CFD分析专题-UDF、动网格和多相流.ppt

流体机械结构创新设计技术 UDF 动网格 多相流 1 用户自定义函数UDF 简介 什么是用户自定义函数 UDF 用户自定义函数 或UDF 是用户自编的程序 它可以动态的连接到Fluent求解器上来提高求解器性能 标准C语言的库函数Trigonometric exponential controlblocks do loops filei o等 预定义宏通过这些预定义宏 可以获得Fluent求解器得到的数据 为什么要使用UDF 标准界面及功能并不能满足每个用户的需要 定制边界条件 定义材料属性 定义表面和体积反应率 定义FLUENT输运方程中的源项 用户自定义标量输运方程 UDS 中的源项扩散率函数等等 在每次迭代的基础上调节计算值 需要时 UDF的异步执行方案的初始化 用户介入FLUENT求解器 User DefinedProperties User DefinedBCs UserDefinedINITIALIZE Segregated PBCS ExitLoop Repeat CheckConvergence UpdateProperties SolveTurbulenceEquation s SolveSpecies SolveEnergy Initialize BeginLoop DBCS SolveOtherTransportEquationsasrequired Solver SolveMass Momentum Energy Species User definedADJUST Sourceterms Sourceterms Sourceterms Sourceterms UDF基础 单元和单元面被组合为一些区域 zones 这些区域规定了计算域 例如 边界条件 源项 在UDF中 域 zones 用线 threads 来联系 循环宏 loopingmacro 对线上的所有单元进行操作 例如 用面循环宏访问面域3 zone3 入口 上的563个面 每个面的位置都通过对空间上的设置来计算表示在用户操作界面中 可以自动调用UDF中定义的求解器变量所有的求解器变量 都使用SI单位 运行UDF 在FLUENT中运行UDF基础步骤如下 创建包涵UDF源代码的文件打开fluent 读入case data文件解释或者编译UDF在FLUENT中激活UDF在计算平台 Iteratepanel 中设置UDF的更新频率开始计算 例题 抛物线入流速度条件 二维弯管中 我们来定义一个抛物线入流速度条件x方向上的速度用下面公式定义 第一步 准备源代码 函数inlet x velocity通过DEFINE PROFILE宏来定义所有UDF中的宏都使用DEFINE 开头 inlet x velocity将会在用户操作界面中选择定义 在DEFINE PROFILE中 通过thread和nv分别对域和变量定义 宏begin f loop能循环指向线上所有的面fF CENTROID宏表示单元x 方向的向量F PROFILE宏代表面f上的速度分量 include udf h DEFINE PROFILE inlet x velocity thread nv floatx 3 Positionvector floaty face tf begin f loop f thread F CENTROID x f thread y x 1 F PROFILE f thread nv 20 1 y y 25 25 end f loop f thread 第三步 解释或编译UDF 解释UDF把UDF源代码文件输入SourceFileName列表中 点击Interpret FLUENT控制面板中将会显示汇编语言代码 编译UDF把UDF源代码文件输入SourceFiles列表中 点击Build 创建UDF库函数 点击Load 读取UDF库函数 如果需要还能清除 unload 库函数 Define User Defined Functions Interpreted Define User Defined Functions Compiled Define User Defined Functions Manage 比较解释和编译的UDF 既可以运行时通过读入和解释来调用函数 也可以通过使用FLUENT中的编译器把函数编译到一个公共的函数库 比较解释和编译代码解释解释的程序只是保存在电脑内存中 按 一个接一个 的基本顺序运行代码 优势 不需要第三方编译器 劣势 运行慢 占内存 编译 详细内容请参阅FLUENT用户手册中的介绍 UDF代码被一次性编译成机器语言 目标文件 高效地运行UDFs 创建能被求解器链接的函数库 具备很多解释没有的功能 例如并行算法 mixedmodearithmetic 结构申明 structurereferences 等 第四步 激活UDF 选择要使用UDF的窗口 例子中 我们打开边界条件设置窗口 点击X Velocity右边的下拉菜单 把Constant换成UDF函数 第五步和第六步 运行计算 在Iterate对话框中 可以改变UDFProfileUpdateInterval的值 默认值为1 这个值用来控制UDF更新速度 如果是非定常 还可以是计算步数和计算步长 运行计算 例中的数值解 右图显示的是二维弯管中的速度场 下图显示的是入口的速度矢量 注意使用的抛物线函数 宏 宏是FLUENT定义的函数 UDF通过DEFINE 宏定义函数 变量宏可以调用域上变量和单元信息 工具宏具有循环功能 线指示器 向量和数值函数 宏都被定义在头文件中 headerfile udf h的头文件必须包涵在源代码中 include udf h 头文件必须在有效的工作路径中 一般保存在Fluent Inc src 路径下UDF用户手册中列出了所有经常使用的宏 Help MoreDocumentation DEFINE宏 任何UDF都必须以DEFINE 宏开始 18个通用解算器宏和13个离散相模型宏和多项宏 未列出 DEFINE ADJUST name domain 通用目标UDF 每个计算步都被调用DEFINE INIT name domain 初始化计算域变量DEFINE ON DEMAND name 定义 根据需要运行 的函数DEFINE RW FILE name fp 用户读写case data文件DEFINE PROFILE name thread index definesboundaryprofiles定义边界条件DEFINE SOURCE name cell thread dS index definessourceterms定义源项DEFINE HEAT FLUX name face thread c0 t0 cid cir definesheatflux定义热流通量DEFINE PROPERTY name cell thread definesmaterialproperties定义材料属性DEFINE DIFFUSIVITY name cell thread index 定义UDS和特殊的差分格式DEFINE UDS FLUX name face thread index 定义UDS通量项DEFINE UDS UNSTEADY name cell thread index apu su 定义UDS衰减项DEFINE SR RATE name face thread r mw yi rr 定义面反应系数DEFINE VR RATE name cell thread r mw yi rr rr t 定义vol反应系数DEFINE SCAT PHASE FUNC name cell face definesscatteringphasefunctionforDOM定义DOM中相散射函数DEFINE DELTAT name domain 定义非定常问题中的时间步长变量DEFINE TURBULENT VISCOSITY name cell thread 定义湍流粘性计算方式DEFINE TURB PREMIX SOURCE name cell thread turbflamespeed source 定义湍动火焰速度DEFINE NOX RATE name cell thread nox 定义NOx中的产生和消失系数 线和循环工具宏 cell tc 定义c为单元线 cellthread face tf 定义f为面线 facethread Thread t t定义t为线指针Domain d d定义d为所有线指针thread loop c t d 循环访问域d中单元线t上的所有单元thread loop f t d 循环访问域d中面线t上的所有面begin c loop c ct end c loop c ct 循环访问单元线ct上的所有c单元begin f loop f ft end f loop f ft 循环访问面线ft上的所有f面c face loop c t n 循环访问线t上的所有面单元cThread tf Lookup Thread domain ID 返回域名为ID的线指针ID THREAD ID tf 返回线指针tf指向的域名 ID cell t face t Thread Domain是FLUENTUDF数据结构的一部分 几何和时间宏 C NNODES c t 返回节点 单元C NFACES c t 返回面 单元F NNODES f t 返回节点 面C CENTROID x c t 返回单元质心坐标于数组x 中F CENTROID x f t 返回表面中心坐标于数组x 中F AREA A f t 返回面向量于数组A 中C VOLUME c t 返回单元体积C VOLUME 2D c t 返回二维单元体积 轴对称模型 realflow time 返回实际时间inttime step 返回计算步数RP Get Real physical time step 返回计算步长 单元变量宏 C R c t 密度C P c t 压力C U c t U方向速度C V c t V方向速度C W c t W方向速度C T c t 温度C H c t 焓C K c t 湍流运动能 k C D c t 湍流运动能的分散速率 C O c t 确定的分散速率 C YI c t i 物质质量分数C UDSI c t i 用户定义的标量C UDMI c t i 用户定义的存储器C DUDX c t 速度导数C DUDY c t 速度导数C DUDZ c t 速度导数 C DVDX c t 速度导数C DVDY c t 速度导数C DVDZ c t 速度导数C DWDX c t 速度导数C DWDY c t 速度导数C DWDZ c t 速度导数C MU L c t 层流粘度C MU T c t 湍流粘度C MU EFF c t 有效粘度C K L c t 层流热传导系数C K T c t 湍流热传导系数C K EFF c t 有效热传导系数C CP c t 确定的热量C RGAS c t 气体常数C DIFF L c t 层流物质扩散率C DIFF EFF c t i 物质有效扩散率 面变量宏 当使用偏析求解器和显示格式 并且在外界边界条件下 面变量才能发挥功能 F R f t 密度F P f t 压力F U f t U方向上的速度F V f t V方向上的速度F W f t W方向上的速度F T f t 温度F H f t 焓F K f t 湍流运动能F D f t 湍流运动能的分散速率F O f t 确定的湍流运动能分散速率F YI f t i 确定的物质质量分数F UDSI f t i 用户定义的标量F UDMI f t i 用户定义的存储器F FLUX f t 通过边界面f的质量流速 其它的UDF声明 UDF除了能定义边界值 源项和材料属性 还能进行如下操作 初始化每次初始化时执行求解条件每步计算时执行通过壁面的热量通过设置热量传递系数 定义靠近流体这边壁面的热量扩散和辐射设置所有的壁面用户自定义的面和体积变化读入写入 读出写出case和data文件读写的顺序必须一样根据需要执行的功能不参与求解器的迭代 用户内存管理 用户能管理的内存多达500个内存变量可以定义UDF的形式是 C UDMI cell thread index F UDMI face thread index 可以进行后处理管理信息都存储在data文件中 Define User Defined Memory 用户定义的标量 FLUENT可以处理多达50个用户定义的标量输运方程用户定义的变量数量设置需要使用用户定义的输运方程的域流量方程 FDEFINE UDS FLUX name face thread index DEFINE UDS UNSTEADY name cell thread index apu su 如果需要还可以通过定义不同的用户标量来实现复杂的流量和输运方程例如可以定义流体域中的电磁场 Define User Defined Scalars 用户定义的标量 同样必须的 用户得定义 源项 扩散率 如果申明需要 还要定义UDF中每个用户标量的扩散率每个用户标量的边界条件确定的流量和值定义为常数或者使用UDF 2 动域 大纲 介绍和模型建立方法概览单参考系 SRF 模型多重域和多参考系 MRF 模型混合面模型 MPM 滑移网格模型 SMM 动网格 DM 模型概要附录 介绍 许多工程问题中流体的流域都会不停的移动或者旋转 平移运动的例子 火车穿过隧道 容器中液体的纵向晃动等 旋转运动的例子 水流通过螺旋推进器 轴向涡轮叶片 放射状泵轮等 两种基础的动域模型建立方法 如果域在移动时并没有形状上的改变 刚性运动 我们可以在运动坐标系下解算流体流动方程 动量方程中可以添加附加的加速度项动坐标系下 解算的问题变成了定常问题可以和固定域穿过分界面相结合如果域在移动的同时还会有形状的改变 变形 我们可以用动网格 DM 技术解算方程域的位置和形状的改变都可以用时间函数来表示非定常问题 y 运动坐标系 域随着坐标系转动 动网格 域的形状是个时间函数 运动坐标系和动网格对比 建模方法概览 单参考系 SRF 整体计算域都置于运动坐标系下 多参考系 MRF 选择域中的部分区域置于运动坐标系下 忽略相互作用 不变的混和面 MPM 在旋转 静止域的分界面上 混合模型需要考虑相邻区域相互之间的影响 忽略流动中的不均匀圆周运动 不变的滑移网格 SMM 特定区域的移动使用移动网格算法对滑移分界面进行流动变量的插值非定常问题 把边界的相互作用完全考虑进去了 但是计算量比SRF MRF 或者MPM都更大 动网格 DM 和滑移网格相似 但是域随着时间变化可以移动和变形 网格变形技术都有弹簧光滑模型 网格重画和网格拓展 大纲 介绍和模型建立方法概览单参考系 SRF 模型多重域和多参考系 MRF 模型混合面模型 MPM 滑移网格模型 SMM 动网格 DM 模型概要附录 建立SRF模型介绍 SRF一般针对单流域 只能是绕着某个特定的坐标点 以恒定的速度进行旋转 为什么使用旋转坐标系 非定常的流域当放在旋转坐标系下来看时 可以认为是定常的情况 定常问题比较容易求解 边界条件简单低的计算机资源占用易于进行后处理和分析注意 旋转坐标系下 可能依然需要使用非定常来求解 例如湍流 流动中周期性不均匀变化 分离等 例子 风机后缘的脱离涡壁面条件必须符合下列标准 随着流域动的壁面可以是任意形状 固定 至于确定的坐标 的壁面必须是旋转表面 选择旋转周期性边界条件可以提高效率 减少网格数量 SRF模型中的静止壁面 stationarywall rotor baffle Correct Wrong Wallwithbafflesnotasurfaceofrevolution N S方程 旋转坐标系 方程可以在绝对坐标系或者旋转坐标系下求解 相对速度公式 RVF 通过把静止坐标系下的N S方程转化为旋转坐标系下获得 相对速度和相对总内能为依赖变量 绝对速度公式 AVF 由相对速度方程得到绝对速度和绝对总内能为依赖变量动量方程中的旋转源项附录中有相关方程的详细列表 速度三角形法则 相对速度和绝对速度的关系如下 在涡轮机组中 这个关系可以用矢量加法法则表示 这个关系称为矢量三角形法则 公式比较 相对速度方程 x方向上动量方程 绝对速度方程 x方向上动量方程 Coriolisacceleration Centripetalacceleration Coriolis Centripetalaccelerations SRF设置 求解器 求解器选项推荐 PressureBased 不可压缩 低速 亚音速 可压缩流DensityBased 高速 跨音速 超音速 可压缩流速度方程推荐 当从静止域流入时 使用绝对速度方程 AVF 当为闭域 所有表面都运动 或者从旋转域流入时 使用相对速度方程 RVF 注意 RVF只在偏析求解器中有效梯度选项非结构网格选用节点梯度多面体网格选用最小二乘梯度 SRF设置 流体边界条件 使用流体边界条件设置旋转坐标系的坐标原点和方向向量 方向向量必须是单位向量 如果不是 Fluent将会自动转化成单位向量 SRF中的MotionType选择运动参考坐标系 MovingReferenceFrame 输入旋转速度旋转方向使用右手定则负速度表示速度方向相反 SRF设置 入口 出口边界条件 速度入口 绝对速度和相对速度可以不使用方程来定义 压力入口 通过速度方程来定义总压压力出口 当轴向流问题在出口处有旋转时 可以选择径向平衡选项 radialequilibriumassumptionoption 指定的压力为中心压力SRF问题的其它边界条件无反射边界条件目标质量流出口 Targetmassflowoutlet incompressible RVF incompressible AVF 壁面边界条件 在运动参考坐标系下 可以选择壁面是相对坐标还是绝对坐标 推荐在所有的运动参考坐标系下 壁面条件都设为 选上 MovingWall 选项旋转坐标原点和方向的设置和流域中的设置一样对静止的表面 在绝对坐标下 输入零旋转速度 绝对速度 Absolute 对运动的表面 输入零旋转速度 相对于邻近的单元域 SRF问题的求解方法 SRF问题可能相对较难求解 因为流域的旋转将会带相当来大的流动梯度 对于旋转产生的影响 可能需要很好的网格才能求解大梯度 麻烦情况下需要做的准备 确定网格质量足够好 最大的单元偏斜 0 9 0 95 开始时使用一阶离散方法 缩小欠松弛因子 克朗特数来保证数值稳定性 当遇到难以开始 hard to start 问题时 使用FMG初始化 特别需要注意的是压缩机 抽水机和相似应用 考虑使用瞬态计算来解算问题 相对于静态的方法 可以提供更好的收敛性 在时间上使用一阶离散方法 而且大概每次迭代2 3步 一直运行到静态 大纲 介绍和模型建立方法概览单参考系 SRF 模型多重域和多参考系 MRF 模型混合面模型 MPM 滑移网格模型 SMM 动网格 DM 模型概要附录 多重域建模 许多旋转机械问题都有固定部分 不能使用表面旋转来描述 SRF无效 这样的系统可以分成多重流动域 multiplefluidzones 有些域是旋转着的 其它是静止的 使用一个或多个分界面 interfaces 把多重域了联系起来 对于多重域模型中的分界面 下面列出了解算它们的方法 多重参考系模型 MRF 定常求解法对分界面进行简化 不考虑不同坐标系间的转动相互作用 混合面模型 MPM 定常求解法不同坐标系间的相互作用都近似成在流域分界面 mixingplanes 上的周期性平均 滑移网格模型 SMM 非定常求解法精确模拟运动和静止域间的相对运动 但是需要占用很高的计算机资源 固有非定常 单体和多体模型间的比较 interface SingleComponent blowerwheelbladepassage MultipleComponent blowerwheel casing MRF模型的介绍 计算域被分为定子和转子 分界面把域分隔开 分界面可以是正交投影或者非正交投影每个流域分别解算各自的流动方程每个域中都假定流动是静止的 非常的近似 在转子中 使用了SRF方程 在定子和转子之间的分界面上 速度向量和速度梯度适当变化 便可以计算得出质量 动量 能量和其它标量 MRF不同域之间的相对运动定子和转子之间 不考虑动力学相互作用 因为这个特性 MRF经常称作 冷冻转子 frozenrotor 方法 理想状态下 MRF分界面上的流动应该都相对相同或者 混合突出 mixedout MRF模型的分界面 正交分界面把相邻的流域分开的内部网格面 两边的网格必须一样 非正交分界面网格单元是物理上分开的 分界面由两个重叠的面组成 type interface FluentNCI数值算法中 通过分界面的流量使用守恒形式 比如 动量 能量 流量守恒 用户创建分界面的方式是 Define GridInterfaces 分界面可以是周期性的要求一样的平移和旋转偏移 Conformalinterface Non conformalinterface 分界面形状 包涵旋转流域上分界面的壁面 将和流域一样移动 并且可以是任意形状 旋转表面允许是静止的 两个域之间的分界面必须是旋转表面 而且旋转轴和旋转域是一样的 周期性分界面是可以存在 但是所有域中的周期性角度 或者偏移 必须一样 Correct Wrong Interfaceisnotasurfaceorrevolution Consideramixingimpellerinsidearectangularvessel Problemcanbedescribedwithtworeferenceframesorzones 旋转周期分界面案例 periodicnon conformalinterface Eachzonehassameperiodicangle 40deg Centrifugalcompressorstage MRF设置 为静止和旋转的流域生成合适的的网格 可以为单元域选择正交和非正交类型 为每个旋转流域 流体边界条件 在MotionType选项中选择MovingReferenceFrame 输入旋转速度 SRF中除了多重域 其它都一样静止域选上静止选项 Stationary 设置其它边界条件 求解器设置和SRF模型设置相同 MRF问题的计算方法 和SRF问题相同 因为一个或者多个流域的流动梯度比较大 MRF问题也比较难解 相邻单元域间的作用 需要用比默认值更小的欠松弛因子求解 麻烦情况下需要注意的问题 确认网格质量足够好 最大网格偏斜 0 9 0 95 特别是相邻域间分界面周围的网格 使用FMG初始化 可以使用非定常时间步长的方法 达到和静止状态下稳定解相同的效果 注意 MRF是定常方法 和瞬时求解方法不同的概念 如果MRF的结果不稳定或者不符合实际 你就可能要用非定常滑移网格模型求解 大纲 介绍和模型建立方法概览单参考系 SRF 模型多重域和多参考系 MRF 模型混合面模型 MPM 滑移网格模型 SMM 动网格 DM 模型概要附录 混合平面 MPM 模型介绍 MPM模型起初是用来模拟定子 转子 叶轮 叶片和轴心 离心涡轮机组 同样也能用于很多相同种类的问题 域是由混合的 单向 旋转和静态流域组成的 每个域都是 包涵自我 的 都有各自的入口 出口 壁面和周期性边界条件 例如 每个域都是SRF模型 在每个域中都包涵有恒稳态的SRF解 并且每个域的边界调节都互相关联 混合平面是指每个域间 相互关联 的域 边界条件之间通过周期性平均侧面流动变量来传递的 这些变量每个迭代步都会进行更新 侧面可以是径向的 也可以是轴向的 当解收敛的时候 混合平面边界条件将会调整适应整体的流动条件 MRF和MPM的比较 MRF只能在每个情况都具有相等的周期性角度的时候使用 流动性质是贴着本地的分界面 可能会导致一些不符合常理的现象出现 可能需要对奇数个的叶片进行建模 这时就需要360度除以这个数目 为叶片流得到相等的周期性角度 MPM只需要每个单向叶片流的叶片数目 通过混合流动中的周期性非均匀混合平面分界面得出 MRF MPM radialmachines 混合平面构成 混合平面的分界面由上游域出口和邻近下游域入口组成 入口 出口边界条件必须是下面这几种边界条件中的一种 压力出口 压力入口Pressure Outlet Pressure Inlet压力出口 速度入口Pressure Outlet Velocity Inlet压力入口 流量入口Pressure Outlet Mass Flow InletMPM可以同时实现轴向和径向涡轮组叶片流场的模拟 模拟轴向机械 径向侧面 模拟径向机械 轴向侧面 axialmachines MPM设置 设置流域是运动坐标系和定义域的速度 为入口和出口边界条件设置合适的边界条件类型 为混合平面对选择上游和下游域 为侧面插补设置点的数量 必须和网格中轴向 径向设置相同 混合平面几何 MixingPlaneGeometry 决定了周期性平均的方法轴向流动机械选择径向 Radial 径向流动机械选择轴向 Axial 混合平面控制欠松弛系数 Under Relaxation 当使用0 1之间的数 表示侧面的不严格改变 混合模型的计算方法 因为混合平面模型包括修改混合平面分界面的边界条件 迅速的流动条件的改变可能导致混合平面求解收敛上的困难 试着降低混合平面的欠松弛因子到0 1 0 5之间 可能对解的稳定性有所帮助 另外一些困难情况下的需要考虑的事情 确定网格质量足够好 最大网格偏斜 0 9 0 95 为难以开始 hard to start 的问题使用FMG初始化 FMG初始化适合混合平面模型 降低欠松弛因子和 或者克朗特数 使用固定的边界条件初始化运行下情况 再使用混合平面法 大纲 介绍和模型建立方法概览单参考系 SRF 模型多重域和多参考系 MRF 模型混合面模型 MPM 滑移网格模型 SMM 动网格 DM 模型概要附录 滑移网格 SMM 模型介绍 涡轮机组中定子和转子之间的相对运动可能会有非定常相互作用 这些相互作用大体上分为下列几种 位势相互作用 压力波相互作用 尾迹相互作用震动相互作用MRF和MPM都忽略了全部的非定常相互作用 而且限定这些流动中的效果十分弱 如果非定常相互作用不可以忽略 我们可以使用滑移网格模型 把静止和旋转组成中的相对运动考虑进去 滑移网格模型的工作原理 和MRF模型相同的是 非正交分界面把域分成移动和静止域 和MRF模型不同的是 每个移动域的网格会随着一个时间函数更新 因此把数学问题变为固有非定常 另外和MRF模型不同的是 控制方程有新的移动网格形式 而且在绝对量固定坐标参考系下求解 附录中有详细信息 没有使用运动参考坐标系方程 例如 没有科里奥利 向心加速度 方程是普通移动 变形网格的特殊公式 假设刚体网格运动和滑移 非正交分界面 滑移分界面 MRF问题中的滑移网格必须符合下列规则 分界面上的任何传递不能关于自身不变 位于旋转域和它相邻的静止 旋转域必须是个旋转面 这个旋转面的转动轴和旋转子域重合 许多失败的滑移网格模型 很多都是因为网格移动时 分界面变得不相连 滑移分界面可以是部分重叠 可以是 周期的壁面如果是周期的 边界域必须是周期的而且都是相同的偏移量 Ellipticinterfaceisnotasurfaceofrevolution 滑移网格设置 选择非定常求解器 unsteadysolver 定义滑移域的分界面条件类型 为移动域 在流体边界 FluidBC 对话框中 选择移动网格 MovingMesh 作为移动类型 MotionType 为每对分界面域 创建非正交分界面 滑移 旋转是周期性的 选择周期性 Periodic 选项 变化热量传输 选择双精度 Coupled 其它的边界条件和SRF MRF模型设置相同 SMM问题计算方法 设置适当的时间步长和每次时间步最大迭代步 得到每个时间步较好的收敛情况 时间步长不能比移动单元将要移动超过一个固定点所用的时间 当流动具有时间周期性 压力 速度等 随着时间变量的改变不断重复 时 求解的更多设置 通常需要几次网格的旋转 好的初始条件可以减少到达时间周期性需要的时间 Ds averagecellsizewR characteristicvelocityofthemovingzone R meanradiusofinterfacesurface 大纲 介绍和模型建立方法概览单参考系 SRF 模型多重域和多参考系 MRF 模型混合面模型 MPM 滑移网格模型 SMM 动网格 DM 模型概要附录 什么是动网格 DM 模型 FLUENT求解中 一种可以适应移动边界条件和 或者物体 并且可以相应的调节网格与之适应的方法 案例 在圆柱中 自动位置的移动 机翼表面的流动 真空管的打开和关闭 动脉扩张和收缩 Volumetricfuelpump 动网格模型 特点 根据用户自定义的边界 物体移动 单元类型和网格形式 FLUENT会自动计算出内部节点位置 弹性相似 光滑 本地重构网格压条法2 5D用户自定义网格移动边界 物体运动可以根据下列运动类型设定 圆柱运动 In cylinder RPM 行程长度 曲柄角 通过预置文件 profiles 或者UDF指定的运动建立在流动求解的流体动力学的耦合运动 例如 FLUENT中的6自由度模型 6DOF 不同的网格运动形式可以运用在不同的域上 相邻域间的连接可以是非正交的 弹性相似 弹性光滑 网格的移动就像相连的弹簧 或者是海绵 连通性并没有改变 当使用独立网格形式时 受相关最小变形的限制 对结构和非结构网格都有效 可以运用于结构和非结构网格类型 但是需要特别的控制 本地网格重构 当超出用户自定义的偏斜和尺度限制范围时 本地的网格节点和单元就会增加或减少 当单元增加或减少时 连通性便发生了改变 只有非结构网格有效 这个过程同时也有光滑作用 具有代表性的是使用光滑合并 压条法 单元增加或减少随着域的增长或收缩改变 当单元增加或减少时 连通性也相应改变 只有结构网格才有效 混合运用的方法 需要正确的分解来初始生成网格 压条法 阀程区域 下汽缸区域 网格重构 上汽缸区域 域间非正交分界面 动网格设置 选择非定常求解器 选择动网格模型Define DynamicMesh 激活需要的网格方法 设置合适的参数 在动网格用户操作界面中定义边界运动 可能需要UDF 其它模型 边界条件和求解器设置和SRF MRF模型相同 网格运动可以提前查看Solve MeshMotionutility 通过提前查看 如果网格质量有问题 Fluent可以提前发现 其它动网格选项 2 5D网格运动挤压几何 extrudedgeometries 的特殊网格重构方法 可以允许三角形网格像楔形一样在体积内挤压 优点 可以比结构网格更好的贴合小裂缝 用户子定义网格运动通过UDF控制网格的运动 网格拓扑结构不能发生改变 优点 可以提供通常弹性相似 网格重构或者压条法不能提供的运动模式 6自由度模型允许网格表面表现出定义了质量 转动惯量的物体的运动特性 表面运动表现出CFD计算中的压力和反作用力 重力和其它力可以加入力的平衡 附录和用户手册中关于这些项有更多信息 大纲 介绍和模型建立方法概览单参考系 SRF 模型多重域和多参考系 MRF 模型混合面模型 MPM 滑移网格模型 SMM 动网格 DM 模型概要附录 概要 五种可以模拟流体流动部分的方法 单 旋转 参考系模型多重参考系模型混合平面模型滑移网格模型动网格模型前三种方法是完全静态定常方法 而滑移网格和动网格则是非定常方法 选择这些模型 包括部分的 改变这些静态流域到运动参考系或者动网格 大部分物理模型适合用运动参考系或者动网格 例如 多相 燃烧 传热等 前面的幻灯片中有更加详细的实践指导 附录 运动参考系下的N S方程相对速度方程绝对速度方程动网格问题中的N S方程 N S方程 旋转参考坐标系 Fluent中使用的两种不同的方程相对速度方程 RVF 包括把固定参考系下的N S方程转换到旋转坐标系下 使用相对速度作为动量方程中的依赖变量 使用相对总内能作为能量方程中的依赖变量 绝对速度方程 AVF 从相对速度方程得来 使用绝对速度作为动量方程中的依赖变量 使用绝对总内能作为能量方程中的依赖变量 注意 N S方程中RVFandAVF是等价的 边界条件等价的情况下 两种方程的解应该是相同的 参考系 x y z z y x stationaryframe rotatingframe axisofrotation CFDdomain Note Risperpendiculartoaxisofrotation 假设和定义 假设没有交换 特定坐标下的定常旋转 w constant 通过原点旋转坐标定义坐标忽略物体的受力 比如重力和其它效果 像方程中列出的 忽略能量源 像方程中列出的 定义绝对速度 流体在静止 绝对 参考坐标系的速度相对速度 流体在旋转参考坐标系下的速度3 D可压缩 层流形式的方程在接下来的幻灯片中将会介绍到 其它的形式相似 相对速度方程 Continuity Momentum Energy 相对速度方程 2 Relativetotalinternalenergy Fourier sLaw Viscousstress 旋转坐标系下的相对加速度 Coriolisacceleration centrifugalacceleration Rothalpy 考虑在旋转参考系下 流动是定常 绝热 无粘流 能量方程可以简化成 数量便是rothalpy 从上面可以看出 rothalpy在旋转坐标系下 定常 无粘流将是守恒的 如果粘性流的壁面和参考系一起旋转 Rothalpy也可以是守恒的 因为这时旋转壁面的相对速度为零 绝对速度方程 Continuity Momentum Energy 绝对速度方程 2 Relativetotalinternalenergy Fourier sLaw Viscousstress 旋转坐标系下的加速度 Accelerationreducestosingleterminvolvingrotationalspeedandabsolutevelocity 推荐的速度方程 当入流从静止域进入时 使用绝对速度参考系 AVF 在这种情况下 通常知道的是绝对总压和绝对速度例子 导管风扇系统中的流动 入流处是个静止管封闭域 所有的表面是动态的 或者入流冲旋转域进入时 使用相对速度参考系 RVF 在这种情况下 通常知道的是相对总压力和相对速度例子 圆形洞穴中的旋转流正如先前知道的 RVF和AVF等价的 而且两种都能在许多问题中很好的运用 如果绝对速度梯度量和相对速度梯度量非常不同 相同的网格结果可能会有差异 使用合适精致的网格时 不同求解方式中的结果应该相似 运动参考系中的标量方程 运动参考系中普通的标量输运方程形式可以写成下面的形式 方程中的标量是沿着相对流线 relativestreamlines 的标量 梯度 源项都是关于运动控制体积来定义的 例子 湍流模型方程 物质守恒方程等 N S方程 动网格形式 滑移网格 aka动网格 和动网格方程中假设计算域在相对静止参考系下的运动 计算域没有参考系 域中任何运动的点都是关于一个给定的时间变化率的位置向量 可以认为是网格速度刚体的旋转速度是常数方程是积分型的 动网格说明 x y z stationaryframe axisofrotation MovingCFDdomain N S方程 动网格 1 Continuity Momentum Energy N S方程 动网格 2 前面所说的方程中 W和分别是移动控制体积中的体积和边界面 滑移网格模型中 即使W在网格中没有定义 W始终是常数 移动 变形模型中 W W t 而且符合几何守恒定律 geometricconservationlaw GCL 时间导数 d dt 表示的是时间顺着运动控制体积的微分 所有空间梯度都是在静止参考系下计算的 2 5D模型 2 5D网格本质上是2D上的三角形网格沿着特定动域坐标轴拓展而成的 你可能更关注怎样建立这样的模型 刚体运动是随着运动边界域来运动 三角形拓展面是通过网格重构和光滑来进行调整的 拓展三角形网格的对边 然后同时分配变形域 只是使用光滑技术 用户自定义网格运动 网格运动是通过用户子定义函数 UDF 来定义的 如果使用UDF移动网格 将不能产生连通性的改变 实际运用包括 叶轮泵离心泵轴承旋转压缩机 6自由度耦合运动 物体得到的运动 同时考虑了空气动力和瞬间其它力一起的作用 例如重力 推力或者爆破力 例如 为了避免碰撞 初始时推动物体离开飞机或者火箭的力 这些情况下 运动和流域是耦合的 我们于是把这种运动叫做耦合运动 Fluent提供可以计算物体运动轨迹的UDF 计算时考虑空气动力 动量 重力和爆破力 这个通常叫做6自由度 6 DOF 求解器 一般和它相关的UDF叫做6 DOFUDF The6 DOFUDF是完全并行的 6DOF耦合运动 cont d 储箱在马赫数1 2时 从delta翼形上掉落 NACA64A010 爆破力在一个很短的时间起作用 全非结构网格使用尺度函数来光滑和网格重构Fluent的计算结果和风洞试验数据相稳和 3 多相流 简介 相是指在流场或者位势场中 具有相同的边界条件和动力学特性的同类物质 相一般分为固体 液体 气体 同时也有其它的定义形式 具有不同化学属性的材料 但具有相同的状态和相 例如 液体 液体 油 水 液体由原相 primary 和次相的混合相 secondary 组成原相 primary 可以认为是连续介质次相 secondary 认为是分散在原相中可能有很多混合相以不同的大小分布在不同的位置相反 多组分流 成分输运 是一种可以用单一的速度和温度来定义所有成分的流动 选择多相流模型 为能选择合理的模型 用户需要推理得到下列形式的一些流动参数 流动域微粒 连续介质中的气泡 液滴和固体颗粒 分层 流体分界面的长度和域的长度成正比 多相湍流模型在颗粒流动中 可以估计出颗粒体积填充量Stokes数 多相流的各种形式 气泡流 连续液体介质中的离散气泡 例如 减震器 蒸发器 喷射装置 液滴流 连续气体介质中的离散液滴 例如 喷雾器 燃烧室活塞流 大的气泡在连续液体中层流 自由表面流 不能混合的流体有清晰的分离面 例如 自由表面流粒子流 连续液体中的固体颗粒 例如 旋转分离器 空气清新器 吸尘器 尘埃环境流流动层 流动层反应堆泥浆流 液体中的质点流 固体悬浮液 沉淀 和水力输运 Gas LiquidLiquid Liquid Gas Solid Liquid Solid SlugFlow Bubbly Droplet orParticle LadenFlow Stratified Free SurfaceFlow PneumaticTransport Hydrotransport orSlurryFlow Sedimentation FluidizedBed 填充体积和微粒 填充体积 分散型或者密集型这个和混合相 secondaryphase 的体积分数有关分散型 10 内部颗粒间的距离大于颗粒直径两倍 因此 颗粒间的相互作用可以忽略 密集型 散布率和连续相惯量 多相流中的湍流模型 多相流中的湍流模型非常具有挑战性 如今 单相湍流模型 例如k 和RSM 只是用在基础相的湍流模型计算中 考虑到混合相 湍流方程需要更多的项来建立湍流模型 如果相离散而且密度比例为1 或者颗粒分布是分散性 混合物质便可以用单相模型来表达 其它情况时 可能依然使用单相模型 或者使用 粒子成分修正 模型 Stokes数 系统载入媒介粒子时 根据Stokes数选择合适的模型 Stokes数 St 是粒子 分散内相 时间松弛系数 d 和流动特征时间比例 c 的比值 其中 D和U是问题中的特征长度和速度标量 如果St1 粒子流动独立于流场流动 混合物质相 在FLUENT中所有的混合模型 任何相都可以看成是由一种材料或者由混合物质组成 混合相的材料定义和单相流中的定义一样 可以建立不同类的反应 属于不同相中反应物和产物间的反应 这个意味着不同类反应将会导致界面间的质量传递 FLUENT中的混合模型 粒子流模型离散相模型 DPM 混合相模型欧拉混合多相流模型层流模型VOF模型 Define Models Multiphase Define Phases 离散相模型 离散相模型 DPM 拉格朗日计算方法下粒子 液滴 气泡的轨迹 粒子可以通过连续气体介质交换热量 质量和动量 每条轨迹都是由一组初始条件相同的粒子形成 粒子与粒子间的相互作用可以忽略 可以使用随机轨迹或者 粒子云团 来建立湍流散布模型 几种有效的子模型方法 散布相的加热 冷却流体液滴的汽化和蒸发燃烧粒子的挥发演变和燃烧喷雾模型中液滴的分裂和融合腐蚀 衍生 DPM模型的适用条件 流域 气泡流 液滴流 粒子流填充体积 必须是分散型 体积率 12 填充粒子 少量到适中建立湍流模型 相之间的弱结合和强结合Stokes数 所有Stokes数案例气旋喷雾干燥器粒子的分离和分类浮质散布液体燃料媒的燃烧 DPM案例 喷雾干燥器仿真 使用FLUENT中DPM模型模拟仿真喷雾干燥过程 包括液体喷雾进入加热室接触干燥粉末时的流动 热交换和质量交换 优化喷雾干燥器中的不同参数时 CFD仿真技术起到不可或缺的作用 PathLinesIndicatingtheGasFlowField Airandmethaneinlets Centerlineforparticleinjections Outlet 喷雾干燥器仿真 2 ContoursofEvaporatedWater StochasticParticleTrajectoriesforDifferentInitialDiameters InitialparticleDiameter 2mm 1 1mm 0 2mm 欧拉多相模型 欧拉多相模型 欧拉多相模型是一种平均N S方程 可以计算任意粒子和连续相物质 结果是每相守恒方程的集合 连续相 N种粒子媒介 两相同时共存 每相的守恒方程都包涵单相项 压力梯度 导热率等 分界面项 分界面项包括动量 升力 热量和质量交换 这些方程很难收相交 因为都是些非线性的比例项 机械上的 相间的速度差分 热上的 温度差分 加上模型多种多样 湍流模型等 欧拉模型中的粒状选项 当含有高浓度的固体颗粒时 就会产生粒状流 粒子间的作用将时常发生 粒子将被相似的考虑为有一定密度 分子相互碰撞的云团组成 粒子相需要考虑分子云团的概念 这个理论需要在