數(shù)值模擬在Fluent軟件上的應(yīng)用課件

數(shù)值模擬在Fluent

軟件上的應(yīng)用

實驗研究理論分析數(shù)值模擬研究流體運動規(guī)律的三種基本方法連續(xù)性方程為：三種基本方法的比較方法優(yōu)點缺點實驗研究1.結(jié)果真實可信2.理論研究和數(shù)值方法的基礎(chǔ)1.受模型尺寸、人身安全、測量精度等限制2.耗費人力、物力、財力3.周期長理論分析1.結(jié)果具有普遍性2.指導實驗、驗證數(shù)值計算1.抽象和簡化計算對象2.非線性方程，很難給出解析結(jié)果數(shù)值模擬1.克服了實驗研究和理論分析的缺點2.形象地再現(xiàn)流動情景程序的編制及資料的收集、整理，很大程度上依賴于經(jīng)驗與技巧計算流體力學（CFD）看作是流動基本方程控制下對流動的數(shù)值模擬。通過計算機數(shù)值計算和圖形顯示，對包含有流體運動和熱傳導等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所作的分析。CFD的基本思想：把原來在時間、空間坐標中連續(xù)的物理量的場（如速度場、溫度場、濃度場等），用有限個離散點上的值的集合來代替，按一定方式建立起關(guān)于這些值的代數(shù)方程（稱為離散方程）并求解之，以獲得物理量場的近似值。數(shù)值解法很好地利用了離散的概念。常用的離散化方法：有限差分法、有限元法和有限體積法。Fluent是基于有限體積法的，

是目前CFD應(yīng)用最廣的一種方法，將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)

格，并使每個網(wǎng)格點周圍有

一個互不重復的控制體積，

將待解的微分方程對每個控

制體積積分，從而得到一組

離散方程。離散化方法數(shù)值解法的基本思路與步驟

數(shù)值解法的思路與步驟PHOENICS：世界上第一套計算流體動力學與傳熱學的商用軟件。CFX：第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的商業(yè)CFD軟件，英國AEA

Technology公司開發(fā)，2003年被ANSYS收購。Fluent：繼PHOENICS之后的第二個投放市場的基于有限體積法的軟件，美國Fluent公司于1983年推出，2006年被ANSYS收購。目前功能最全面、適用性最廣、國內(nèi)使用最廣泛的CFD軟件之一，用C語言編寫。STAR-CD，F(xiàn)IDAP等軟件。

常用的CFD軟件前處理器：主要負責網(wǎng)格的生成。

FLUENT劃分網(wǎng)格的途徑有兩種：用FLUENT提供的專用網(wǎng)格軟件GAMBIT進行網(wǎng)格劃分由其他的CAD軟件完成造型工作，再導入GAMBIT中生成網(wǎng)格，如Pro/E、SolidWorks、Solidedge等。求解器：流體計算的核心，所有計算在此完成。后處理器：Fluent求解器本身就附帶有比較強大的后處理功能。Origin、Tecplot等也是比較專業(yè)的后處理器，可以把一些數(shù)據(jù)可視化。

Fluent軟件包安裝Exceed：Exceed是在Windows環(huán)境下模擬的UNIX軟件，因為Gambit必須在UNIX環(huán)境下才可以運行。安裝Gambit，拷貝Licence到Gambit.Inc/license目錄下。安裝Fluent，拷貝Licence到Fluent.Inc/license目錄下。

如需要卸載，以相反的順序卸載即可。

Fluent軟件包的安裝利用Fluent軟件進行求解的步驟：（1）運行Gambit，確定幾何形狀，構(gòu)造幾何體，輸出.dbs文件（2）生成計算網(wǎng)格，輸出.msh文件（3）運行Fluent軟件，選擇合適的解算器：2D（二維單精度）、3D（三維單精度）、2DDP（二維雙精度）、3DDP（三維雙精度）。（4）輸入網(wǎng)格，即讀入.msh文件（5）檢查網(wǎng)格網(wǎng)格檢查是最容易出的問題是網(wǎng)格體積為負數(shù)。如果出現(xiàn)負體積，計算就不可以進行。利用Fluent軟件進行求解的步驟：（6）選擇解算器的格式Fluent提供3種不同的解格式：分離解、隱式耦合解、顯式耦合解。分離解是按順序解連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及組分方程，耦合解是同時解。隱式和顯式解法的區(qū)別在于線性耦合方程的方式不同。（7）選擇需要解的基本方程層流還是湍流（或者無粘流）、化學組分還是化學反應(yīng)、熱傳導模型等。（8）指定材料物理性質(zhì)（9）指定邊界條件利用Fluent軟件進行求解的步驟：（10）調(diào)節(jié)解的控制參數(shù)（松弛因子、限值、一、二階、迭代誤差等）設(shè)定松弛因子：計算流體力學中要求解非線性方程，求解過程中控制變量的變化可以通過松弛因子來實現(xiàn)，來控制變量在每次迭代中的變化，從而控制收斂的速度并改善收斂的狀況。等于1，相當于不用松弛因子；大于1，為超松弛因子，加快收斂速度；小于1，為欠從弛因子，改善收斂的條件。Fluent里面用的是欠松弛，在0～1之間，越小表示兩次迭代值之間變化越小，也就越穩(wěn)定，但收斂也就越慢。利用Fluent軟件進行求解的步驟：（14)檢查結(jié)果速度、溫度、濃度分布的等值線、矢量圖(15)保存結(jié)果，輸出.dat文件(16)根據(jù)需要進行后處理，利用Oigin、Tecplot等軟件完善溫度分布圖、速度分布場、煙氣成分場等等。必要的話，可以細化網(wǎng)格，改變數(shù)值以及物理模型。網(wǎng)格化分

GAMBIT軟件既可以采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，也可以采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對于不同問題，可以劃分二維的三角形和四邊形網(wǎng)格，三維的四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、金字塔型網(wǎng)格、楔型網(wǎng)格，以及由上述網(wǎng)格類型構(gòu)成的混合型網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成速度快、質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡單，但只適用于形狀規(guī)則的圖形，因此使用的范圍比較窄。對于結(jié)構(gòu)復雜的幾何結(jié)構(gòu)，可以選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，降低了劃分的難度，但是會減慢收斂速度、降低準確性。在Gambit中，只有map和submap生成的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余均為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格化分GAMBIT提供了以下面網(wǎng)格劃分Type選項。選項詳細說明Map生成一個普通的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元網(wǎng)格Submap將一個不可圖示的面分成可圖示區(qū)域并在每個區(qū)域生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元網(wǎng)格Pave生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元網(wǎng)格TriPrimitive將一個三側(cè)面分成三個四邊形區(qū)域并在每個區(qū)域生成可圖示的網(wǎng)格WedgePrimitive在楔形面的尖部生成三角形網(wǎng)格單元并從尖部向外生成放射狀網(wǎng)格Fluent模擬效果圖

煤粉爐低NOx燃燒器算例1.冷、熱水混合器內(nèi)部二維流動一個冷、熱水混合器的內(nèi)部流動與熱量交換的問題。溫度為T=350K的熱水自上部的熱水小管嘴流入，與自下部右側(cè)小管嘴流入的溫度為290K的冷水在混合器內(nèi)進行熱量與動量的交換后，自下部左側(cè)的小管嘴流出?；旌掀鹘Y(jié)構(gòu)如圖所示。算例冷、熱水混合后的出流口冷水入口，T=290K,V=10m/s熱水入口，T=350K,V=10m/s算例熱水入口速度：1m/s溫度：320K