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计算流体力学


Fluent软件介绍(实例分析 )

唐冠楚

张晓敏

? 主要内容
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Fluent数值模拟方法介绍

(张晓敏)

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Fluent求解操作流程介绍

(唐冠楚)

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Fluent实例分析 (唐冠楚,张晓敏)

? fluent数值模拟方法
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有限体积法( FVM ),又称为有限容积法,它正是从物理量守恒 这一基本要求出发提出的。其以守恒型的方程为出发点,通过对 流体运动的有限子区域的积分离散来构造离散方程。有限体积法 是守恒定律的一种最自然的表现形式。 该方法适用于任意类型的单元网格,便于应用来模拟具有复杂边 界形状区域的流体运动;只要单元边上相邻单元估计的通量是一 致的,就能保证方法的守恒性;有限体积法各项近似都含有明确 的物理意义。 它可以吸收有限元分片近似的思想以及有限差分方法的思想来发 展高精度算法。由于物理概念清晰,容易编程;有限体积法成为 了工程界流行的数值计算手段。

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? fluent数值模拟方法
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有限体积法(FVM)

有限体积法,是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。
离散方程的物理意义:因变量在有限大小的控制体积中的守 恒原理,如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的 守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程,要求因变量的 积分守恒对任意一组控制体积都得到满足,对整个计算区域, 自然也得到满足。 有限体积法即使在粗网格情况下,也显示出准确的积分守恒。

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? fluent数值模拟方法
? 基于FVM的流体力学方程离散方法
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有限体积法是将非线性偏微分方程转变为网格单元上的线 性代数方程,然后通过求解线性方程组,得出流场的解 。
网格划分可以将连续的空间划分为相互连接的网格单元。 每个网格单元由位于几何中心的控制点和将网格单元包围 起来的网格面或线构成。求解流场的控制方程,最终的目 的就是获得所以控制点上流场变量的值。

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? fluent数值模拟方法
? 有限体积法的基本思想
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有限体积法与有限差分法一样,也好对求解域进行离散,将 其分割成有限大小的离散网格。在有限体积法中每一网格节 点按一定的方式形成一个包围该节点的控制容积V。有限体积 法的关键步骤是将控制微分方程式在控制容积内进行积分, 即: 上面公式利用高斯散度公式可转化为:

上面守恒方程4项的物理意义可简单描述为:

? fluent数值模拟方法
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离散方法的比较
有限差分法(FDM) 直观,理论成熟,精度可选,易于编程,但是不规则区域 处理繁琐,对区域的连续性等要求较高。 有限元方法(FEM) 适合于处理复杂区域,精度可选,但内存和计算量巨大。

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有限体积法(FVM)
适于流体计算,方程中的各项有明确的物理意义,可以应 用于不规则网格,适于并行,精度基本上是二阶。

? FVM的求解方法

? 利用Fluent进行求解的过程中,主要有三种压力与速度的耦合方 式选择,分别是SIMPLE格式、SIMPLC格式和PISO格式。 ? SIMPLE算法:是工程实际中应用最为广泛的一种流体计算方法, 属于压力修正法的一种,主要应用于求解不可压流场的数值方法。

? SIMPLE算法基本思想:对于给定的压力场,求解离散形式的动量 方程,得到速度场。因为压力是假定的或不精确的,此时得到的 速度场一般都不满足连续性方程,因此,要对给定的压力场进行 修正。由压力修正方程得出压力修正值,然后,根据修正后的压 力场,求得新的速度场。检查速度场是否收敛,若不收敛,用修 正后的压力值作为给定的压力场,开始下一次的计算。
? 核心问题:如何获得压力修正值以及如何根据压力修正值构造速 度修正方程。

? FVM的求解方法
? SIMPLEC算法:与SIMPLE算法在基本思路上是一致的,但是在通 量修正方法上有所改进,加快了计算的收敛速度。 ? PISO算法:与SIMPLE及SIMPLEC算法的不同之处在于:SIMPLE和 SIMPLEC算法是两步算法,由预测步和修正步组成。而PISO算法 增加了一个修正步,包含了一个预测步和两个修正步,在完成 了第一步修正步得到速度场和压力场后寻求第二次改进值。使 它们更好地同时满足动量方程和连续性方程。加快了单个迭代 步中的收敛速度,但是耗用更多的计算机资源。

? FVM的求解方法
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总结:SIMPLE算法是SIMPLE系列算法的基础,其通用性强, 能保证速度调节趋势的正确性,目前各种 CFD 软件均提供 这种算法。但其经常造成速度和压力修正的不同步,其收 敛速度常常难如人愿。而 SIMPLEC 和PISO 算法主要是提高 了计算的收敛性,缩短了计算时间。本次案例采用SIMPLE 算法求解。

? FVM的求解方法
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有限体积法的特点 有限体积法的出发点是积分形式的控制方程,这一点不同 于有限差分法;同时积分方程表示了特征变量φ在控制容 积内的守恒特性,这又与有限元法不同。 积分方程中的每一项都有明确的物理意义,从而使得方程 离散时,对各离散项可以给出一定的物理解释。这一点对 于流动与传热的其他数值方法还不能做到。 各节点有互不重叠的控制容积。从而整个求解域中场变量 的守恒可以由各个控制容积中特征变量的守恒来保证。

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? Fluent求解操作流程介绍

? Fluent求解操作流程
Fluent 2D、3D求解器的选择

? Fluent求解操作流程
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界面操作流程

? Fluent求解操作流程
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网格相关操作

读入网格

? Fluent求解操作流程
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网格相关操作

检查网格
设置尺寸 显示网格

? Fluent求解操作流程
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计算模型选择

? Fluent求解操作流程
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定义材料物理性质

? Fluent求解操作流程
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操作环境

? Fluent求解操作流程
? 设置边界条件

? Fluent求解操作流程
? 流体区域设置

? Fluent求解操作流程
? 求解方法设置

? Fluent求解操作流程
? 松弛因子设置

? Fluent求解操作流程
? 监测值设置

? Fluent求解操作流程
? 初始化设置

? Fluent求解操作流程
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求解设置

Fluent求解操作流程
? 计算求解

? Fluent求解操作流程
? 后处理 ? Graphics and Animation

? Plots
? Reports

? Fluent实例分析
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卡门涡街实例
流体流过非流线型物体时,在特定的条件下,流体尾流左右 出现成对的、交替出现的、方向相反的漩涡,如图,因卡门 最先从理论上阐明而得名卡门涡街。 卡门涡街是自然界的流动常见现象,如风流过桥梁、炊烟等 。卡门涡街使得阻流体左右两侧压力随着时间变化,使其发 生震动。根据涡街脱落频率与来流速度成正比的性质可制成 涡街流量计。

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? Fluent实例分析
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卡门涡街实例

圆柱扰流几何模型尺寸
问题描述: 考虑一个直径为50mm的圆柱。

计算区域上游距离圆柱中心600mm,
下游距离圆柱中心1600mm,宽度取 1000mm.
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卡门涡街的形成同雷诺数Re有关
当Re为50-300时,从物体上脱落的涡旋是有周期性规律的; 当Re>300时涡旋开始出现随机性脱落;随着Re的继续增大, 涡旋脱落的随机性也增大,最后形成了湍流。

? Fluent实例分析(卡门涡街)
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在数值计算中取雷诺数为 210 ,可由下公式求出,入口速 度约为0.031m/s.

? 几何模型

? Fluent实例分析(卡门涡街)
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网格划分

利用ICEM划分非结构网格,并在圆柱周围加密。

? Fluent实例分析(卡门涡街)
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圆柱绕流数值计算及后处理 定义网格 1.检查没有负体积。2.网格单位转换。

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定义求解模型
1.定义瞬态求解器。 2.层流模型。3.材料为空气。 4.入口边界为速度入口,0.031m/s。 5.滑移壁面,速度0.031m/s。 6.定义内部的interior,两个Surface的数据在此处连续。

? Fluent实例分析(卡门涡街)
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初始化和计算 定义监测器

监测圆上升力系数的变化。
已有的实验数据表明,圆柱绕流的无量纲频率约为 0.2 ,为 了准确抓住涡脱落现象,在一个涡脱落周期内至少约需要 20 个时间步长。 Sr :斯特劳哈尔数. 本算例中,U=0.031,D=0.1, 所以f=0.062,一个脱落周期t=16s;

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一个周期取64个步长,时间步长取值: Δt=16/64=0.25s

? Fluent实例分析(卡门涡街)
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后处理

升力系数随时间变化曲线

Fluent实例分析(卡门涡街)
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后处理

不同时刻的涡量云图

? Fluent实例分析(卡门涡街)
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压力云图

? Fluent实例分析(卡门涡街)
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瞬时流线图

? Fluent实例分析(卡门涡街)

? Fluent实例分析
? 采空区瓦斯运移规律模拟 ? 网格划分: ICEM CFD ? 几何尺寸:巷道3*4(m),工作面:160*6*3(m), 采空区600*160*70(m); ? 边界条件:进风:2m/s,出口:自由出口, 采空区瓦斯涌出量:500l/s;

未考虑煤体氧化放热。

? Fluent实例分析
? 几何模型图

? Fluent实例分析
? 几何模型网格划分(约50万网格)

? Fluent实例分析
? 计算模型的选择

? k-epsilon,RNG模型
? Species Transport

? Fluent实例分析
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利用fluent中UDF构建采空区粘性阻力系数和瓦斯源项

? Fluent实例分析
? 解算结果:

? 采空区瓦斯分布云图

? Fluent实例分析
? 解算结果

? 采空区氧气分布云图


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