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FLUENT软件简单介绍


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标题: FLUENT软件简单介绍 作者: zhaoweiguo 时间: 2007-7-21 11:09 标题: FLUENT软件简单介绍

FLUENT软件简单介绍FLUENT软件是美国FLUENT公司开发的通用CFD流场 计算分析软件,囊括了Fluent Dynamic Internatio

nal、比利时Polyflow和 Fluent Dynamic International(FDI)的全部技术力量(前者是公认的粘 弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司,而后者是基于有限元方法CFD 软件方面领先的公司)。 FLUENT是用于计算流体流动和传热问题的程序。它提供的非结构网格生 成程序,对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维 的三角形和四边形网格;三维的四面体、六面体及混合网格。FLUENT还可根 据计算结果调整网格,这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场 有很实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施, 而非整个流场,因此可以节约计算时间。 一、程序的结构 FLUENT程序软件包由以下几个部分组成: (1)GAMBIT——用于建立几何结构和网格的生成。 (2)FLUENT——用于进行流动模拟计算的求解器。 (3)prePDF——用于模拟PDF燃烧过程。 (4)TGrid——用于从现有的边界网格生成体网格。 (5)Filters(Translators)—转换其他程序生成的网格,用于FLUENT计算。 可以接口的程序包括:ANSYS,I-DEAS,NASTRAN,PATRAN等。

附图1 基本程序结构示意图

利用FLUENT软件进行流体流动与传热的模拟计算流程如附图2-1所示。首先 利用GAMBIT进行流动区域几何形状的构建、边界类型以及网格的生成,并输 出用于FLUENT求解器计算的格式;然后利用FLUENT求解器对流动区域进行

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求解计算,并进行计算结果的后处理。 二、FLUENT程序可以求解的问题 FLUENT软件可以采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格,基本 控制体形状如附图2-2所示。FLUENT软件可以计算二维和三维流动问题,在 计算过程中,网格可以自适应调整。

附图2 FLUENT的基本控制体形状 FLUENT软件的应用范围非常广泛,主要范围如下: (1)可压缩与不可压缩流动问题。 (2)稳态和瞬态流动问题。 (3)无黏流,层流及湍流问题。 (4)牛顿流体及非牛顿流体。 (5)对流换热问题(包括自然对流和混合对流)。 (6)导热与对流换热耦合问题。 (7)辐射换热。 (8)惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。 (9)用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相(颗粒,水滴,气泡等)。 (10)一维风扇、热交换器性能计算。 (11)两相流问题。 (12)复杂表面形状下的自由面流动问题。 三、用FLUENT程序求解问题的步骤 利用FLUENT软件进行求解的步骤如下: (1)确定几何形状,生成计算网格(用GAMBIT,也可以读入其他指定程序 生成的网格)。 (2)输入并检查网格。 (3)选择求解器(2D或3D等)。 (4)选择求解的方程:层流或湍流(或无粘流),化学组分或化学反应,传热 模型等。确定其他需要的模型,如:风扇、热交换器、多孔介质等模型。

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(5)确定流体的材料物性。 (6)确定边界类型及其边界条件。 (7)条件计算控制参数。 (8)流场初始化。 (9)求解计算。 (10)保存结果,进行后处理等。 四、关于FLUENT求解器的说明 (1)FLUENT2D——二维单精度求解器;(2)FLUENT3D——三维单精度求 解 器: (3)FLUENT2ddp——二维双精度求解器;(4)FLUENT 3ddp——三维双 精度求解器。 五、FLUENT求解方法的选择 ①非耦合求解;②耦合隐式求解;③耦合显式求解, 非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。耦合求解方 法则可以用在高速可压缩流动。FLUENT默认设置是非耦合求解,但对于高速 可压流动,或需要考虑体积力(浮力或离心力)的流动,求解问题时网格要比较 密,建议采用耦合隐式求解方法求解能量和动量方程,可较快地得到收敛解。 缺点是需要的内存比较大(是非耦合求解迭代时间的1.5-2.0倍)。如果必须要 耦合求解,但机器内存不够时,可以考虑用耦合显式解法器求解问题。该解法 器也耦合了动量,能量及组分方程,但内存却比隐式求解方法小。缺点是收敛 时间比较长。 六、边界条件的确定 利用FLUENT软件包进行计算过程中,边界条件的正确设置是关键的一步。设 置边界条件的方法一般是在利用GAMBIT建模过程中设定的,也可以在 FLUENT求解器中对边界类型进行重新设定。 FLUENT软件提供了十余种类型的进、出口边界条件,分别介绍如下。 (1)速度入口(velocity-inlet):给出入口边界上的速度。 给定入口边界上的速度及其他相关标量值。该边界条件适用于不可压速流动问 题,对可压缩问题不适合,否则该入口边界条件会使入口处的总温或总压有一 定的波动。 边界条件设置对话框如附图2-3,输入量包括:速度大小、方向或各速度分 量、周向速度(轴对称有旋流动)、静温(考虑能量)等。

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附图3 速度入口边界设置对话框 (2)压力入口(pressure-inlet):给出入口边界上的总压。 压力入口边界条件通常用于流体在入口处的压力为已知的情形,对计算可压和 不可压问题都适合。压力进口边界条件通常用于进口流量或流动速度为未知的 流动。压力入口条件还可以用于处理自由边界问题。 压力入口边界的设置对话框如附图2-4,其中第一项的表压强与绝对压强、操 作压强有如下的关系

附图4 压力入口边界设置对话框 另外还应注意,这里给出的表压强的大小,是入口边界上的总压。对于不可压 缩流动:

对于可压缩流动,有:

压力入口条件需要输入的参数有总压、总温、流动方向、静压、湍流量(用于 湍流计算)、辐射参数(考虑辐射)、化学组分质量分数(考虑化学组分)、混合 分数及其方差(用PDF燃烧模型)、progress variable(预混燃烧计算)、离散 相边界条件(稀疏相计算)及第二相体积分数(多相计算)等。 (3)质量入口(mess-flow-inlet):给出入口边界上的质量流量。 质量入口边界条件主要用于可压缩流动;对于不可压缩流动,由于密度是常 数,可以用速度入口条件。

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质量入口条件包括两种:质量流量和质量通量。质量流量是单位时间内通过进 口总面积的质量。质量通量是单位时间单位面积内通过的质量。如果是二维轴 对称问题,质量流量是单位时间内通过2π弧度的质量,而质量通量是通过单位 时间内通过1弧度的质量。 给定入口边界上的质量流量,此时局部进口总压是变化的,用以调节速度,从 而达到给定的流量,这使得计算的收敛速度变慢。所以,如果压力边界条件和 质量边界条件都适用时,应优先选择用压力入口边界条件。对于不可压速流 动,由于密度是常数,可以选择用速度进口边界条件。 (4)压力出口(pressure-outlet):给定流动出口边界上的静压。 对于有回流的出口,该边界条件比outflow边界条件更容易收敛。 给定出口边界上的静压强(表压强)。该边界条件只能用于模拟亚音速流动。如 果当地速度已经超过音速,该压力在计算过程中就不采用了。压力根据内部流 动计算结果给定。其他量都是根据内部流动外推出边界条件。该边界条件可以 处理出口有回流问题,合理的给定出口回流条件,有利于解决有回流出口问题 的收敛困难问题。 出口回流条件需要给定:回流总温(如果有能量方程)、湍流参数(湍流计算)、 回流组分质量分数(有限速率模型模拟组分输运)、混合物质量分数及其方差 (PDF计算燃烧)。如果有回流出现,给定的表压将视为总压,所以不必给出回 流压力。回流流动方向与出口边界垂直。 在出口压力边界条件给定中,需要给定出口静压(表压)。当然,该压力只用于 亚音速计算。如果局部变成超音速,则根据前面来流条件外推出口边界条件。 需要特别指出的是,这里的压力是相对于前面给定的工作压力。 (5)无穷远压力边界(pressure-far-field):该边界条件用于可压缩流动。 如果知道来流的静压和马赫数,FLUENT提供了无穷远压力边界条件来模拟该 类问题。该边界条件适用于用理想气体定律计算密度的问题。为了满足无穷远 压力边界条件,需要把边界放到我们关心区域足够远的地方。 给定边界静压和温度及马赫数。可以是亚音速、跨音速或者超音速。并且需要 给定流动方向,如果有需要还必须给定湍流量等参数。 无穷远压力边界条件是一种不反射边界条件。 (6)自由出流(outflow):对于出流边界上的压力或速度均为未知的情形, 可以选择自由出流边界条件。 这类边界条件的特点是不需要给定出口条件(除非是计算分离质量流、辐射换 热或者包括颗粒稀疏相问题)。出口条件都是通过FLUENT内部计算得到。但 并不是所有问题都适合,如下列情况,就不能用出流边界条件: ①包含压力进口条件;②可压缩流动问题:⑧有密度变化的非稳定流动问题 (即使是不可压缩流动)。 用出流边界条件时,所有变量在出口处扩散通量为零。即出口平面从前面的结 果计算得到,并且对上游没有影响。计算时,如果出口截面通道大小没有变 化,采用完全发展流动假设。当然,在径向允许有梯度存在,只是假定在垂直 出口面方向上扩散通量为零。 (7)进口通风(inlet vent):进口通风边界条件需要给定入口损失系数、流 动方向和进口环境总压和总温。 对于进口通风模型,假定进口风扇无限薄,通风压降正比于流体动压头和用户

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提供的损失系数。假定ρ是流体密度,KL是无量纲损失系数,则压降为:

其中:v是与通风方向垂直的速度分量;Δp是流动方向上的压降。 (8)进口风扇(intakefan):进口风扇边界条件需要给定压降、流动方向和 环境总压和总温。 假定进口风扇无限薄,并且有不连续的压力升高,压力升高量是通过风扇速度 的函数。如果是反向流动,风扇可以看成是通风出口,并且损失系数为1。 压力阶跃可以是常数,或者是流动方向垂直方向上速度分量的函数形式。 (9)出口通风(outletvent)。 出口通风边界条件用于模拟出口通风情况,并给定一个损失系数以及环境(出 口)压力和温度。排出风扇给定损失系数和环境静压和静温。 出口通风边界条件需要给定如下参数:静压、回流条件、辐射参数、离散相边 界条件、损失系数。 (10)排气扇(exhaustfan):排风扇给定压降,环境静压。 排气扇边界条件用于模拟外部排气扇,给定一个压升和环境压力。 假定排气扇无限薄,并且流体通过排气扇的压升是流体速度的函数。 (11)对称边界(symmetry):对称边界条件适用于流动及传热场是对称的 情形。 在对称轴或者对称平面(如附图2-5)上,既无质量的交换,也无热量等其他物 理量的交换,因此垂直于对称轴或者对称平面的速度分量为零。在对称轴或者 对称平面上,所有物理量在其垂直方向上的梯度为零。因此在对称边界上,垂 直于边界的速度分量为零,任何量的梯度也为零。 计算中不需要给定任何参数,只需要确定合理的对称位置。该边界条件可用于 黏性流中运动边界处理。

附图5 对称面示意图 (12)周期性边界(periodic)。见附图2-6。 如果我们关心的流动,其几何边界,流动和换热是周期性重复的,那么可以采 用周期性边界条件。FLUENT提供了两种类型:一类是流体经过周期性重复后

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没有压降(cyclic);另外一类有压降(periodic)。

附图6 周期性边界 (13)固壁边界(wall)。 对于黏性流动问题,FLUENT默认设置是壁面无滑移条件。对于壁面有平移运 动或者旋转运动时,可以指定壁面切向速度分量,也可以给出壁面切应力从而 模拟壁面滑移。根据流动情况,可以计算壁面切应力和与流体换热情况。壁面 热边界条件包括固定热通量、固定温度、对流换热系数、外部辐射换热、外部 辐射换热与对流换热等。 七、后处理功能 Fluent软件自带的专用图形后处理模块能够显示流场分析中用到的各种图形及 曲线,如速度矢量图、等值线图(流线图、等压线图等)、等值面云图(等温 面、等Ma数面等)、迹线图、XY-PLOT功能、体积(或面积)积分功能 (力、流量等)、用户定义量的显示、残差和计算值的监控等。
[ 本帖最后由 zhaoweiguo 于 2007-7-21 11:12 编辑 ] 作者: gust 时间: 2007-7-21 11:21

好帖,顶一下:) :lol 作者: ifluid 非常好啊 作者: ukflow 时间: 2007-8-1 11:02 时间: 2007-7-30 12:53

介绍的非常详细啊 。。 作者: fluid 时间: 2007-8-1 12:20

好帖,已经是很全面的介绍了

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