實驗課件流體力學(xué)

1、FLUENT流體仿真實驗流體仿真實驗教師：教師： 馬馬 慶慶 芬芬機電工程學(xué)院機電工程學(xué)院主要內(nèi)容主要內(nèi)容 計算流體力學(xué)簡介計算流體力學(xué)簡介（一）（一）什么是計算流體力學(xué)什么是計算流體力學(xué) 1.以電子計算機作為模擬手段，運用以電子計算機作為模擬手段，運用一定的計算技術(shù)尋求流體力學(xué)各種復(fù)雜問一定的計算技術(shù)尋求流體力學(xué)各種復(fù)雜問題的離散化數(shù)值解。題的離散化數(shù)值解。數(shù)值解而不是解析解數(shù)值解而不是解析解 計算理論和計算技術(shù)起關(guān)鍵作用計算理論和計算技術(shù)起關(guān)鍵作用 與計算機的發(fā)展緊密相關(guān)與計算機的發(fā)展緊密相關(guān) 計算流體力學(xué)簡介計算流體力學(xué)簡介2 2計算流體力學(xué)、理論流體力學(xué)、實驗流體力學(xué)計算流體力學(xué)、理論

2、流體力學(xué)、實驗流體力學(xué)是是流體力學(xué)研究工作的三種主要手段流體力學(xué)研究工作的三種主要手段既互相獨立又既互相獨立又相輔相成相輔相成 理論分析具有普遍性理論分析具有普遍性各種影響因素清晰可見、各種影響因素清晰可見、為實驗和計算研究提供依據(jù)為實驗和計算研究提供依據(jù) 實驗研究仍是研究工作的基石，數(shù)值研究的許多實驗研究仍是研究工作的基石，數(shù)值研究的許多方面都密切依賴于實驗研究：實驗提供數(shù)據(jù)；計算結(jié)果需方面都密切依賴于實驗研究：實驗提供數(shù)據(jù)；計算結(jié)果需由實驗驗證；觀察實驗現(xiàn)象分析實驗數(shù)據(jù)以建立計算模型由實驗驗證；觀察實驗現(xiàn)象分析實驗數(shù)據(jù)以建立計算模型等等等等 數(shù)值模擬是特殊意義下的實驗，也稱數(shù)值實驗數(shù)值模擬

3、是特殊意義下的實驗，也稱數(shù)值實驗計算流體力學(xué)簡介計算流體力學(xué)簡介（二）（二）計算流體力學(xué)要素計算流體力學(xué)要素 數(shù)學(xué)模型 離散方法 計算網(wǎng)格(也有無網(wǎng)格方法，但尚未成熟) 求解方法 計算結(jié)果的后處理 Verification & Validation計算流體力學(xué)簡介計算流體力學(xué)簡介（三）（三）計算流體力學(xué)應(yīng)用計算流體力學(xué)應(yīng)用 航空航天、汽車設(shè)計、船舶、環(huán)境、生物制藥、化學(xué)處理、石油天然氣、發(fā)電系統(tǒng)、電子半導(dǎo)體、渦輪機械、制冷、材料、冶金、能源、聚合物加工、玻璃加工、體育、環(huán)境等領(lǐng)域。計算流體力學(xué)簡介計算流體力學(xué)簡介( (四）四）計算流體力學(xué)研究工作的方向計算流體力學(xué)研究工作的方向與計算理

4、論、計算技術(shù)的發(fā)展相關(guān)聯(lián)的研與計算理論、計算技術(shù)的發(fā)展相關(guān)聯(lián)的研究方向：（基本方程與計算物理，計算力學(xué)發(fā)展、究方向：（基本方程與計算物理，計算力學(xué)發(fā)展、圖形學(xué)、網(wǎng)格技術(shù)等）圖形學(xué)、網(wǎng)格技術(shù)等） 基本方程性質(zhì)、簡化、改型等基本方程性質(zhì)、簡化、改型等座標(biāo)變換理論座標(biāo)變換理論網(wǎng)格技術(shù)網(wǎng)格技術(shù)分區(qū)處理技術(shù)、并行處理與計算技術(shù)分區(qū)處理技術(shù)、并行處理與計算技術(shù)計算流體力學(xué)簡介計算流體力學(xué)簡介與離散數(shù)學(xué)的理論研究相關(guān)連的研究方向；與離散數(shù)學(xué)的理論研究相關(guān)連的研究方向；離散化與精度分析理論離散化與精度分析理論穩(wěn)定性分析理論，特別是穩(wěn)定性分析理論，特別是邊界條件數(shù)值處理邊界條件數(shù)值處理的穩(wěn)定性分析理論的穩(wěn)定性分

5、析理論守恒性及其數(shù)值分析中的守恒性理論守恒性及其數(shù)值分析中的守恒性理論數(shù)值分析的收斂性理論數(shù)值分析的收斂性理論計算流體力學(xué)簡介計算流體力學(xué)簡介解決眾多相關(guān)學(xué)科的的科研工作和工程解決眾多相關(guān)學(xué)科的的科研工作和工程實際提出的與流體力學(xué)問題有關(guān)的各類復(fù)雜實際提出的與流體力學(xué)問題有關(guān)的各類復(fù)雜的問題的問題 在一些相關(guān)學(xué)科的邊緣上尋求新的發(fā)在一些相關(guān)學(xué)科的邊緣上尋求新的發(fā)展點展點機械、航天航空、氣象、海洋、船舶、車機械、航天航空、氣象、海洋、船舶、車輛、石油、化工、環(huán)境（包括氣動噪音控制）、建輛、石油、化工、環(huán)境（包括氣動噪音控制）、建筑、土木、水利、核能等等筑、土木、水利、核能等等與計算機技術(shù)的發(fā)展相

6、關(guān)的一些領(lǐng)域與計算機技術(shù)的發(fā)展相關(guān)的一些領(lǐng)域交通流、信息流、生物流等的數(shù)值模擬交通流、信息流、生物流等的數(shù)值模擬計算流體力學(xué)簡介計算流體力學(xué)簡介（五）（五）計算流體力學(xué)研究工作的優(yōu)勢、存計算流體力學(xué)研究工作的優(yōu)勢、存在的問題和困難在的問題和困難1優(yōu)勢優(yōu)勢：“數(shù)值實驗數(shù)值實驗”比比“物理實驗物理實驗”具有更大的自由度和靈活具有更大的自由度和靈活性，例如性，例如“自由自由”地選取各種參數(shù)等地選取各種參數(shù)等“數(shù)值實驗數(shù)值實驗”可以進(jìn)行可以進(jìn)行“物理實驗物理實驗”不可能或很難進(jìn)行不可能或很難進(jìn)行的實驗；例如：天體內(nèi)部地溫度場數(shù)值模擬，可控?zé)岷朔吹膶嶒?；例如：天體內(nèi)部地溫度場數(shù)值模擬，可控?zé)岷朔磻?yīng)地數(shù)值

7、模擬應(yīng)地數(shù)值模擬“數(shù)值實驗數(shù)值實驗”的經(jīng)濟(jì)效益極為顯著，而且將越來越顯著的經(jīng)濟(jì)效益極為顯著，而且將越來越顯著計算流體力學(xué)簡介計算流體力學(xué)簡介2問題與不足問題與不足 流動機理不明的問題，數(shù)值工作無法進(jìn)行；計算結(jié)果流動機理不明的問題，數(shù)值工作無法進(jìn)行；計算結(jié)果依賴于數(shù)值模型依賴于數(shù)值模型數(shù)值工作自身仍然有許多理論問題有待解決數(shù)值工作自身仍然有許多理論問題有待解決 離散化不僅引起定量的誤差，同時也會引起定性的離散化不僅引起定量的誤差，同時也會引起定性的誤差，所以數(shù)值工作仍然離不開實驗的驗證誤差，所以數(shù)值工作仍然離不開實驗的驗證 離散誤差 迭代誤差 舍入誤差主要內(nèi)容主要內(nèi)容 FLUENT軟件簡介軟件簡

8、介 FLUENT是用于計算復(fù)雜幾何條件下流動和傳熱問題的程序； 它提供的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，把計算相對復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)問題變得容易和輕松； 可以生成的網(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格；三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格； 可以根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格。這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對于精確求解有較大梯度的流場如自由剪切流和邊界層問題于精確求解有較大梯度的流場如自由剪切流和邊界層問題有很實際的作用。同時，可以節(jié)約計算時間。有很實際的作用。同時，可以節(jié)約計算時間。 （一）（一）FLUENT軟件概述軟件概述FLUENT軟件簡介軟件簡介（二）（二）程序的結(jié)構(gòu)程序的結(jié)構(gòu)FLUENT程序軟件包應(yīng)該包括以

9、下幾個部分：1 FLUENT解法器2 prePDF，用于模擬PDF燃燒過程3 GAMBIT，網(wǎng)格生成4 TGrid，額外的處理器，用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。5 Filters(Translators)，轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計算?？梢越涌诘某绦虬ǎ篈NSYS, I-DEAS, NASTRAN,PATRAN等。FLUENT軟件簡介軟件簡介基本程序結(jié)構(gòu)示意圖FLUENT軟件簡介軟件簡介（三）（三）程序的用途程序的用途1， 采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格計算二維和三位流動問題；計算過程中，網(wǎng)格可以自適應(yīng)。2， 可壓縮與不可壓縮流動問題；3， 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動問

10、題；4， 無粘流，層流及湍流問題；5， 牛頓流體及非牛頓流體；6， 對流換熱問題（包括自然對流和混合對流）；7， 導(dǎo)熱與對流換熱耦合問題；8， 輻射換熱；9， 慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動問題模擬；10，多運動坐標(biāo)系下的流動問題；11，化學(xué)組分混合與反應(yīng)；12，可以處理熱量、質(zhì)量、動量和化學(xué)組分的源項；13，用Lagrangian 軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）；14，多孔介質(zhì)流動；15，一維風(fēng)扇、熱交換器性能計算；16，兩相流問題；17，復(fù)雜表面形狀下的自由面流動；FLUENT軟件簡介軟件簡介二維網(wǎng)格二維網(wǎng)格三維網(wǎng)格三維網(wǎng)格FLUENT軟件簡介軟件簡介分壓器內(nèi)部壓力波運動規(guī)律分

11、壓器內(nèi)部壓力波運動規(guī)律分壓器內(nèi)部接觸面運動規(guī)律分壓器內(nèi)部接觸面運動規(guī)律FLUENT軟件簡介軟件簡介1.161.2105Pa293K馬赫數(shù) 靜壓 靜溫 232KFLUENT軟件簡介軟件簡介MaacJTFLUENT軟件簡介軟件簡介（四）（四）程序求解問題操作步驟程序求解問題操作步驟 1， 確定幾何形狀，生成計算網(wǎng)格（可用GAMBIT）；2， 選擇2D或3D來模擬計算；3， 輸入網(wǎng)格；4， 檢查網(wǎng)格；5， 選擇解法器；6， 選擇求解的方程：層流或湍流（或無粘流）；7， 確定流體物性；8， 指定邊界條件；9， 條件計算控制參數(shù)；10， 流場初始化；11， 計算；12， 檢查結(jié)果；13， 保存結(jié)果，后處

12、理等。主要內(nèi)容主要內(nèi)容 Gambit基本操作基本操作Gambit繪制圖形及劃分網(wǎng)格步驟繪制圖形及劃分網(wǎng)格步驟 1， 根據(jù)所需幾何形狀建立點；2， 連接各點得到所需幾何形狀輪廓（閉合）；3， 利用閉合線段生成面；4， 對線段進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對邊網(wǎng)格數(shù)應(yīng)相等，且最后留一條邊不劃分網(wǎng)格；5， 形成面網(wǎng)格；6， 設(shè)置邊界條件，對于管道流動需要設(shè)置入口、出口及對稱軸邊界；7， 保存文件，格式為 .dps；8， 輸出網(wǎng)格文件，格式為.msh文件；第二次實驗內(nèi)容第二次實驗內(nèi)容工程流體力學(xué)觀摩及工程流體力學(xué)觀摩及FLUENT入門入門一一 實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康? 了解流體的重要物理性質(zhì)及其體現(xiàn)形式；2 更深入了解流體

13、靜力學(xué)基本原理、測壓原理及浮力定律等靜力學(xué)基本知識；3 掌握流體運動學(xué)與動力學(xué)基本原理，從實踐上理解伯努利方程及其應(yīng)用，了解粘性流體流態(tài)的判別方法。二二 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容1 觀摩“流體基本物理性質(zhì)”錄像：粘性、壓縮性、膨脹性及表面張力。2 觀摩“流體靜力學(xué)原理”錄像：測壓原理、壓力傳遞原理和浮力定律、相對靜止流體運動規(guī)律。第二次實驗內(nèi)容第二次實驗內(nèi)容工程流體力學(xué)觀摩及工程流體力學(xué)觀摩及FLUENT入門入門二二 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容3 觀摩“流體運動學(xué)及動力學(xué)”錄像：流線與跡線、伯努利方程、雷諾實驗、流體流態(tài)實驗、泄流、流譜顯示、射流反推力。4 通過老師講解，了解計算流體力學(xué)發(fā)展概況，了解FLUEN

14、T和GAMBIT軟件的基本操作，并自行上機練習(xí)。三三 實驗結(jié)果及分析實驗結(jié)果及分析在三種觀摩實驗里各任選一個以上實驗，對實驗現(xiàn)象進(jìn)行描述，要求與所學(xué)理論知識相聯(lián)系。第二次實驗內(nèi)容第二次實驗內(nèi)容圓管層流與湍流速度分布圓管層流與湍流速度分布一一 實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康? 數(shù)值驗證圓管層流與湍流的速度分布情況；2 比較層流與湍流速度分布的差異，并掌握產(chǎn)生這種差異的原因。二二 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容1 管道尺寸： 直徑： d=10mm；長度：L=400mm2 管道流動條件：(1) 入口流速為：0.2m/s(2) 入口流速為：20m/s 第二次實驗內(nèi)容第二次實驗內(nèi)容圓管層流與湍流速度分布圓管層流與湍流速度分布三三

15、實驗要求實驗要求1 計算兩種入口流速下，流動穩(wěn)定的管道截面處(管長3/5)的流動平均雷諾數(shù)，并判斷流動狀態(tài)；2 繪制管道內(nèi)的速度分布等值線圖；3 繪制穩(wěn)定流動截面處的速度沿著徑向分布的曲線圖。四四 實驗步驟實驗步驟1 建立工作目錄；2 Gambit建立網(wǎng)格模型：按坐標(biāo)或平移方式建立點建立閉合輪廓線建立面畫線網(wǎng)格（留一邊不畫）保存文件到自建目錄(save as)輸出.msh文件(export-mesh)第二次實驗內(nèi)容第二次實驗內(nèi)容圓管層流與湍流速度分布圓管層流與湍流速度分布四四 實驗步驟實驗步驟3 FLUENT導(dǎo)入及模型計算(1) 打開FLUENT：2d；(2) 導(dǎo)入.msh文件：filerea

16、dcase(3) 設(shè)置模型：Define-models-solver-Axisymmetric(4) 設(shè)置材料： 采用默認(rèn)air(5) 設(shè)置邊界條件：define-boundary conditions-in-set-velocity: 分別為0.2和20m/s(6) 設(shè)置監(jiān)視器：solve-monitor-plot打鉤(7) 流場初始化：solve-initilize（以入口參數(shù)初始化）(8) 計算并觀察收斂：! 1882 solution is converged(9) 保存文件：file-write-case&data-工作目錄-文件名第二次實驗內(nèi)容第二次實驗內(nèi)容圓管層流與湍流速

17、度分布圓管層流與湍流速度分布五五 實驗結(jié)果及分析實驗結(jié)果及分析(1) 輸出速度等值線分布圖：Display-counters-velocity magnitude(2) 輸出穩(wěn)定流動截面上速度分布曲線： 建立面（管長3/5處截面）：surface-line/rake-輸入end point坐標(biāo)值 畫出分布圖：plot-XYplot-x(0)y(1)-選中建立面及velocity-plot 比較層流與湍流速度分布曲線，說明區(qū)別及原因(3) 計算建立面上的平均速度，然后計算雷諾數(shù)，判斷所處流態(tài)；Report-surface integrals-repot type:area weighted av

18、erage-velocity magnitude-選中建立面-compute-得到計算平均速度第三次實驗內(nèi)容第三次實驗內(nèi)容管內(nèi)流動局部損失（突擴和突縮）管內(nèi)流動局部損失（突擴和突縮）一一 實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康? 驗證不可壓縮流體在變截面管道中的連續(xù)性方程；2 通過數(shù)值實驗觀察局部損失形成原因；3 對管內(nèi)流動過程的沿程損失及局部阻力損失進(jìn)行定性了解。二二 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容1 串聯(lián)管道尺寸： 直徑： d=10mm；長度：L=150mm 直徑： d=20mm；長度：L=150mm 直徑： d=10mm；長度：L=150mm2 管道流動條件：入口流速為：10m/s第三次實驗內(nèi)容第三次實驗內(nèi)容三三 實驗要求實驗要求1 繪制管道突擴部分旋渦放大圖，簡述旋渦產(chǎn)生的原理；2 繪制管道突縮部分速度矢量圖，并說明最小截面出現(xiàn)在突縮管道后的原因；3 繪制管道軸線上靜壓分布，說明各段靜壓的趨勢及產(chǎn)生的原因。四四 實驗步驟實驗步驟1 建立工作目錄；2 Gambit建立網(wǎng)格模型：按坐標(biāo)或平移方式建立點建立閉合輪廓線建立面畫線網(wǎng)格（留一邊不畫），采用局部加密網(wǎng)格保存文件到自建目錄(save as)輸出.msh文件(export-mesh)管內(nèi)流動局部損失（突擴和突縮）管內(nèi)流動局部損失（突擴和突縮）第三次實驗內(nèi)容第三次實驗內(nèi)容四四 實驗步驟實驗步驟3 FLUENT導(dǎo)入及模型計算(1) 打開FLUE