K,V=10m/s,算例冷、热水混合后的出流口冷水入口，T=290K,V=10,22,算例,冷、热水混合器内的三维流动与换热,冷水和热水分别自混合器的两侧沿水平切向方向流入，在容器内混合后经过下部渐缩通道流入等径的出流管，最后流入大气。这是一个三维流动问题，所研究的内容是混合器内的流场、压力分布和温度场。混合器结构如图所示：,算例冷、热水混合器内的三维流动与换热,23,算例,热水入口,速度：,1m/s,温度：,320K,冷水入口,速度：,1m/s,温度：,280K,出水口,相对压强：,0Pa,算例热水入口冷水入口出水口,24,Fluent,入门与进阶教程,：新手入门,Fluent,流体计算应用教程,：全面,计算流体动力学分析,CFD,软件原理与应用,：通俗易懂,Fluent,技术基础与应用实例,：含实例,Fluent,中英文帮助,流体力学专业论坛,推荐书籍,Fluent入门与进阶教程：新手入门 推荐书籍,25,数值模拟在Fluent软件上的应用课件,