计算流体动力学(CFD)简介ppt课件.pptx

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1、一 、计算流体动力学（CFD）简介二 、 FLUENT 概述,计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值模拟计算和图象显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。 CFD计算的基本思想：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场，温度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程（称为离散方程），求解所建立起来的代数方程以获得所求变量的近似值。,一 计算流体动力学（CFD）简介,根据控制方程离散方式，分为 有限差分法（FDM） 有限元法（FEM） 有限

2、分析法（FAM） 有限体积法或者控制体积法（FVM或CVM）。 有限体积法导出的离散方程可以保证守恒特性，而且离散方程的系数物理意义明确，是目前计算流体力学中应用最广的一种方法。,优势1.可得流动问题满足工程需要的数值解2.可利用计算机进行各种数值试验局限性1.是一种离散近似算法2.需充分了解所求解问题3.程序编制、正确使用等要求较高,CFD特点,CFD基本计算过程,2.1 Fluent的工程应用背景 Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，只要涉及流体，热传递，及化学反应等的工程问题，都可以用Fluent进行解算。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法及

3、强大的前后处理功能，在航天航空、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。 Fluent能够解决的工程问题可以归纳为以下几个方面： 1.采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和三维流动问题。计算过程中，网格可以自适应。 2.可压缩与不可压缩流动问题。 3.稳态和瞬态流动问题。 4.无粘流、层流及湍流问题。 5.牛顿流体及非牛顿流体。 6.对流换热问题（包括自然对流和混合对流）。,二 Fluent 概述,7.导热与对流换热耦合问题。 8.辐射换热。 9.惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟。 10.多运动坐标系下的流动问题。 11.化学组分混合与反应。 12.可

4、以处理热量、质量、动量和化学组分的源项。 13.用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒、水滴、气泡等）。 14.多孔介质流动。 15.一维风扇、热交换器性能计算。 16.两相流问题。 17.复杂表面形状下的自由面流动。,2.2软件包相关知识2.2.1 Fluent软件的组成 Fluent软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动和物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使设计速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而可以高效率地解 决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件，用于模拟流体流动，传

5、热传质、化学反应和其他复杂的物理现象，各模拟软件都采用了统一的网格生成技术和共同的图形界面，它们之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。Fluent的软件包有以下几个部分组成。 （1）前处理器，Cambit用于网格的生成，它是具有超强组合建构模型能力的专用CFD前置处理器。Fluent系列产品皆采用Fluent公司自行研发的Cambit前处理软件来建立几何形状及生成网格。,另外，TGrid和Fluent（Translators）是独立于Fluent的前处理器，其中TGrid用于从现有的边界网格生成体网格，Filters可以转换由其他软件生成的网格从而用于Fluent计算。与Fi

6、lters接口的程序包括ANSYS、I-DEAS、NASTRAN 、 PATRAN等。 （2）求解器： 它是流体计算的核心，根据专业领域的不同，求解器主要分以下几种类型。 Fluent4.5：基于结构化网格的通用CFD求解器。 Fluent6.2.16：基于非结构化网格的通用CFD求解器。 Fidap：基于有限元方法，并且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CFD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

7、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。,在以上介绍的Fluent软件包中，求解器Fluent6.2.16是应用范围最广的，所以在以后的章节中我们会对它进行详细的介绍。这个求解器既可使用结构化网格，也可使用非结构化网格。对于二维问题，可以使用四边形网格和三角形网格；对于三维问题，可以使用六面体、四面体、金字塔形以及契形单元，具体的网格见图3-1。Fluent6.2.16可以接受单块和多块网格，以及二维混合网格和三维混合网格。,图3-1 Fluent使用的网格的形状,1.2.2 各软件之间的协同关系 如图3-2所示，最基本的流体数值模拟

8、可以通过以上软件的合作而完成：UG/AutoCAD属于CAD，用来生成数值模拟所在区域的几何形状；Tgrid和Gambit 是把计算区域离散化，或网格的生成，其中Tgrid可以从已有边界网格中生成体网格，而Gambit自身就可以生成几何图形和划分网格的；Fluent求解器是对离散化且定义了边界条件的区域进行数值模拟；Tecplot可以把从Fluent求解器导出的特定格式的数据进行可视化，形象地描述各种量在计算区域内的分布。,图3-2 各软件之间的关系图,2.3.1 Fluent软件包的安装 Fluent的安装顺序如下： (1) 安装Exceed。推荐安装Exceed6.2版本。 (2) 安装G

9、ambit。单击Gambit的安装，按照提示就可以完成安装，推荐安装Gambit2.2.30。 (3) 安装Fluent。单击Fluent安装文件，按照提示就可以完成安装, 推荐安装Fluent6.2.016。 一般来说，Fluent和Gambit的安装推荐使用默认安装设置。当按照以上的安装步骤安装完毕以后，还要对Fluent和Gambit的环境变量进行设置。,2.3 Fluent软件包的安装及其运行,“开始”“程序”Fluent Inc ProductsFluent 6.2.16Set environment，单击Set environment，就会进入如图3-3所示的对话框。单击“是”按钮

10、就设置好了Fluent的环境变量。,图3-3 系统提示设置Fluent的环境变量,选择“开始”“程序”Fluent Inc ProductsGambit2.2.30Set environment，单击Set environment，进入如图3-4所示的对话框。单击“是”按钮就设置好了Gambit的环境变量。另外，注意以上两种环境变量设置好后需要重启系统，否则仍会提示找不到环境变量。,图3-4 系统提示设置Gambit的环境变量,1.3.2 Fluent软件包的运行 Fluent的运行：按照路径“开始”“程序”Fluent Inc Products Fluent 6.2.16，或者利用桌面的快捷

11、方式。 Gambit的运行：先运行命令提示符，输入gambit，回车就可以启动Gambit，如图3-5所示。,图3-5 Gambit的运行,2.4 Fluent的简单实例2.4.1 实例简介 下面介绍模拟如图3-6所示管道内速度场的操作过程。其中，管道的宽度远远大于它的高度，所以侧壁对整个速度场的影响比较小，可以对速度场的模拟进行简化。简化以后的数值模拟区域如图3-7所示，这仅仅是原来管道在z=0处的XY截面，它可以看作为槽道，其长度L50mm，高度H=1mm。注意长宽比L/H10，这是槽道内流体充分流动的必要条件，设槽道入口处水流速度为0.1m/s。图中的黑色圆点标志几何区域的控制点，利用这

12、些控制点就可以确定计算区域的几何形状，O点为坐标原点。,图3-6 矩形截面管道示意图,图3-7 流体计算区域示意图,2.4.2 实例分析 当利用Fluent解决某一工程问题时，要详细考虑以下几个问题： (1) 确定计算目标； (2) 选择计算模型； (3) 确定物理模型； (4) 确定解的程序。2.4.3 实例操作步骤 1. 利用Gambit建立计算区域和指定边界条件类型 步骤1：文件的创建及其求解器的选择 (1) 启动Gambit软件 Gambit设置好环境变量以后，可以选择“开始”“运行”打开如图3-8所示的对话框，单击“确定”按钮。接着又会弹出如图3-9所示的对话框，单击Run按钮可以启

13、动Gambit软件，它的窗口布局如图3-10所示。,图3-8 启动Gambit,图3-9 Gambit Statup对话框,图3-10 Gambit窗口的布局,(2)建立新文件 选择FileNew打开如图3-11所示的文件创建对话框。在ID文本框输入channel作为Gambit要创建的文件名。Title是对这个文件的描述，可以随意填写。,如图3-11 建立新文件,需要注意的是，要选中Save current session复选框（呈现红色）才可以创建新文件。然后单击Accept按钮，出现如图3-12所示的关于确认保存文件对话框。,单击Yes按钮，创建一个名为channel的新文件。,图3-1

14、2 确认保存文件对话框,(3)选择求解器 创建玩新文件后，需要选择对应的求解器。求解器选择可以通过单击主菜单中的Solver进行。从图3-13所示的子菜单可以看出，系统有很多种求解器类型。本例的槽道速度场是利用Fluent求解器进行求解的，所以在子菜单中选择FLUENT 5/6。 步骤2：创建控制点 选择Operation Gemetry Vertex 打开如图3-14的对话框。,图3-13 求解器类型,图3-14 点创建对话框,在Global选项区域内的 x、y 和 z 坐标对应的三个文本框中，依次输入其中一个控制点的坐标（各个控制点的坐标可以参考图3-7得到），然后单击Apply按钮，就可

15、以在Gambit图形窗口中出现这个控制点。若是在创建某一点时，该点没有显示出来，可以单击Gambit右下角的 按钮来解决这个问题。重复上述点的创建操作，就可以在图形窗口中绘制出所有的控制点，如图3-15所示。可以按住鼠标右键并且上下拖动来缩放图形。,图3-15 槽道控制点示意图,步骤3：创建边 为了了解每个控制点的名称，单击窗口右下角即图3-16中的 按钮，从而可以得到如图3-17所示的对话框。,图3-16 Gambit Control,图3-17 Specify Display Attributes对话框,单击Label选项前面的按钮，Label被选中，并且Label后面的On也要选中，然后

16、单击Apply按钮，就可以看到前面绘制的各个控制点名称（如图3-18所示）。若想消除名称的显示，只要选中Label后面的Off，然后单击Apply按钮即可。,图3-18 各个控制点的名称的显示,选择Operation Geometry Edge 打开Greate Straight Edge 对话框（如图3-19所示）。 单击Vertices文本框后面的箭头，可以出现如图3-20所示的对话框。,图3-19 Greate Straight Edge对话框,图3-20 Vertex List对话框,在Available列表中选择vertex.2和vertex.3，然后单击向右的箭头，就会出现如图3-

17、21所示的情形。 单击图3-21中的Close按钮，然后单击图3-19中的Apply按钮确认对点的选择，可以看到vertex.2和vertex.3连成直线。对其他的控制点重复这样的操作，就可以得到如图3-22所示的四条直线围成的矩形区域。,图3-21 选中点后的情形,步骤4：创建面 按照前面提到的显示几何单元名称的方法，可以显示图形窗口中所有边和点的名称，如图3-23所示。,图3-22 四个控制点连成的矩形区域,图3-23 各几何单元名称的显示,选择Operation Geometry Face 打开Create Face From Wireframe对话框（如图3-24），它的功能是通过边来

18、创建面。 在创建面时，首先选择创建面的对话框中Edges后面的文本框，等它的背景色变为黄色时，就可创建面了。操作时先选中组成矩形面的四条边edge.1、edge.2、edge.3和edge.4（参看图3-23），然后单击Apply按钮,就可以看到选中的四条边变成了蓝色，这就说明创建了一个面。,图3-24 Create Face From Wireframe对话框,利用Gambit软件右下角Global Control中的按钮 ，就可以看出上面选择的四条边所组成的区域是一个如图3-25所示的矩形面。,图3-25 矩形面示意图,步骤5：网格划分 (1)边的网格划分 当Fluent确定了要进行计算的

19、几何区域以后，接下来的工作是把这个几何区域离散化，即进行网格的划分。,选择Operation Mesh Edge ，打开Mesh Edges对话框（如图3-26所示）。利用这个对话框可以对边进行网格划分，在Edges后面的黄色文本框中选中要操作的边，然后设置Spacing的数值，必须注意数值对应的项目是Interval count。如果默认的不是这个项目，则可用鼠标右键单击默认的项目，在出现的多个项目中，选择所需要的项目即可。,图3-26 Mesh Edges对话框,在图3-26所示对话框中，利用shift+鼠标左键在Edges文本框中选中edge.1和edge.3，然后在Spacing文本框

20、中输入150，注意这一数字对应的项目是Interval count。单击Apply按钮确认设置，就会看到如图3-27所示的上下两条边的网格划分情况。 利用同样的方法可以对矩形面的其他边进行网格的划分，设定edge.2和edge.4的Spacing对应数值50，注意数字对应的项目是Interval count，从而可以看到如图3-28所示的可变的网格划分情况。,图3-27 部分网格的划分,图3-28 各边的网格划分情况,(2) 面的网格划分 对边进行了网格划分以后，就可以对面进行网格的划分了。 选择Operation Mesh Face 打开Mesh Faces对话框（如图3-29所示），对面进

21、行网格划分。在Faces后面的黄色框中选中要操作的面，然后设定Spacing下面的数值为1.0，必须注意数字对应的项目是Interval size。如果默认的不是这个项目，同样可以用鼠标的右键单击默认的项目，这时会出现多个项目，选择所需项目即可。进行了上面的设置以后，单击Apply按钮可以看到如图3-30所示的面的网格划分。,图3-29 Mesh Faces对话框,图3-30 面的网格划分情况,步骤6：边界条件类型的指定 选择Operation Zones 打开Specify Boundary Types对话框 (如图3-31所示) ，指定边界条件类型。,图3-31 Specify Bound

22、ary Types对话框,边界条件类型的操作步骤如下： (1) 边界条件的指定 边界条件类型设置Action选项是指对边界条件进行何种操作。当Action下面的Add被选中时，就可以对某一几何体添加边界条件。同样，选中Modify就是对设定好的边界条件进行更改；选中Delete就是删除某个已设定的边界条件；Delete all就是删除全部已设定的边界条件。 (2) 给出边界的名称 Name选项是给指定边取名，如输入inlet。一般地，为了辨认，名字最好具有一定的含义。 (3) 指定边界条件的类型 Fluent 5/6对应的边界条件的所有类型如图3-32所示。 在Type类型中选中VELOCIT

23、Y_INLET。选择的方法是：用鼠标右键单击该边界类型，选择需要的类型即可。,图3-32 边界条件的类型,（4）选择边界对应的几何单元 在图3-31中的Entity黄框内用左键单击，就可以选择VELOCITY_INLET边界条件对应边edge.2。单击Apply按钮即可在图3-31中Name下面添加inlet，其边界条件类型为VELOCITY_INLET。重复上面的步骤就可以对每条边定义边界，当边界条件类型为Wall时，可不对它指定，因为Gambit默认的边界条件类型就是WALL类型。若图3-31中的Show labels项被选中，就可以看到图3-33所示的边界条件的定义。注意图中的网格显示已

24、经被关闭，关闭是通过选中Mesh选项后面的Off来实现的。,图3-33 边界类型的显示,步骤7：mesh文件的输出 选择FileExportMesh就可以打开输出文件的对话框（如图3-34所示）。,图3-34 输出文件的对话框,必须指出的是，选中Export2-D(X-Y) Mesh选项才能输出.msh文件。,2. 利用Fluent求解器求解 利用Gambit软件绘制出计算区域、划分网络、指定边界类型和输出Mesh文件后，可以用Fluent导入Mesh文件，并且进行求解。 步骤1：Fluent求解器的选择 本例所计算的槽道速度场是二维问题，且它对求解的精度要求不高，所以选择二维的单精度求解器（

25、如图3-35所示）。单击Run按钮即可启动Fluent求解器。 步骤2：文件导入和网格操作 Fluent求解器启动以后，首先要对读入的网格进行相关的操作。 （1）读入网格文件 FileReadCase,打开如图3-36所示文件导入对话框。注意Gambit导出的文件默认的路径为C:Documents and SettingsXXX，其中XXX为用户名。在这一路径下找到channel.msh，单击OK按钮，Mesh文件就可以导入Fluent中。,图3-35 Fluent求解器的选择,图3-36 导入Mesh文件,（2）检查网格文件 GridCheck 网格文件读入后要对网格进行检查。Fluent求

26、解器检查网络的部分信息如下所示：,（3）设置计算区域尺寸 GridScale 打开如图3-37所示的对话框，对计算区域的尺寸进行设置。从前一步的网络检查可以知道，Gambit导出的计算区域默认Domain Extents不符合要求，因为Fluent默认的长度单位为m，但是在Gambit中作图时，采用的单位为mm，所以要通过Scale Grid对话框缩放计算区域。通过在Scale Factors下面的X和Y对应的文本框里输入相应的比例因子，然后单击Scale按钮就可以实现对Gambit导出模型的缩放，从而得到与图3-7所示区域相同尺寸的计算区域。,图3-37 Scale Grid对话框,（4）显

27、示网格 DisplayGrid 当计算区域尺寸调整以后，接下来可以在Fluent中显示网络，从而查看一下它的形状。至于要显示网格文件的哪一部分，可以通过如图3-38所示的对话框来控制。,图3-38 Grid Display对话框,网格文件的各个组成部分的显示情况，可以通过Surface 下面列表框中某个部分是否选中来控制。假如Surface 下面各部分都被选中，单击Display按钮就会看到如图3-39所示的网格形状（这仅仅是部分网格）。,图3-39 Fluent中的网格显示,步骤3：选择计算模型 （1）求解器的定义 DefineModelsSolver 打开如图3-40所示的对话框。对于本例

28、。默认的设置就能满足要求，因此单击OK按钮即可。 （2）其他计算模型的选定 本例比较简单，没有必要附加其他的计算模型。 （3）操作环境的设置 DefineOperating Conditions 打开如图3-41所示的对话框。其中Operating Pressure(pascal)为周围环境的压强，也就是工作环境的压强；,图3-40 求解器Solve的设置,Gravity下面的选项若是被选择，就会展开如图3-42所示的对话框，它说明求解速度场时要考虑重力的影响，关于它的具体操作在以后的实例中会详细介绍。对于本例，默认的操作环境就可以满足要求，所以单击图3-41中的OK按钮即可。 图3-41操作

29、环境设置对话框,图4-42扩展后的环境设置对话框,步骤4：定义流体的物理性质 DefineMaterials 在对计算模型及其操作环境进行了定义以后，就需要定义流体的物理性质。由于前面提到的槽道中的流体为水，所以现在就要通过图3-43所示的对话框获得关于水的一些物理参数。 一般来说，Fluent求解器默认计算区域中的物质为Gas，也就是气。关于水的一些物理参数可以从Fluent自带的数据库Fluent Database中调出。单击3-43中的Fluent Database按钮，就会弹出3-44所示的对话框，在Fluent Fluid Materials列表中选中water-liquid，单击C

30、opy按钮就可以把关于水的一些物理参数从数据库中调出，然后单击图3-44中的Close按钮即可。,3-43 物质的物理性质设置对话框,3-44 Fluent自带的物质数据库,步骤5：设置边界条件 DefineBoundary Conditions 设定好物质的物理性质后，通过如图3-45所示对话框对计算区域的边界条件具体化。 （1）设置 fluid流体区域的边界条件 在如图3-45所示的Zone列表框中选fluid，即流体所在区域（，然后单击Set按钮，系统会弹出如图3-46所示的对话框。其中Material Name文本框对应的是fluid区域中的物质，从Fluid数据库中复制出来的物质的名

31、称都会在这里显示出来。单击OK按钮就把区域中的流体定义为水了。 （2）设置inlet的边界条件 在Zone列表中选择inlet，即槽道的入口对应的边，对应的边界条件类型为VELOCITY-INLET，然后单击Set按钮，得到入口边界条件设置的对话框，Velocity Magnitude对应的是入口的水流速度。入口边界条件的具体设置如图3-47所示，单击OK按钮确认上述设置。 （3）设置outlet的边界条件 Outlet对应边界条件的设置保持默认即可 （4）设置wall的边界条件 本例中wall边界条件的设置保持默认。,3-45 Boundary对话框,3-46 fluid区域设置的对话框,3

32、-47 velocity inlet 边界条件对话框,步骤6：求解方法的设置及其控制 下面介绍设定连续方程和动量方程具体求解方式的过程。 （1）求解参数的设置 SolveControlsSolution 打开如图3-48所示的对话框，设置Pressure-Velocity Coupling对应的求解方式为SIMPLEC：Discretization对应得Pressure差分方式为Second Order：Momentum对应的差分方式为Second Order Upwind，此设置的目的是提高计算的精度。最后单击OK按钮。,图3-48 Solution Controls对话框,（2） 初始化

33、SolveInitializeInitialize 打开如图3-49所示的对话框，设置Conpute From为inlet，依次单击Init、Apply和Close按钮。,图3-49 Solution Initialize对话框,图3-50 Residual Monitors对话框,（3）打开残差图 SolveMonitorsResidual 打开如图3-50所示的对话框。选择Options下面的Plot复选框，则可在计算时动态地显示计算残差；Convergence对应的数值是计算结果残差要满足的最低要求，它的值越小说明计算的精度要求越高，单击OK按钮确认以上设置。,(4)保存当前Case和D

34、ata文件 FileWriteCase&Data 保存前面所做的所有设置 (5)开始迭代 SolveIterate 保存好设置后可以进行迭代求解了。迭代的设置如图3-51所示。单击Iterate按钮，Fluent求解器就会对这个问题进行求解，残差的动态显示如图3-52所示。,图3-51Iterate对话框的设置,图3-52 残差显示图,步骤7：计算结果显示 （1）显示速度轮廓线 DisplayContours 当Fluent求解器提示收敛以后，用下面的操作打开等值线显示的对话框，具体的设置如图3-53所示。 单击Display按钮显示速度轮廓（如图3-54所示）。注意，图中仅显示了入口附近的速

35、度轮廓线。,3-53速度轮廓显示的设置,图3-54速度轮廓线,（2）显示某边上速度剖面 PlotXYplot 进入如图3-55所示的对话框。其中的Plot Direction选项是与X Axis Function选项相关的，通过设置X与Y文本框的数值就可以控制要显示的线图的X轴方向。,图3-55 Solution XY Plot对话框,按照对话框中的这些设置，可以得到出口处的速度剖面图，如图3-56所示,图3-56 出口处速度剖面图,计算液力变矩器的性能特性，如变矩比，效率，输入特性等。 计算变矩器工作时的内部力学量，如轴向力，速度分布，压力分布等。优点：提高样机质量，缩短研发周期，降低研发成本。缺点：建立力学模型比较困难，需要相当的工程经验。,Fluent在液力变矩器研发的应用,Fluent作为主流的CFD商用软件，在工程实际中得到广泛的应用，熟悉该软件需具备一定的流体力学基础，但是软件仅是一个工具，要解决实际问题，还必须有工程经验。对于变矩器开发而言，在前处理阶段,必须充分了解变矩器才能建立合理的计算模型，在后处理阶段，必须了解变矩器在整机中的匹配，才能正确评价一个变矩器的性能优劣。,总结,