华北理工ANSYS FLUENT培训讲义.docx

FLUENT培训讲义一节：CFD简介什么是CFD?CFD是计算流体动力学(COmPIJtationahIIJiddynamiCS)的缩写，是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方程组-质量守恒方程-动量守恒方程-能量守恒方程-组分守恒方程-体积力一寺寺包CCFD分析一般应用在以下阶段：-概念设计- 产品的详细设计- 发现问题- 改进设计CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。tANSYSCFD求解器是基于有限体积法的-计算域离散化为一系列控制体积-在这些控制体上求解质量、动量、能量、组分等的通用守恒方程pdV+()pdA=UnsteadyConvectiondiscretizedintoafinitesetofcontrolvolumes.，VdA+SdVVJdYDiffusionGeneration-偏微分方程组离散化为代数方程组-用数值方法求解代数方程组以获取流场Continuity1XmomentumUYmomentumVZmomentumWEnergyhEClUatiOnVariabIeFLUENTcontrolvolumesarecell-centered(i.e.theycorresponddirectlywiththemesh)whileCFXcontrolvolumesarenode-centeredProblemIdentification1. Define goals2. Identify domainPre-Processing3. Geometry4. Mesh.5. Physics6. SolverSolveI7. Compute solutionJPost Processing8. Examine resultsPOIAIlepd6问题1 .确定模拟的目的2 .确定计算域皿前处理和求解过程3 .创建代表计算域的几何实体4 ,设计并划分网格5 .设置物理问题（物理模型、材料属性、域属性、边界条件.）6 .定义求解器（数值格式、收敛控制）7 .求解并监控显后处理过程8 .查看计算结果9 .修订模型1.定义模拟目的ProblemIdentificationfydomainDefinegoals你希望得到什么样的结果（例如，压降，流量），你如何使用这些结果?-你的模拟有哪些选择？ 你的分析应该包括哪些物理模型（例如，湍流，压缩性，辐射）？ 你需要做哪些假设和简化？ 你能做哪些假设和简化（如对称、周期性）？ 你需要自己定义模型吗？.FLUENT使用UDF,CFX使用UserFORTRAN计算精度要求到什么级别?你希望多久能拿到结果？鼠冕印是否是合适的工具?2.确定计算域ProblemIdentificationLDefinegoalsJ来？计算域的起始和结束位置-在这些位置你能获得边界条件吗？-这些边界条件类型合适吗？-你能把边界延伸到有合适数据的位置吗？能简化为一维或者轴对称问题吗？DomainofInterest虐asPartofaLargerSystem(notmodeled)事DomainofinterestisolatedandmeshedforCFDsimulation.Solidmodel of a Headlight Assembly3.创建几何模型你如何得到流体域的几何模型？-使用现有的CAD模型从固体域中抽取出流体域？- 直接创建流体几何模型显你能简化几何吗？- 去除可能引起复杂网格的不必要特征（倒角、焊点等）- 使用对称或周期性？流场和边界条件是否都是对称或周期性的？你需要切分模型以获得边界条件或者创建域吗？Pre-ProcessingGeometry4.Meshing5. Physics6. SolverSettings口QuadrilateralHexdhedronTriangle飞TetrahedronPyramidPrism/Wedge计算域的各个部分都需要哪种程度的网格密度？二网格必须能捕捉感兴趣的几何特征，以及关心变量的梯度，如速度梯度、压力梯度、温度梯度等。- 你能估计出大梯度的位置吗？- 你需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？通哪种类型的网格是最合适的？- 几何的复杂度如何？-你能使用四边形/六面体网格，或者三角形/四面体网格是否足够合适？- 需要使用非一致边界条件吗？你有足够的计算机资源吗？- 需要多少个单元/节点？- 需要使用多少个物理模型？对沿着结构方向的流动，四边形/六面体网格和三角形/四面体网格相比，能用更少的单元/节点获得高精度的结果-当网格和流动方向一致，四边形/六面体网格能减少数值扩散-在创建网格阶段，四边形/六面体网格需要花费更多人力对复杂几何，四边形/六面体网格没有数值优势，你可以使用三角形/四面体网格或混合网格来节省划分网格的工作量- 生成网格快速- 流动一般不沿着网格方向混合网格一般使用三角形/四面体网格，并在特定的域里使用其他类型的单元- 例如，用棱柱型网格捕捉边界层- 比单独使用三角形/四面体网格更有效Wedge(prism)meshTetrahedralmesh他多域或混合网格在不同的域使用不同的网格类型，例如-在风扇和热源处使用六面体网格-在其他地方使用四面体/棱柱体网格多域网格是求解精度、计算效率和生成网格工作量之间的很好的平衡手段Modelcourtesy of ROI Enaineerina当不同域直接的网格节点不一致时，需要使用非一致网格技术。非一致网格3DFilm CoolingCoolant is injected into a duct from a plenum. The plenum is meshed with tetrahedral cells while the duct is meshed with hexahedral cellsCompressorand ScrollThe compressor and scroll are joined through a non conformal interface. This serves to connect the hex and tet meshes and also allows a change in reference frameNon-Conformalinterface对复杂几何体，非一致网格很有用- 分别划分每一个域，然后粘接皿在其他情况下，也使用非一致网格界面技术- 不同坐标系之间- 移动网格设置物理问题和求解器Pre-ProcessingGeometry4.Mesh5. Physics6. SolverSettingsForcomplex problems solving a simplified or 2D problem will provide valuable experience with the models and solver settings for your problem in a short amount of time.对给定的问题，你需要- 定义材料属性.流体.固体.混合物- 选择合适的物理模型.湍流，燃烧，多相流等。- 指定操作条件- 指定边界条件- 提供初始值- 设置求解器控制参数- 设置监测收敛参数通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛以下情况达到收敛：-两次迭代的流场结果差异小到可以忽略监测残差趋势能帮助理解这个差异-达到全局守恒全局量的平衡-感兴趣的量（如阻力、压降）达到稳定值监测感兴趣量的变化.07遍呵攵敛解的精度和以下因素有关：-合适的物理模型，模型的精度Aconverged and mesh-independent solution on a well-posed problem Willprovide usefulengineering results!-网格密度，网格无关性-数值误差查看结果皿查看结果，抽取有用的数据-使用可视化的工具能回答以下问题: 什么是全局的流动类型？ 是否有分离？Examineresults to ensure property conservation 激波、剪切层等在哪儿出现？ 关键的流动特征是否捕捉住了？-数值报告工具能给出以下量化结果： 力、动量 平均换热系数 面积分、体积分量andcorrect physical behavior. High residuals may be caused by just a few poor quality cells. 通量平衡PostProcessing8. Examine resultsPOWlepd6这些物理模型是否合适？- 流动是湍流的吗？- 流动是非稳态的吗？- 是否有压缩性效应？- 是否有三维效应？这些边界条件是否合适？- 计算域是否足够大？- 边界条件是否合适？- 边界值是否是合理的？网格是否是足够的？- 加密网格能否提高精度？- 网格是否有无关性？- 是否需要提高网格捕捉几何的细节通流动和传热- 动量、质量、能量方程- 辐射鼠湍流- 雷诺平均模型(Spalart-Allmaras5k-e5k-,雷诺应力模型)- 大涡模拟(LES)和分离涡模拟(DES)组分输运体积反应- Arrhenius有限速率化学反应- 湍流快速化学反应涡耗散,非预混,预混，局部预混PressureContours in Near-Ground Flight- 湍流有限速率反应EDC,laminarflamelet,compositionPDFtransportTemperatureContours for Kiln Burner Retrofit-表面化学反应多相流题-离散相模型(DPM)一VOF一Mixtures一Eulerian-EulerianandEulerian-granular一Liquid/Solidandcavitationphasechange动网格一Movingzones Singleandmultiplereferenceframes(MRF) Mixingplanemodel Slidingmeshmodel一Movinganddeforming(dynamic)mesh(MDM)PressureContours in a Squirrel Cage Blower (Courtesy Ford Motor Co.)用户定义标量输运方程BAnalysis Systems Electric (ANSYS) Fluid Ftow (CFX) HudRow(ftUENT)> Harmonic Response (ANSYS)d Lrr BuckJing (ANSYS)的)Magnetostabc (ANSYS)fU Modal (ANSYS)KU ModaI(Mncef) Random Vtxabon (ANSYS)附 Response Spectrum (ANSYS)Createstandalone systemWorkbench2中的FLUENTCFD启动ANSYSWorkbench皿在工具栏中拖动FllJidFlow(FLUENT)到项目栏里8ArtaMeSysUms0Ebctrk(ANSYS)QFUdRow(CFX)鹿巨豆3(RUEWT)QHarmorwRespome(MeYS)0LffweucMng(AHSYS)MegnetofUbc(AN5Y5).Mmld(AMSYS)Modli(Smtf)RandomMbraton(ANSYS)RMpcnMScwctnjn(MISYS)右键点击GeometrycellA2然后选择ImPortGeometry读入几何文件（CAD模型或者DesignModeIer.agdb文件）你也可以把FLUENT和已经存在的DeSignModeIer进程连接起Probe来右键点击Meshcell然后选择Edit.-Meshing工具打开，并读入几何地选择MeShMA : Probe Meshing ANSYS MultiphysicsFfeEdk view Uhts Tods Help 律阻 Mesh /Update 嗓JMeSh ¾MwhContrd -注意因为网格是从FLUENT中打开的，所以默认优先选择的是FLUENTvelocityinlet/戏IOoKaSetectM膈M(EZr值SUPCteMAlOthMMSm9g0HdtMCtfwtaftM喻UrCtoKtAIBodMc<rvmdOodrX)n*t>W<t5W<tdP«t»>Pv<w.stfrosMtftOnSttoctdPartswtHmrtMtion定义边界和域皿使用NamedSeIeCtiOnS定义边界名字选择你想指定名字的面-右键选择CreateNamedSelection.-键入名字然后点击0K.盘有时你需要指定流体域和固体域-固体用来计算共加传热编辑Setupcell来设置物理问题-边界条件-求解器设置-求解-后处理求解结束后，结果可以在FLUENT中的PoSt里查看，或者输出到CFD-Post中查看-等值线、矢量图-分布图-计算力和力矩-非稳态结果的动画FLUENT软件演示皿启动FLUENT（假设网格已经生成好了）- 设置一个简单的问题- 求解流体流动- 后处理结果谢谢第二节：求解器基础FLUENT用户界面设计为项目树从上至下排列在项目树中选择要设置的单元，输入窗口在中心打开-General-Models-Materials一BoundaryConditions一SolverSettings一InitializationandCalculation一Postprocessing皿FLUENT读入网格文件后，所有的维度默认是以米为单位的- 如果你的模型不是以米为单位建立的，你需要缩放- 网格缩放后需要确认一下计算域的大小。盘如果是在WOrkbenCh下读入网格，不需要缩放。然而，量纲默认为MKS系统如果需要，可以使用混合的量纲系统。- FLUENT默认使用国际单位SlDefineUnits.一在SetUMtS面板中，可以使用任意的量纲。文本用户界面TUl大多数GUl命令都有对应的TUI命令- 许多高级的命令只能通过TUl获得- 按回车键能显示当前级的命令- q键进入上一级皿FLUENT可以在后台运行或通过历史记录文件journal运行鼠标功能皿鼠标功能和二维/三维求解器的选择有关，可以在求解器中设定O缺省设置-2D求解器 左键平移 中键缩放 右键选择-3D求解器左键旋转中键缩放,中键点击确定中心点DiSPIayl-MouseButtons.右键选择初探针功能-右键点击屏幕视图.在WorkbenCh中可以设置另外的鼠标功能述FLUENT提供标准的材料库，也允许用户创建自己的材料。所选择的物理模型决定了哪些材料可用，以及必须设定这些材料的哪些属性。-多相流（多种材料）-燃烧（多种组分）-传热（导热系数）-辐射（发射率以及吸收率）材料属性可以直接设定为温度、压力的函数-和其他变量相关需要用UDF设定。 >w-1»IVZA*TS(2SA> wltU j可以创建、使用、修改材料属性。材料库FLUENT中的材料库-提供一系列预先定义的流体、固体和混合物-如需要，可以拷贝材料并修改其属性客户定义的材料库-在现有的CaSe中创建的新材料和反应机理，可以在以后的CaSe中重复使用-在FLUENT中的材料面板里在参考压力位置设定的操作压力，是FLUENT在计算表压时的参考值ProbtecnSetupGeneralModebMaterialsPhasesCelZoneCondRIonsEkxndaryCondtorrslDynamicMeshReferenceValuesSdubonSofcJbonMethodSSoMionControbBoundaryConditionsZone当计算浮力流时，操作温度设定了参考温度皿操作密度是计算密度大范围变化流动问题的参考值syfm-duct-2?lwdl-brd-bo(tomwal-chp-board*-chp-board-jadowwaN-chp-board:022wal-chp-boafd:022-$hadowwa-chp-board023vwl-c-boafd:023-$hadowwal-ckjdv*dM3ShadOWwal-chpkd024Walchp*k*1024shadowl-j,-1tkrf025»:02S-5h«fc>wTypeID37OperatngConditions.并行计算FLUENT中的并行计算用来运行多个处理器，以减少计算时间，增加仿真效率- 对大规模网格或者复杂物理问题尤其有效- FLUENT是全并行的，能在大多数硬件和软件平台上运行，如CIUSterS或者多核机器上并行FLUENT可以使用命令启动，也可以在启动面板中选择- 例如，启动一个C-CPU并行进程，用下面的命令fluent3d-tn品D网格可以手工分区，或者用下面不同的方法自动分区- 非一致网格，滑移网格和壳导热区域需要逐个来分区总结皿本节课程介绍了CFD仿真中经常用到的许多基础功能并行计算能减少计算时间，但只针对大规模网格时有效后续课程会涉及到非稳态问题的求解设置其他未涉及到的议题（见附录）- 网格构形的关系- 在求解器中重新排序网格和编辑网格- 多面体网格转换- 基于求解器的网格自适应附录SampleJournal File;Read case file rc example . cas . gz;Initialize the solution/ solve/ initialize/ initialize- flow ; Calculate 50 iterationsit 50;Write data file wd example5 0 . dat. gz;Calculate another 50 iterations it 50; Write another data file wd examplel 0 0 . dat. gz;Exit FLUENT exityesFLUENTJournalsFLUENT可以使用journal文件以批处理方式运行6Cjournal是包括TUl命令的文本文件FLUENTTUl允许命令的缩写，如- Is列表工作目录下的文件- red读入case和data文件- wed写case和data文件- rc/wc读/写case文件- rd/wd读/写data文件- it迭代批处理文件中的TUl命令可以在非交互模式下自动运行- TUI命令file/read-bc和file/write-bc可以用来读写FLUENT中的设置到一个文件中读入网格-ZoneSProblemSetupGeneralModels MaterialsIellZone CondonsBoundaryConditionsProblemSetupGeneralModelsMaterialsCell Zone ConcftionsoudaryConditionsDynamicMeshReference ValuesCellZone ConditionsZonefluid-downstreamfluid-upstreamBoundaryConditionsZonedefault-interior CiefauItTnterior :008 default-interior :010 inlet'OUttet plate plate-shadow wal wal:001Default-interior zone(s) can always be ignored.本例中，有两个域(fluid-upstreamandfluid-downstream).皿因此，FLUENT把外壁面劈分为两个面(WaIlandwalk001).速FLUENT也把中间的孔劈分为两个面(plateandplate-shadow).网格构造信息网格文件中存储了所有的网格信息。- 节点坐标- 连接关系- 域的定义和TL何定义类似，网格定义如下：- Node边的交叉点/网格顶点- Edge面的边（由两个节点定义）- Face单元的边界，由一组边定义Simple2D Mesh- Cell域离散的控制体- Zone一系列节点、边、面或单元的集合计算域由以上所有的信息组成- 对纯流动问题，域只包括流体域- 对共挽换热问题，或流固耦合问题，域还会包含固体域边界条件设置在面上NodeEdgeBoundaryFaceSimple3D mesh材料属性和源项设置在单元上网格的重新排序和编辑皿网格的重新排序能使得邻近的单元排在一起- 提高内存读取效率，减少计算带宽- 可以对整个域或者指定的域进行排序IGridlTReordeljDomainIGridlReorderZones- 网格每个分区的带宽可以打印出来供参考GridReorder-PrintBandwidth在网格菜单中，也可以对面/体做如下编辑:一分割域、合并域- 通过合并重合的面或节点来融合域- 平移、旋转、镜像面或体域- 拉伸面形成体域- 替换体域或删除体域- 激活体域或冻结体域多面体网格转换FLUENTGUl中可以把四面体或混合网格转换为多面体网格- 生成四面体网格然后在FLUENT中转换为多面体网格- 优势 提高网格质量 减少单元数量 用户可以控制转换过程-劣势不支持自适应，不能再次转换不支持光顺、交换、合并和拉伸等网格编辑工具IIIGridIPOIyhedraI-ConvertDomain在网格菜单中有两种选择-转换除了六面体外所有的网格为多面体网格不能转换有悬挂节点的网格六面体核心的网格可以通过单独程序转换GridConvertSkewed Cells-只转换高度扭曲的网格为多面体网格分布文件和求解结果插值FLUENT允许通过分布文件和数据插值对选择的变量在面或体上插值。-例如，试验数据或者其他FLUENT计算结果里的入口速度分布，或者粗网格的计算结果插值到密网格上。IFilelWrite-Profile.IFiIelRead-Profile.分布文件是包含选择变量的点数据文件，可以通过FLUENT进程读/写File*Interpolate.类似的，插值数据文件包括选择变量的离散数据,可以在FLUETN中读入和写出。WriteProHle圆OptiorB®DeneNeWProHesOWnteCurrentlyDennedProHesdefdi-intenor:AdaJt-otertocCe7Sadtmtenor:G28drf3Eertoc029rl÷:Ilne*crossIne-xwMpcint-morttor5ynm-b0ard-!symmboard2symrrhip5yntrtp001$yrnm-chp:020iymtrkt-1SyTnmdct-2walwaHx)atd-bottomwal-<hp-boafdValUWS)目除"PresqueAPressureCoefhoertDynamrcPressure,Ao<ePr¾re四RdatryTotalPressureDensityDensityAllVdocWMagmtUdOXVetocrtyYVeiodtyA>aiVe*oatyRadialVetodtyTangenbHVekxHyRelatgVetoatyMagntudeRehtiveXVekxityRdattveYVekxXyRdatrZVelodtywre,rx-,Ij网格自适应网格自适应是求解过程中根据需要加密或粗化网格的技术。-把满足条件的网格标注并存储起来。- 如需要，可以显示或更改这些网样- 点击AdaPt对这些网格进行自适应注册这些网格的过程为：- 所有变量的梯度或等值线- 边界上的所有单元- 指定形状里的所有单元- 网格体积变化率- 近壁面网格的y+下面这些技巧可以帮助实现自适应- 合并注册的适应区- 显示适应函数的等值线- 显示标注的适应网格- 给出基于网格尺寸和数量的适应限制对压力梯度大的区域自适应网格以更好的捕捉通过激波的压力突变.Largepressuregradientindicatingashock(poorz11/*yresolutiononcoarse/7mes1/i/IIzI/IkG/J*rCI/卜，*XXkjl(r*j(,KX*XX,.*:*II/X/InitialMesh(GeneratedbyPreprocessor)h)/fezz-*x¼1I/x2>zPressureContoursonInitialMesh基于求解结果的网格自适应允许更好的解析弓形激波和膨胀波AdaptedcellsinlocationsoflargepressuregradientsMeshadaptionyieldsmuchbetterresolutionofthebowshock.AdaptedMesh(MultipleAdaptionsPressureContoursonAdaptedMeshBasedonGradientsofPressure)谢谢边界条件定义边界条件要确定一个有唯一解的物理问题，必须指定边界上的流场变量-指定进入流体域的质量流量、动量、能量等皿定义边界条件包括：-确定边界位置-提供边界上的信息皿边界条件类型和所采用的物理模型决定了边界上需要的数据你需要注意边界上的流体变量应该是已知的或可以合理预估的-不好的边界条件对计算结果影响很大流体域皿流体域是一系列单元的集合，在其上求解所有激活的方程皿需要选择流体材料-对多组分或多相流，流体域包含这些相的混合物地输入的选择项-多孔介质域-源项-层流域-固定值域-辐射域多孔介质他多孔介质是一种特殊的流体域-在Fluid面板中激活多孔介质域-通过用户输入的集总阻力系数来确定流动方向的压降用来模拟通过多孔介质的流动，或者流过其他均匀阻力的物体-堆积床-过滤纸-多孔板-流量分配器-管束ERMetNe Vtodty Hewt4f* FBHMC *kousRmmUc用输入各方向的粘性系数和惯性阻力系数固体域固体域是一组只求解导热问题而不求解流动方程的单元集合皿只需要输入材料名称皿选择项允许输入体积热源如果临近固体域的单元是旋转周期边界，需要指定旋转轴皿可以定义固体域的运动皿在本例中，入口条件有三个可能的位置:进气管的上游 可以用均匀分布条件 考虑混合效应 非预混反应模型 需要更多单元喷嘴进口平面 非预混反应模型 需要精确的入口分布 流动仍然是非预混的喷嘴出口平面 预混反应模型©AirCombustorWallOAFuelNozzleManifoldbox由于进口边界对流场的影响很大，不建议使用 需要精确的分布皿如果可能，边界的位置和形状能保证流体或者进入流体域，或者流出流体域-不是必须的，但这样能更好的收敛垂直边界的方向不应该有大的梯度-不正确的设置减少近边界的网格扭曲度-否则在计算早期会带来误差品的陪她界-通用 PressureInlet PressureOutlet-不可压缩流 VelocityInlet OUtflOW（不建议用）压缩流 MassFlowInlet PressureFarField-其他 Wall Symmetry Axis Periodic特定 Inlet/OutletVent内部边界-Fan-Interior-PorousJump-Radiator一 Wall Intake/ExhaustFan域和域的类型在前处理阶段定义要改变边界条件类型：-½Zone列表中选择域名。BoundaryConditionsProblemSeCupGeneral Modds M«enabCelZoneCondRioraDynamrMMh Reference VMjmSdUbcnSolution MethodsSolution CortrobMonftorsSolution Hgson CakiMon ActNtm Run CalculationRmiAsGr <h<s «nd Anmebw PlotsReportsdefault-*tenorOOe ：（W«Jt-rtenor:010-在Type下拉列表中选择希望的类型在BC面板中设置-设定指定边界的条件： 在项目树中选择边界条件 在Zone列表中选择边界名称 点击Edit-边界条件数据可以从一个面拷贝到其他面边界条件也可以通过UDF和分布文件定义.分布文件这样生成：-从其他CFD模拟写一个分布文件wordDynwMwrtcV4mRoundMyCondMoos(WmA-rt9kM-WviOf :008<"OW1Qutie(Ptat*tfMkdM*«*1 dov<tfrMn'- 7 < -*r.SdObonSdUbonContnibMonterc MUbcnHbekMkin CAfcdaEionActFvtm MQtcdetnn-创建一个有格式的文本文件VelocityInletZOneNamepniet-1Momentum Thermal Radation ! Speoes DPM MJUphase UDSOK Cancd HejP 速度进口指定速度-速度大小，垂直入口-方向分量-大小和方向指定入口均匀速度分布。如用UDF或者分布文件，可以指定分布入口条件速度入口用于不可压流动，不建议用于压缩流速度大小可以是负值，意味着出口。压力进口pV2Incompressible:pt0al = PstahC + -M2压力入口适用于压缩和不可压缩流-压力入口被处理为从滞止点到入口的无损失过渡-FLUENT计算静压和入口的速度-通过边界的流量随内部求解和指定的流动方向而改变需要的入表思压-超音速/初始表压-入口流动方向-湍流量（如是湍流的话）-总温（如果有传热和/或压缩）Compressible：PtaaabS=Pstatic,ab8(1+(k-lTtotaLabS=丁StatiuabSI1+-流量入口流量入口是为可压缩流设计的，但也可以用于不可压流动- 调整总压以适合流量入口- 比压力入口更难收敛M求的信息- 质量流量或流率- 超音速/初始表压如果当地为超音速，取静压，如果是亚音速，忽略此项。如果初场由此边界设定的化，用于初场计算-总温（在Thermal面板）对不可压缩流取静温一指定方向压力出口皿适用于压缩和不可压流动-