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计算流体力学作业


计算流体力学_作业一

要求: 认识 CFD 软件:学习本课程拟学习和使用的 CFD 软件 ANSYS FLUENT,撰写一份报告,介绍 所选 CFD 软件的功能、可选择的离散格式、湍流模型、求解方法等内容(具体内容可选择 1~2 项介绍) 学习 CFD 软件:选择一简单算例,完成建模计算,撰写报告,简述计算模型、计算方法和计 算结果 报告格式:正文五号字,行

距 1.25 倍,图大小适中。 一、FLUENT 软件简介 CFD 商业软件 FLUENT,是通用 CFD 软件包,用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围 内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术,因而 FLUENT 能达到 最佳的收敛速度和求解精度。 灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理 模型,使 FLUENT 在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/ 变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。目前与 FLUENT 配合最好的标 准网格软件是 ICEM。 FLUENT 系列软件包括通用的 CFD 软件 FLUENT、POLY?FLOW、FIDAP,工程设计 软件 FloWizard、FLUENT for CATIAV5,TGrid、G/Turbo,CFD 教学软件 FlowLab,面向特 定专业应用的 ICEPAK、AIRPAK、MIXSIM 软件等。FLUENT 软件包含基于压力的分离求 解器、基于压力的耦合求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器,多求解器 技术使 FLUENT 软件可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。 FLUENT 软件包含非常丰富、 经过工程确认的物理模型, 可以模拟高超音速流场、 转捩、 传热与相变、 化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工等复杂机理的流动问 题。 1.1 FLUENT 软件优点 1) 、稳定性好,FLUENT 经过大量算例考核,同实验符合较好; 2) 、适用范围广,FLUENT 含有多种传热燃烧模型及多相流模型,可应用于从可压到 不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与 流体相关的领域; 3) 、精度提高,可达二阶精度。 4 )、适用面广,软件包括各种优化物理模型,如计算流体流动和热传导模型 (包括自然 对流、定常和非定常流动,层流,湍流,紊流,不可压缩和可压缩流动,周期流,旋转流及 时间相关流等 ) ;辐射模型,相变模型,离散相变模型,多相流模型及化学组分输运和反应 流模型等。对每一种物理问题的流动特点,有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分 格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。 5 )、高效省时。Fluent 将不同领域的计算软件组合起来,成为 CFD 计算机软件群,软 件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具,这就省却了科研工作者在 计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,而可以将主要精力和智慧用于

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物理问题本身的探索上。 1.2 FLUENT 软件包组成部分 (1) 前处理器 Gambit 用于网格的生成, 它是具有超强组合建构能力的专用 CFD 前置处理器。 FLUENT 系列产品皆采用 FLUENT 公司自行研发的 Gambit 前处理软件来建立几何形状及生成网格。 (2)求解器 它是流体计算的核心,根据专业领域的不同,求解器主要分为以下几种类型: ? ? ? ? ? ? FLUENT 4.5:基于结构化网格的通用 CFD 求解器。 FLUENT 6.2.16:基于非结构化网格的通用 CFD 求解器。 Fidap:基于有限元方法,主要用于流固耦合的通用 CFD 求解器。 Polyflow:针对粘弹性流动的专用 CFD 求解器。 Mixsim:针对搅拌混合问题的专用 CFD 软件。 Icepak:专用的热控分析软件。

(3)后处理器 Fluent 求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。 另外, Tecplot 也是一款比较专业的 后处理器, 可以把一些数据可视化, 这对于数据处理要求比较高的用户来说是一个理想的选 择。 1.3 用 FLUENT 求解问题的步骤 (1)确定几何形状,生成计算网格。 (2)输入并检查网格。 (3)选择求解器 (4)选择求解的方程:层流或湍流 (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 1.4 FLUENT 软件求解器的简介 FLUENT 提供了分离式和耦合式两类求解器, 而耦合式求解器又分为隐式和显示两种。 在计算模型方面,FLUENT 允许用户指定计算是稳态的还是非稳态的,计算模型在空间是 普通的 2D 还是 3D 问题,还是轴对称问题等。在运行环境方面,FLUENT 允许设置参考工 作压力,还可以让用户决定是否考虑重力。 (1) 分离式求解器 分离式求解器是顺序地、逐一地求解各方程。也就是先在全部网格上解出一个方程后, 再解另一个方程。由于控制方程是非线性的,且相互之间是耦合的,因此,在得到收敛解之

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前,要经过多轮迭代。 (2) 耦合式求解器 耦合式求解器是同时求解连续方程、 动量方程、 能量方程及组分运输方程的耦合方程组, 然后,再逐一地求解湍流等标量方程。由于控制方程是非线性的,且相互之间是耦合的,因 此,在得到收敛解之前,要经过多次迭代。 在耦合式求解器中,可采用隐式或显示两种方案进行控制方程的线性化。当然,这里所 谓的隐式和显示,只是针对耦合求解器中的耦合控制方程组(即由连续方程、动量方程、能 量方程及组分运输方程组成的方程组) 而言的, 对于其他的独立方程 (即湍流、 辐射等方程) , 仍采用与分离式求解器相同的解法(即隐式方式)来求解。

图 1 Solver 对话框 1.5 湍流模型 FLUENT 共提供了 7 种湍流模型:无粘、层流、Spalart-Allmaras 单方程、k ? ε双方程、 Reynolds 应力和大涡模拟模型。

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图 2 Viscous Model 对话框 (1) Inviscid 模型 进行无粘计算 (2) Laminar 模型 用层流的模型进行流动模拟。 层流模拟同无粘模拟一样, 不需要用户输入任何与计算模 型有关的参数 (3) Spalart-Allmaras(1 eqn)模型 用 Spalart-Allmaras 单方程模型进行湍流计算。这是用于求解动力涡粘输运方程的相对简单 的一种模型, 它包含了一组最新发展的单方程模型, 在这些方程里不必要去计算和局部剪切 层厚度相关的长度尺寸。Spalart-Allmaras 模型是专门用于求解航空领域的避免限制流动, 对于受逆压力梯度作用的边界层流动, 已取得很好的效果, 在透平机械中的应用也越来越普 遍。 (4) k-epsilon(2 eqn)模型 使用k ? ε双方程模型进行湍流计算。 k ? ε双方程模型分为标准k ? ε模型、 RNG k ? ε模 型和 Realizable k ? ε模型 3 种。这类模型是目前粘性模拟使用最广泛的模型。 (5) k-omega(2 eqn)模型 使用k ? ε双方程模型进行湍流计算。 k ? ε双方程模型分为标准k ? ε模型和 SST k ? ε模 型。标准k ? ε模型基于 Wilcox k ? ε模型,在考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流特性的基础 上修改而成。Wilcox k ? ε模型在预测自由剪切流传播速率时,取得了很好的效果,成功应 用于尾迹流、混合层流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射。因而,可以说该模型能够应 用于壁面约束流动和自由剪切流动。SST k ? ε模型是为了使标准k ? ε模型在近壁面区有更 好的精度和算法稳定性而发展起来的。因此,SST k ? ε模型在许多时候比标准k ? ε模型更 有效。 (6) Reynolds Stress 模型 使用 Reynolds 应力模型(RSM)进行湍流计算。在 FLUENT 中,Reynolds 应力模型是 最精细制作的湍流模型。它放弃了各项同性的涡粘假定,直接求解 Reynolds 应力方程。由

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于它比单方程和双方程模型更加严格地考虑了流线弯曲、旋涡、旋转和张力快速变化,它对 于复杂流动总体上有更高的预测精度。总体来讲,Reynolds 应力模型的计算量很大。当要考 虑 Reynolds 应力的各向异性时,例如飓风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流,必须 用 Reynolds 应力模型。 (7) Large Eddy Simulation 模型 使用大涡模拟(LES)模型进行湍流计算。该模型只对三维问题有效,是目前比较有潜 力的湍流模型。

算例: 计算鼓风机内部速度场和压力场。

图 3 鼓风机网格 算例的内部流动介质为空气, 计算选择稳态的求解器, 模型为湍流中的标准k ? ε模型。 壁面选择标准壁面模型。设置边界条件将 wall-2 和 wall-3 及其阴影区域设置为内部流动区 域。为包含叶片的旋转流动区域设置运动坐标。进流条件为压力进口,总压 200Pa。出流边 界条压力出口,总压 0。叶片边界条件:叶片随着所在区域随着单元区域旋转。求解方法 SIMPLE 算法,为提高计算精度,动量,湍动能和湍动能耗散率都选择二阶迎风格式。求解 控制中的松弛因子选择默认参数。残差设置选择 0.001。对流场进行初始化后准备计算,计 算迭代步数为 400,开始计算。迭代进行到 167 次后结果收敛。

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图 4 鼓风机内部压力场 图 4 中,红色区域为高压区,绿色区域为低压区。

图 5 鼓风机内部速度矢量图

图 6 进出口处质量流量及流量差别


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