fluent教程,基本方程.ppt

第二章，基本流动模拟Fluent用途• 提供了很多数学模型用以模拟复杂几何结构下 的输运现象（如传热与化学反应） • 该软件能解决比较广泛的工程实际问题，包括 处理设备内部过程中的层流非牛顿流体流动， 透平机械和汽车发动机过程中的湍流传热过程 ，锅炉炉里的粉煤燃烧过程，还有可压射流、 外流气体动力学和固体火箭中的可压反应流动 等Fluent用途（续）• 为了能模拟工业设备和过程中的流动及相关的 输运现象，FLUENT提供了许多解决工程实际问 题的选择，其中包括多孔介质流动，（风扇和 热交换器）的集总参量计算，流向周期流动与 传热，有旋流动和动坐标系下流动问题随精 确时间滑移网格的动坐标方法可以模拟计算涡 轮流动问题 • FLUENT还提供了离散相模型用以模拟喷雾过程 或者稀疏颗粒流动问题还有些两相流模型可 供大家选用Fluent的基本方程（层流）• 连续方程• 动量方程• 能量方程FLUENT可以计算流体和（或者）固体区域之间的传热问题如果是周期性换热 流动，则流动边界要给定周期边界条件如果计算计算模型包括两个流动区域 ，中间被固体或者墙壁隔开的换热问题，则要特别注意：1，两个流体都不能用 流出边界条件（outflow）；2，两个区域的流动介质可以不同，但要分别定义流 体性质（如果计算组分，只能给一个混合组分）。

流体1流体2流体1流体2Fluent求解的能量方程• 能量方程理想气体 不可压缩气体 是组分的质量分数，组分的焓定义为 ：PDF模型的能量方程 假定刘易斯数为1，方程右边第一项为组分扩散和导热项的合并项； 第二项为粘性耗散，为非守恒形式总焓H定义为:组分的总焓 定义为 虽然能量的标准形式里包括了压力做功和动能项，但在采用segregated solver求解不 可压问题时候都可以忽略掉当然，如果想不忽略它们的作用，可以在 define/models/energy中设置对于可压缩流动问题，在用coupled solvers求解时总 是考虑压力做功和动能项粘性加热项选择• 粘性耗散项是考虑流体中的粘性剪切作用 产生的热量如果用segregated solver求 解，默认设置并没有考虑如果Brinkman数（ ， 是系统温度差）大于 1时，粘性加热一定不能忽略这时候一 定要设置Viscous Heating选项对于可压 缩流动，一般Br>1，如果还用segregated solver求解，一定要考虑粘性加热如果 是coupled solver求解，粘性加热会自动 考虑。

组分扩散项• Fluent求解焓方程时，组分扩散项都已经包括 • 用segregated solver求解，如果想不考虑该项 ，可以在组分模型面板（Species Model Panel ）中关闭能量扩散项 • 如果采用了非绝热的PDF燃烧模型，方程中并 不明确出现该项，应为导热和组分扩散项合并 为一项了 • 当用coupled solver求解时，能量方程总会考虑 该项化学反应源项 • 化学反应源项如下 其中，是组分的生成焓；是组分生成的体积率对于非绝热 PDF燃烧模型生成热定义在总焓 中，所以 化学反应热 不包含在源项中 固体区域的能量方程 • 在固体区域，FLUENT采用的能量方程为 如下形式 方程左边第二项表示由于固体旋转或者平移运动热传 输方程右边两相分别为固体导热和体积热源 固体内部导热各向异性的影响 • 当用segregated solver求解时，FLUENT 允许你指定材料的各向导热系数固体导 热各向异性方程形式如下：• 其中，是导热系数矩阵进口热扩散 • 进口的净能量输运包括对流和扩散两部分指 定进口温度就可以确定对流部分，但扩散项取 决于计算出来的温度场梯度。

因此我们不能给 定扩散分量或者净能量输运但在一些问题中 ，我们更希望能给定净能量输运，而不是给定 进口温度如果用segregated solver求解时， 可以在dfine/models/energy中去掉进口能量扩 散，从而达到给定净进口能量输运但是我们 用coupled solver时，不能去掉能量扩散部分计算传热过程中用户输入 •如果用FLUENT计算有传热的问题时候，必须击活相关模型和提供 热边界条件，并且给出材料物性这一系列过程如下： •击活能量面板Define-Models-Energy •(对于segregated solver)如果模拟粘性流动过程，而且要考虑粘性 加热，击活Viscous Heating；Define-Models-Viscous Heating •定义热边界条件（包括流体进口，出口和壁面）Define-Boundary Conditions在流动进口和出口要给定温度，但壁面可以有如下边 界条件选择： – 指定热流量 – 指定温度 – 对流换热 – 外部辐射 – 对流换热＋辐射换热 •定义材料热物性。

Define-Materials. 比热和导热系数都要给出，并 且可以用温度函数的形式给出温度限制 • 为了计算的稳定性，FLUENT对计算出来的温度 给了范围限制给定温度限制，一方面是为了 计算稳定的需要，同时，真实温度也有其相应 的范围由于给定材料物性不好，或者其它原 因，计算出的中间超过了物理应该达到的温度 FLUENT中，给定的最高温度5000K，最小温 度1K，如果计算过程中的温度超过这个范围， 那么就在这最高温度或最低温度值处锁定如 果你觉得这个限制不合理，你可以自己调节 Solve-control-limits 传热问题求解过程 •对于一些简单的传热过程FLUENT的默认设置可以成功进行模拟， 但如果要加快你的问题的收敛速度或者提高计算过程的稳定性，下 面的一些过程就比较重要了 松弛因子确定：在求解温度和焓时候，FLUENT默认设置能量方程松弛因子为1在一些问题里 ，能量场影响流动场（物性随温度变化，或者有浮力），这时候松弛因子要小些，比如在0.8到1之 间如果流动场和温度场不是耦合的（没有随温度变化的热物性或者浮力影响），松弛因子就可以 采用1 如果我们求解的是焓方程（非绝热PDF燃烧模型），温度需要设置松弛因子。

焓的变化中不是 所有的都用来计算温度的变化这对于一些问题，你需要流动场焓变化快，而温度不能变化太快（ 影响流体热物性太快）的解决很有好处 组分扩散项：如果用segregated solver求解组分输运方程，如果考虑组分扩散，计算收敛会比 较困难为了提高收敛性，可以在define-models-species处取消对组分扩散的考虑这时候组分扩 散对能量的影响就被忽略了如果我们选择coupled solver求解，那么组分扩散一定是存在的 耦合和非耦合流动场与温度场计算：如果流动和传热不是耦合的（没有温度变化的热物性或者 浮力影响），那么我们可以先求解绝热流动场，然后加进能量方程这时候可以暂时先关闭动量或 者能量方程中的一个，先求解另外的一个Solve-controls-solution. 如果流动和温度场是耦合的， 你可以先求解流动方程，收敛后再击活能量方程，一起求解需要注意的是，Coupled solver 总是 同时求解流动与能量方程第三节，浮力驱动的流动和自 然对流混合对流问题：自然对流问题：如果 ，自然对流处于层流状态， 在 为层流到湍流的过渡区域。

Boussinesq模型 • 对于许多的自然对流问题，采用Boussinesq 模型比定义密度是温度的函数有更好的收敛 性该模型在所有求解方程中，认为密度是 常数但是，在动量方程中的浮力项中，密 度才随温度变化 ，因而用 计算浮力项这 样的近似对密度变化很小的流动问题有较好 计算结果 • 该模型对封闭区域里的自然对流问题适合， 如果模拟温度变化很小的流动场也同样适用 但是，如果计算组分，燃烧或者有化学反 应的问题时，该方法不适合 浮力驱动流计算用户输入• 求解能量方程(define-models-Energy) • 激活重力加速度项（define-operating conditions） • 决定流体（理想气体，不可压缩理想气体 （operating pressure不能设零） • 密度设定（给定密度与温度之间关系， Boussinesq假设中，给定参考密度和热膨 胀系数）浮力驱动流计算用户输入（续）• 压力进口与出口边界条件下，应该输入等 小压力 条件是进口和出口没 有外部压力梯度 • 压力离散方法确定，如果用四边形网格、 六面体网格，并采用非耦合求解器求解， 建议采用Presto方法。

自然对流问题举例• 房间内换热器引起的自然对流问题 房间5米宽，3米高换热器高度1米密度随温度变化：1，多项式拟合密度随温度变化2，理想气体3，不可压缩理想气体空气Y方向速度等值线流函数等值线自然对流问题举例• 房间内内热源问题 房间1米宽，1米高直径10CM热源当求解高Rayleigh 数（108）流动问题时，根据下 列步骤将能得到最好结果第一步是求稳态近似结果选用First-order scheme，在小Rayleigh数下求得稳态解可以 通过变化重力加速度的方法减少Ra数（比如从9.8降低到0.098， Ra数就降低了两个数量级）用小Ra数的收敛解为初始值，求解高Ra数下的解得到收敛解后，可以换higher-order scheme 继续求解 第二步是求与时间相关的稳定解用前面的稳态解为初始条件，在相同或略小Ra数下求解估计时间常数 其中，L和U是长度和速度尺度，采用的时间 步长为：，如果时间步长比大，有可能不收敛。

求解过程中会有频率为振荡，衰减后就达到稳态解是上面的求 出的时间常数，f是振荡频率（Hz）通常需要超过5000步才能得 到稳定解特别提示• 需要进一步指出的是除非我们采用了 Boussinesq近似，上面方法不能用于封闭 区域的流动问题，只能用于有进口和出口 的流动问题 • 采用Boussinesq假设，必须输入流体热膨 胀系数周期性流动与换热 • 如果我们计算的流动或者热场有周期性重 复，或者几何边界条件周期性重复，就形 成了周期性流动FLUENT可以模拟两类 周期性流动问题第一，无压降的周期性平板问题（循 环边界）第二，有压降的周期性边界导致的完 全发展或周期性流向流动问题（周期性边 界） 流向周期性流动模拟的条件 • 1， 流动是不可压的 • 2， 几何形状必须是周期性平移 • 3， 如果用coupled solver求解，则只能给定压力 阶跃；如果是Segregated solver，可以给定质量 流率或者压力阶跃 • 4， 周期性流动中不能考虑进口和出口有质量 差，也不考虑过程中的额外源项或者稀疏相源 项 • 5， 只能计算进口出口没有质量流率变化的组 分问题但不能考虑化学反应。

• 不能计算稀疏相或者多相流动问题 流向周期性流动模拟的条件（续 ） • 如果在这过程中计算有换热问题，则还必须满足以下条 件 • 必须用segregated solver 求解 • 热边界条件必须是给定热流率或者给定壁面温度对于 一个具体的问题，热边界条件只能选择一个，而不能是 多热边界条件问题对于给定。