計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

1、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）與FLUENT山東科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院胡效東報(bào)告提綱vCFD是什么vFLUENT程序簡介v前處理軟件GAMBIT的使用vFLUENT主體程序使用vFLUENT后處理v其它CFD是什么？1、CFD是什么v計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡寫為CFD）通過求解流場控制方程組，以及計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，在時(shí)間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，從而達(dá)到對物理問題研究的目的。v應(yīng)用CFD可以預(yù)測流體的行為，同時(shí)還可以得到傳質(zhì)（如分離和溶解），傳熱，相變（如凝固和沸騰），化學(xué)反應(yīng)（如燃燒），機(jī)械運(yùn)動(dòng)（渦輪機(jī)），以及相關(guān)結(jié)構(gòu)的壓力和變形（

2、如風(fēng)中桅桿的彎曲）等等的性質(zhì)。 CFD的基本思想vCFD的基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。v最理想的數(shù)值模擬結(jié)果應(yīng)可以形象地再現(xiàn)流動(dòng)情景，與做實(shí)驗(yàn)沒有什么差別。數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)、理論分析的關(guān)系v 做理論的目的是為了盡可能了解事物本質(zhì)；v 做數(shù)值模擬則是在盡可能了解的基礎(chǔ)上近似，用求解的方法來反演事實(shí)，這肯定是不準(zhǔn)確的，但如果方法正確，應(yīng)該是近似準(zhǔn)確的；v 數(shù)值模擬的結(jié)果應(yīng)該采用實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。單純實(shí)

3、驗(yàn)測試單純理論分析計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD的局限性v 數(shù)值解法是一種離散近似的計(jì)算方法，依賴于物理上合理、數(shù)學(xué)上適用、適合于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算的離散的有限數(shù)學(xué)模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式的解析表達(dá)式，只能是有限個(gè)離散點(diǎn)上的數(shù)值解，并有一定的誤差；v 它不像物理模型實(shí)驗(yàn)一開始就能給出流動(dòng)現(xiàn)象并定性地描述，往往需要由原體觀測或物理模型試驗(yàn)提供某些流動(dòng)參數(shù)，并需要對建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證；v 程序的編制及資料的收集、整理和正確利用，在很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)和技巧。CFD工作過程v輸運(yùn)方程 質(zhì)量 動(dòng)量 能量v封閉方程v底層物理模型求解器v物理模型 湍流 燃燒 輻射 多相流 相變 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)v劃分網(wǎng)格v材

4、料特性v邊界條件v初始條件v求解設(shè)置前處理v物理模型v后處理在網(wǎng)格的基礎(chǔ)上求解方程CFD的基本步驟v 分析問題及前處理1. 確定數(shù)值模擬的目標(biāo)2. 確定計(jì)算區(qū)域3. 建立數(shù)值模擬物理模型和網(wǎng)格v 求解執(zhí)行過程4. 建立數(shù)學(xué)模型5. 計(jì)算并監(jiān)控結(jié)果v 后處理6. 檢查結(jié)果7. 修正模型確定數(shù)值模擬的目標(biāo)v 需要得到的結(jié)果以及結(jié)果的用途 建立物理模型時(shí)需要考慮的問題：在分析中需要建立什么形式的物理模型?采取什么樣的簡化措施？是否需要采用新的修正模型?FLUENT 6 中用User-defined functions (C語言編寫)實(shí)現(xiàn)v 需要什么樣的計(jì)算精度？v 對計(jì)算時(shí)間有無要求?確定計(jì)算區(qū)域G

5、asRiserCycloneL-valveGasv 怎么樣將研究對象進(jìn)行孤立化處理?v 計(jì)算區(qū)域的初始和結(jié)束位置? 在計(jì)算區(qū)域的邊界上是否有存在的邊界信息? 邊界的形式能否容納這些信息? 是否可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量得到邊界的信息?v 計(jì)算區(qū)域可否簡化成二維或者軸對稱形式?建立數(shù)值模擬物理模型和網(wǎng)格v 能否采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格？ 幾何形狀以及流動(dòng)的復(fù)雜程度?v 在各個(gè)控制區(qū)域內(nèi)需要什么樣的網(wǎng)格精度 對于這個(gè)幾何形體需要什么樣的網(wǎng)格精度? 大的網(wǎng)格梯度是否能預(yù)測流場? 是否需要采用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)?v 計(jì)算機(jī)的內(nèi)存容量是否滿足要求? 需要多少的計(jì)算網(wǎng)格? 計(jì)算模型的數(shù)量?Hybrid mesh for an

6、IC engine valve porttet meshhex meshwedge mesh模型和網(wǎng)格欣賞建立數(shù)學(xué)模型v 對于一個(gè)給定的問題，需要解決的問題有： 選擇合適的物理模型湍流，燃燒，多相流等 確定材料的特性流體 固體混合物 給定操作工況 給定所有邊界條件 給定初始條件 給定數(shù)值計(jì)算的控制參數(shù) 設(shè)置監(jiān)視點(diǎn)計(jì)算并監(jiān)控結(jié)果v 迭代求解離散方程組. 通過迭代計(jì)算使結(jié)果收斂v 什么情況達(dá)到收斂： 求解變量在連續(xù)幾個(gè)迭代次數(shù)中不發(fā)生改變：從殘差方面可以大體監(jiān)視這一過程 滿足守恒定律v 收斂解的精度取決于： 物理模型的簡化程度和精度 網(wǎng)格的精度檢查結(jié)果v 檢查結(jié)果并提取出有效數(shù)據(jù). 可視化工具能得

7、到：整個(gè)流場的特性發(fā)生流場突變的位置流場的關(guān)鍵特征 數(shù)學(xué)報(bào)告工具能夠得到：力和動(dòng)量界面交換系數(shù)表面和體上變量的積分值流量平衡關(guān)系修正模型v 物理模型是否合適 流動(dòng)的湍流程度 流動(dòng)是否為非穩(wěn)定流動(dòng) 是否需要考慮壓縮性 是否需要考慮流體的渦結(jié)構(gòu)（3D）v 邊界條件是否合適 所選取的計(jì)算區(qū)域是否能滿足問題要求 邊界條件是否合適 邊界上變量值是否合理v 網(wǎng)格的精度是否滿足要求 能否通過網(wǎng)格的自適應(yīng)技術(shù)提高計(jì)算精度 網(wǎng)格是否是獨(dú)立于計(jì)算之外 對近壁處的處理是否需要修正FLUENT中CFD過程的實(shí)現(xiàn)v 創(chuàng)建幾何模型和網(wǎng)格模型（在GAMBIT或其它前處理軟件中完成）；v 啟動(dòng)FLUENT求解器。v 導(dǎo)入網(wǎng)格

8、模型；v 檢查網(wǎng)格模型是否存在問題；v 選擇求解器及運(yùn)行環(huán)境；v 決定計(jì)算模型，即是否考慮熱交換，是否考慮粘性等；v 設(shè)置材料特性；v 設(shè)置邊界條件；v 調(diào)整用于控制求解的有關(guān)參數(shù)；v 初始化流場；v 開始求解；v 顯示求解結(jié)果；v 保存求解結(jié)果；v 如有必要，修改網(wǎng)格或計(jì)算模型，重復(fù)上述過程重新進(jìn)行計(jì)算。FLUENT程序簡介FLUENT所能求解的問題v 采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格計(jì)算二維 和三位流動(dòng)問題；計(jì)算過程中，網(wǎng)格可以自適應(yīng) v 可壓縮與不可壓縮流動(dòng)問題v 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問題v 無粘流，層流及湍流問題v 牛頓流體及非牛頓流體v 對流換熱問題（包括自然對流和混合對流）

9、v 導(dǎo)熱與對流換熱耦合問題v 輻射換熱v 化學(xué)組分混合與反應(yīng)v 用Lagrangian 軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）v 兩相流問題 v 復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng)FLUENT的本質(zhì)vFluent本質(zhì)是做CFD計(jì)算vfluent上所有的面板，最基本的功能就是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的： 1).選擇問題的物理和數(shù)值方法（數(shù)值算法、粘性模型、輻射、多相等）； 2).邊界的處理（fluent給定的各種邊界，UDF）FLUENT基本程序結(jié)構(gòu)v GAMBIT，網(wǎng)格生成v 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v Gridgen前處理器v FLUENT解法器v prePDF，用于模擬PDF燃

10、燒過程FLUENTGAMBITTGridFLUENT 解法器解法器FLUENT程序軟件包應(yīng)該包括以下幾個(gè)部分：GAMBIT設(shè)置幾何形狀設(shè)置幾何形狀生成生成2D或或3D網(wǎng)格網(wǎng)格 其它軟件包其它軟件包 如如CAD等等FLUENT網(wǎng)格輸入及調(diào)整網(wǎng)格輸入及調(diào)整物理模型物理模型邊界條件邊界條件流體物性確定流體物性確定計(jì)算計(jì)算結(jié)果后處理結(jié)果后處理TGrid2D三角網(wǎng)格三角網(wǎng)格3D四面體網(wǎng)格四面體網(wǎng)格2D和和3D混合網(wǎng)格混合網(wǎng)格prePDF PDF查表查表2D或或3D網(wǎng)格網(wǎng)格幾何形狀或幾何形狀或網(wǎng)格網(wǎng)格PDF程序程序網(wǎng)格網(wǎng)格邊界和（或）邊界和（或）體網(wǎng)格體網(wǎng)格邊界網(wǎng)格邊界網(wǎng)格FLUENT基本程序結(jié)構(gòu)FLUE

11、NT基本控制體形狀三維網(wǎng)格：trianglequadrilateral二維網(wǎng)格：tetrahedronhexahedronpyramidprism or wedgeFLUENT中的湍流模型 湍流流動(dòng)模型很多，但大致可以歸納為以下三類：v 湍流輸運(yùn)系數(shù)模型 模型的任務(wù)就是給出計(jì)算湍流粘性系數(shù)的方法。根據(jù)建立模型所需要的微分方程的數(shù)目，可以分為零方程模型（代數(shù)方程模型），單方程模型和雙方程模型。 v 第二類是拋棄了湍流輸運(yùn)系數(shù)的概念，直接建立湍流應(yīng)力和其它二階關(guān)聯(lián)量的輸運(yùn)方程。v 大渦模擬 前兩類是以湍流的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對所有渦旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。大渦模擬把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通過求解三

12、維經(jīng)過修正的Navier-Stokes方程，得到大渦旋的運(yùn)動(dòng)特性，而對小渦旋運(yùn)動(dòng)還采用簡化的亞格子模型（SGS）。 FLUENT中的湍流模型v 實(shí)際求解中，選用什么模型要根據(jù)具體問題的特點(diǎn)來決定。選擇的一般原則是流體是否可壓，精度要求，應(yīng)用簡單，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，同時(shí)也具有通用性。v FLUENT提供的湍流模型包括：v 單方程（Spalart-Allmaras）模型、v 雙方程模型（基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率：標(biāo)準(zhǔn)-模型、重整化群-模型、帶漩流修正的Realizable -模型；基于湍流能量方程和擴(kuò)散速率方程：標(biāo)準(zhǔn)k-模型，剪切壓力傳輸（SST） k-模型）v 雷諾應(yīng)力模型v 大渦模擬（3D）湍流模型優(yōu)

13、缺點(diǎn)湍流模型優(yōu)缺點(diǎn)FLUENT中的求解方程v 對于所有流動(dòng)，F(xiàn)LUENT都求解質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程。對于包含傳熱或可壓性流動(dòng)，還需要增加能量守恒方程。 v 質(zhì)量守恒方程 miiSuxt)(動(dòng)量守恒方程 iijijijijiFgcxpuuxut)()(能量方程 heffijjjjjieffiiiSuJhxTkxpEuxEt)()()(FLUENT中的求解方法 耦合求解，指同能量方程一起求解，主要是同NASA共同開發(fā)。而分離求解是動(dòng)量方程、壓力方程和能量方程分開單獨(dú)求解，迭代求解。耦合求解精度高，而并行求解一般精度低。 非耦合求解 不可壓縮或壓縮性不強(qiáng)的流體流動(dòng) 耦合隱式求解 高速可壓縮流動(dòng) FLU

14、ENT默認(rèn)設(shè)置是非耦合求解，但對于高速可壓流動(dòng)，有強(qiáng)的體積力（浮力或離心力）的流動(dòng)，求解問題時(shí)網(wǎng)格要比較密，建議采用耦合隱式求解方法，可以耦合求解能量和動(dòng)量方程，能比較快地得到收斂解。缺點(diǎn)是需要的內(nèi)存比較大（是非耦合求解迭代時(shí)間的1.5-2倍） 耦合顯式求解（收斂時(shí)間比較長 ），前身為NASA RANPANT程序。前處理軟件GAMBIT的使用網(wǎng)格選擇v網(wǎng)格選擇需要考慮因素 1 建模時(shí)間 2 計(jì)算花費(fèi)，一般對于同一幾何體三角形/四面體網(wǎng)格元素比四邊形/六面體的數(shù)目要少。但是后者卻能允許較大的縱橫比，因此對于狹長形的幾何體選擇該種網(wǎng)格類型。 3 數(shù)字發(fā)散，引起發(fā)散的原因是由于系統(tǒng)的截?cái)嗾`差，如果實(shí)

15、際流場只有很小的發(fā)散，這時(shí)的發(fā)散就很重要。 Gambit的命令面板 工具欄幾何造型網(wǎng)格劃分定義邊界條件及屬性網(wǎng)格質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)v 網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體。網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計(jì)算精度和計(jì)算效率有重要影響。對于復(fù)雜的CFD問題，網(wǎng)格極易出錯(cuò)，因此必須對網(wǎng)格生成方式給予足夠的關(guān)注。v 網(wǎng)格質(zhì)量本身與具體問題的具體幾何特性、流動(dòng)特性及流場求解算法有關(guān)。因此，網(wǎng)格質(zhì)量最終要由計(jì)算結(jié)果來評判，但是誤差分析以及經(jīng)驗(yàn)表明，CFD計(jì)算對計(jì)算網(wǎng)格有一些一般性的要求。網(wǎng)格質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)v 最基本的要求：所有網(wǎng)格點(diǎn)的Jacobian必須為正值，即網(wǎng)格體積必須為正。v 光滑性：相鄰網(wǎng)格元素體積的

16、變化過大，容易引起較大的截?cái)嗾`差，從而導(dǎo)致發(fā)散。 v 元素形狀：主要包括傾斜和縱橫比。一般縱橫比要小于5:1。v 流場：很傾斜的網(wǎng)格在流動(dòng)的初始區(qū)域是可以的，但在梯度很大的地方就不行。v 節(jié)點(diǎn)密度和聚變：一般來說任何流管都不應(yīng)該用少于5個(gè)的網(wǎng)格元素來描述。體網(wǎng)格劃分 v選定一個(gè)體，體的形狀和拓?fù)涮卣饕约懊嫔系狞c(diǎn)的類型最終決定了可采用的劃分類型和策略v第一：定義元素類型 Hex 六面體 Hex/Wedge 六面體和楔體 Tet/Hybrid 四面體體網(wǎng)格劃分v 第二：指定劃分策略 Map/Hex 產(chǎn)生規(guī)則的結(jié)構(gòu)化六邊形網(wǎng)格單元 Submap/hex 把一個(gè)不是mappable的體劃分為mappa

17、ble區(qū)域，在各個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生規(guī)則的結(jié)構(gòu)化的六邊形網(wǎng)格單元 Tet Primitive /hex 把一個(gè)四面體分成四個(gè)六面體區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域產(chǎn)生結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 Cooper /hex(hex/wedge) 對指定的源面上的節(jié)點(diǎn)模式進(jìn)行掃掠，從而形成體網(wǎng)格 TGrid/(Tet/Hybrid) 主要采用四面體單元，但是在恰當(dāng)?shù)牡胤揭灿昧骟w或者，錐體，楔體等單元 網(wǎng)格加密技術(shù)v1）在做網(wǎng)格時(shí)區(qū)域分塊進(jìn)行局部加密。v2）利用FLUENT中的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)加密。GAMBIT中邊界條件的定義 選擇求解器 針對求解器選擇不同的邊界條件定義器GAMBIT中邊界條件的定義 選擇邊界對應(yīng)的幾何體默認(rèn)值：線、面、體

18、選擇邊界的類型.鼠標(biāo)直接選取. 對定義好的邊界可以再操作更改、刪除.FLUENT主體程序使用 FLUENT中的網(wǎng)格 v 網(wǎng)格檢查：在讀入網(wǎng)格檢查網(wǎng)格，看是否存在問題。v 負(fù)體積的存在說明存在連接不正確的地方，可以通過Iso-Value Adoption在圖形窗口中顯示出錯(cuò)的區(qū)域。進(jìn)行解算前必須將這些負(fù)體積區(qū)域去除。 v 報(bào)告網(wǎng)格的統(tǒng)計(jì)信息：1，網(wǎng)格尺寸：節(jié)點(diǎn)、面、單位、分區(qū)的數(shù)目，grid-info-size。（分區(qū)用于并行算法）如果對每個(gè)區(qū)域內(nèi)的信息有興趣，選擇grid-info-zone。如果你使用的是對偶型的顯式解算器，每一網(wǎng)格級別的網(wǎng)格信息將被顯示。2，內(nèi)存信息，你可以得到系統(tǒng)內(nèi)存信息

19、的的使用情況。Grid-info-memory usage 。 v 修改網(wǎng)格FLUENT中湍流模擬的設(shè)置 v 激活粘性模型面板上的湍流模型（Spalart-Allmaras, k-epsilon, k-，Reynolds Stress or Large Eddy Simulation ）,如果選擇k-epsilon模型，將需要繼續(xù)選擇采用標(biāo)準(zhǔn)模型、重整化群模型或可實(shí)現(xiàn)模型中的一種。v 如果流動(dòng)問題中包含壁面，選擇或者雷諾應(yīng)力模型，在粘性模型面板上選擇近壁處理方式。近壁處理方式包括：標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；非平衡壁面函數(shù)和雙層區(qū)模型。FLUENT中的材料 v 包括：密度或者分子量，粘度，熱容，熱傳導(dǎo)率，質(zhì)

20、量擴(kuò)散系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)焓，分子運(yùn)動(dòng)論參數(shù)。v 定義方式： 1）通過讀入Case文件來定義材料。 2）可以自己定義新的材料。 3）利用UDF來修改材料屬性。 FLUENT中監(jiān)視參數(shù)設(shè)置vMONITORv監(jiān)視殘差（同時(shí)可以修改收斂的判據(jù)）v監(jiān)視點(diǎn)、線、面上的變量值FLUENT中的邊界條件 v 為了獲得物理問題（各種微分方程）的唯一解，必須對計(jì)算域邊界設(shè)定各種參數(shù)值. 如各種通量（熱通量、質(zhì)量通量）、運(yùn)動(dòng)狀況等.v 邊界條件內(nèi)容: 定義邊界條件的位置信息 (如進(jìn)口、固體壁面、對稱位置面) 確定邊界上的各種v 邊界條件的具體內(nèi)容和計(jì)算中采用的物理模型、邊界條件的類型密切相關(guān).v 必須仔細(xì)確定邊界條件的參數(shù)

21、直接影響了求解過程和所得到的結(jié)果.FLUENT中的邊界條件設(shè)置原則v設(shè)定在流場的進(jìn)、出口 有利于收斂v在垂直邊界上不應(yīng)該存在很大的參數(shù)梯度 會(huì)導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果v減少邊界附近的網(wǎng)格扭曲度 導(dǎo)致早期計(jì)算誤差過大FLUENT中的基本邊界類型v 外部面 一般: Pressure inlet, Pressure outlet 不可壓: Velocity inlet, Outflow 可壓: Mass flow inlet, Pressure far-field 特殊: Inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fan 其它: Wall, Symmetry

22、, Periodic, Axisv 單元、區(qū)域 Fluid and Solidv 相交面 Fan, Interior, Porous Jump, Radiator, Walls多通道出口v可以利用 Pressure Outlet 和 Outflow boundaries. Pressure Outlets Outflow:出口流量定義如下:mi=FRWi/FRWi where 0 FRW 1. FRW 為 1 表示均勻分布pressure-inlet (p0,T0)pressure-outlet (ps)2velocity-inlet (v,T0)pressure-outlet (ps)1or

23、FRW2velocity inletFRW1其它的邊界條件vPressure Far Field 模擬 ideal gas law下的流動(dòng). 通常給定 free-stream Mach number 和靜態(tài)參數(shù) . Exhaust Fan/Outlet Vent 給定壓力損失系數(shù)（壓力降）以及環(huán)境參數(shù)vInlet Vent/Intake Fan 模擬風(fēng)扇運(yùn)動(dòng). 給定壓力損失系數(shù)（壓力降）以及環(huán)境參數(shù)Wall Boundariesv 速度：無滑移 切向速度和固壁面速度相等. 法向速度為零 可以定義壁面剪切力.v 熱邊界: 幾種不同的條件 包括定義壁面厚度.v 定義運(yùn)動(dòng)的壁面.區(qū)域定義: Fluidv Fluid zone = 求解的流體計(jì)算域.v 確定Fluid material.v 確定各種源項(xiàng): 質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)、能量等 定義為多空介質(zhì)v 定義旋轉(zhuǎn)等周期性運(yùn)動(dòng).v 定義各種運(yùn)動(dòng)方式.區(qū)域定義