fluent在燃烧方面的应用.ppt

计算流体动力学ComputationalFluidDynamics Fluent在燃烧模拟方面的应用 Fluent应用 主要内容 第一章Fluent简介第二章边界条件第三章Gambit建模及网格第四章燃烧相关设置第五章后处理 Fluent应用 1 1计算流体力学概述1 什么是CFD CFD即计算流体力学流体力学分支 ComputationalFluidDynamics CFD理论分析流体力学 AnalyticalFluidDynamics AFD 实验流体力学 ExperimentalFluidDynamics EFD CFD已随计算机技术的发展而变得越来越重要 CFD是利用计算机模拟真实流动现象流体在一定的空间区域连续流动将该区域离散为细小的网格单元在这些单元内求解描述流动规律的数学方程采用可视化技术等分析计算得到的流场 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 1计算流体力学概述2 为什么需要CFD 理论分析 AFD 可解决的问题非常有限制描述流体运动的偏微分方程数学特性非常复杂 迄今为止只有很少数很简单的流动用AFD获得了结果CFD与实验研究 EFD 相比有独特的优势不需要实验模型 风洞等 可节省大量的时间和经费可以获得远比实验数据丰富 直观的三维流场结果可以模拟许多难以进行实验的流动问题能实现计算机的 虚拟 设计 分析 一定程度代替制造和测试能认识和探索许多新的流动问题CFD技术已有较高的水平 并在发展 同时计算机运算能力每3年提高一倍 两者结合使CFD的作用越来越强 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 2计算流体力学的发展CFD技术产生晚 发展快 地位越来越重要20世纪初开始的理论基础研究松弛迭代 CFL条件 Lax定理等60 70年代初步形成数值计算能力 无粘线性问题计算面元法 用于飞机和汽车工业70 80年代实现了无粘非线性问题的计算全速势方程计算 激波装配法 不可压N S方程计算80 90年代取得了Euler N S方程计算突破TVD MUSCL等高分辨率格式 时间推进的有限体积法90年代至今 CFD技术继续发展ENO格式 大涡模拟 直接数值模拟 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 3计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛 F 18战斗机 X 43高超音速飞机 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 3计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛 23 1 1999美国风暴的卫星照片和预测图象 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 3计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛 舰船绕流的CFD模拟 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 3计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛 CFD得到的汽车车身压力分布和气流流线 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 3计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛 水力发电和火电站的流动问题CFD模拟 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 3计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛 化工容器及管道流动问题室内通风等 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 3计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛 激光手术时眼球内液体流动 游泳 自行车等竞赛 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 3计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛 第一章Fluent简介 Mesh WallShearStress 罗茨泵 Fluent应用 1 3计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛 第一章Fluent简介 煤粉炉 Fluent应用 1 3计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛 第一章Fluent简介 燃烧模拟 Fluent应用 1 3计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛 第一章Fluent简介 燃烧器模拟 Fluent应用 1 4计算流体力学的形象理解和关键问题CFD计算的物理对象 流动的分类框架图 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 4计算流体力学的形象理解和关键问题数学模型1 数学模型本身部分流动的数学模型是准确的 如 无粘流 层流 部分流动的数学模型本身就是近似的 如 湍流RANS LES 2 数学模型的求解计算只有少数非常简单的问题有准确的理论分析解 如 平面势流中的点源 点汇等 绝大多数问题需要采用近似的数值解法 即以离散的解来逼近原来的连续流动 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 4计算流体力学的形象理解和关键问题数值解法1 计算域的离散将流动空间区域离散为细小的网格单元2 控制方程的离散控制流动的方程反应了流体流量 动量 能量的守恒在控制体内用差分逼近微分 将连续场内微分方程转变为分布在一系列网格单元上的代数方程使用迭代等方法求解这些代数方程 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 4计算流体力学的形象理解和关键问题 质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 PDF燃烧模型 辐射方程 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 4计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件 边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计 描述计算空间域的几何形状 重点是流体机械的造型 可以采用Gambit Ug Pro E AutoCad等造型 也可以自行编程给出造型 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 4计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件 边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计 说明流动条件 流动类型 如 层流或湍流 来流条件 如 速度 压力 选择计算的数学模型辐射方程 能量方程 湍流模型等 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 4计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件 边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计 流场初始条件 1 不影响定常结果2 猜得好的初场可加快计算收敛流场边界条件 1 决定流场结果 定常 非定常 2 包括固壁 入流 出流 远场等 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 4计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件 边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计 网格分区和生成 Gridgen 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 4计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件 边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计 选择设置计算的参数和选项 如 计算格式 CFL数 迭代步数等CFD程序计算 NAPA 多层加密计算 判断收敛 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 4计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件 边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计 流场结果后处理 通过等值图 流线图 XY函数曲线图等手段对流场密度 压力 马赫数等参数和流速 流向等进行分析 第一章Fluent简介 Fluent应用 1 4计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件 边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计 准确度估计 1 监测迭代收敛精度 参考点参数波动2 网格对计算的影响分析3 与标准实验数据的对比 第一章Fluent简介 Fluent应用 网上CFD资源 第一章Fluent简介 Fluent应用 为了获得物理问题 各种微分方程 的唯一解 必须对计算域边界设定各种参数值 如各种通量 热通量 质量通量 运动状况等 边界条件内容 定义边界条件的位置信息 如进口 固体壁面 对称位置面 确定边界上的各种参数信息边界条件的具体内容和计算中采用的物理模型 边界条件的类型密切相关 必须仔细确定边界条件的参数直接影响了求解过程和所得到的结果 第二章边界条件 Fluent应用 Fuel Air CombustorWall Manifoldbox Nozzle 分析流程 1 来流条件均匀性非预混模型考虑混合效果2 喷嘴进口非预混模型参数要求高3 喷嘴出口预混模型参数要求高 第二章边界条件 Fluent应用 基本原则 设定在流体的进 出口可以有利于收敛 在垂直于边界上不应该存在很大的参数梯度 导致不同的结果 减小边界附近的网格扭曲度 导致计算早期误差过大 第二章边界条件 Fluent应用 基本的边界类型 外部面一般 Pressureinlet Pressureoutlet不可压 Velocityinlet Outflow可压 Massflowinlet Pressurefar field特殊 Inletvent outletvent intakefan exhaustfan其它 Wall Symmetry Periodic Axis单元 区域FluidandSolid相交面Fan Interior PorousJump Radiator Walls 进口 出口 壁面 内部面 孔 第二章边界条件 Fluent应用 基本流程 Gambit BoundaryType FluidType Fluent Solver SelectBoundary SetParameters 第二章边界条件 Fluent应用 边界条件的定义 Solver 选择求解器正对求解器选择不同的边界条件定义器 第二章边界条件 Fluent应用 边界条件的定义 SpecifyType 选择边界对应的几何体默认值 面选择边界的类型 鼠标直接选取 对定义好的边界可以再操作更改 删除 第二章边界条件 Fluent应用 边界条件的定义 SpecifyType 选择边界对应的几何体默认值 体选择边界的类型 鼠标直接选取 对定义好的边界可以再操作更改 删除 第二章边界条件 Fluent应用 边界条件的定义 Define 在Fluent中定义边界条件的具体值各种边界条件的参数可以重新定义边界类型 第二章边界条件 Fluent应用 重新定义边界条件 一般边界条件在预处理软件中定义 可以在Fluent中更改 Define BoundaryConditions 选择要更改的几何体从Type中选择新的类型 第二章边界条件 Fluent应用 给定边界条件参数 在BCpanels中直接赋值 给选定的边界设定 从Zone菜单中选择边界 点击Set按钮利用Copy按钮可以复制边界条件 边界条件的内容可以存盘 也可以读入 file write bcandfile read利用UDFsandProfiles可以定义复杂的边界条件 第二章边界条件 Fluent应用 VelocityInlet 定义类型 Magnitude NormaltoBoundaryComponentsMagnitudeandDirection默认值为均匀流动适用于incompressibleflows Staticpressure相应分布 Totalpressure同样用于compressibleflows将有可能导致非物理解 速度设定为负值时 可以用来表示出口 但是必须要保证流量平衡 第二章边界条件 Fluent应用 PressureInlet 1 参数确定 TotalGaugePressure驱使流体运动的能量 StaticGaugePressure超音速流动时静压 亚音速时忽略从该边界初始化时有用TotalTemperature对于不可压流作为静温 InletFlowDirection 第二章边界条件 Fluent应用 PressureInlet 2 注意的是Gaugepressure必须给定 Operatingpressure定义 Define OperatingConditions同时适用compressible和incompressibleflows Fluent计算时采用staticpressureandvelocity通过压力面的通量由内部条件和流动方向决定 可以被用作模拟 Free 面 第二章边界条件 Fluent应用 MassFlowInlet 参数确定 a MassFlowRateor b MassFlux a 给定恒定的流量 b 利用profiles UDF定义StaticGaugePressure超音速有效该边界初始化有效 TotalTemperature对于不可压流动为静温 InletFlowDirection一般用于compressible 也可用于incompressibleflows Totalpressure由输入变量求得 和pressureinlet相比 收敛性差 第二章边界条件 Fluent应用 PressureOutlet 给定staticgaugepressure作为出口处的环境压力 可以定义径向的压力分布 Backflow收敛过程出现最终结果如此 方向是垂直于边界 适用于compressible和incompressibleflows在超音速条件下 忽略所给定的压力值 可以被用来模拟自由流 第二章边界条件 Fluent应用 Outflow 不需指定任何速度和压力信息 由内部区域来传递信息 边界上保持流量平衡 在Outflow面上所有参数梯度为零近似于充分发展流适用于incompressibleflows 不能和PressureInlet合用 入口只能是velocityinlet 不能用来模拟密度随时间变化的问题 当存在回流时 很难收敛不能模拟最终结果存在回流的物理问题 第二章边界条件 Fluent应用 可以利用PressureOutlet和Outflowboundaries PressureOutletOutflow 出口流量定义如下 mi FRWi FRWiwhere0 FRW 1 FRW为1表示均匀分布 多通道出口 第二章边界条件 Fluent应用 其它的边界条件 PressureFarField模拟idealgaslaw下的流动 通常给定free streamMachnumber和静态参数 ExhaustFan OutletVent给定压力损失系数 压力降 以及环境参数InletVent IntakeFan模拟风扇运动 给定压力损失系数 压力降 以及环境参数 第二章边界条件 Fluent应用 壁面Boundaries 速度 无滑移切向速度和固壁面速度相等 法向速度为零可以定义壁面剪切力 热边界 几种不同的条件包括定义壁面厚度 定义运动的壁面 第二章边界条件 Fluent应用 SymmetryandAxisBoundaries SymmetryBoundary简化计算量 不需任何参数 计算域和几何形状必须对称 对称面上法向速度为零所有的变量法向梯度为零AxisBoundary模拟二维轴对称问题 不需任何参数 第二章边界条件 Fluent应用 PeriodicBoundaries 减小计算量 计算域为周期性运动区域 周期性旋转 周期面上 p 0 周期性平动 在周期面上允许有限的 p 模拟充分发展流 在Gambit中预先定义为translational 第二章边界条件 Fluent应用 区域定义 Fluid Fluidzone 求解的流体计算域 确定Fluidmaterial 确定各种源项 质量 运动 能量等定义为多孔介质定义旋转等周期性运动 定义各种运动方式 第二章边界条件 Fluent应用 PorousMedia 按照流体区域处理 选择PorousZone项 给定压降参数可以模拟多种物理现象硫化床过滤器多孔平面 第二章边界条件 Fluent应用 区域定义 Solid 只求解热平衡方程 确定固体类型可以定义内部的热源也可定义各种形式的运动状态 第二章边界条件 Fluent应用 第三章Gambit建模及网格 VertexEdgeFaceVolumeGroup BoundaryLayerEdgeFaceVolumeGroups BoundaryTypesContinuumTypes CoordinateSystemsSizeFunctionsG TurboGeometryCleanupPluginTools Gambit任务栏 Fluent应用 网格划分前你需要知道的问题 选择何种网格 网格质量要求 网格数量 计算机承受能力 2D网格 3D网格 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 线网格及面网格简介 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 线网格界面PickingTemporarygraphicsLinks DirectionsGrading SpacingSpecialcharacteristicsApplyandDefaultsInvertandReverseOptions 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 Specifyintervalsize nograding applywithoutmeshing 各种面网格举例 Specifygradingonly applywithoutmeshing FaceMeshGeneratedUsingQuadPaveScheme Pavefacemeshingschemesrequireanevennumberofelementsonedgemeshes FaceMeshGeneratedUsingSubmapScheme 1 2 Generatefacemesh 3 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 四边形网格举例 Quad MapQuad SubmapQuad Tri PrimitiveQuad Pave 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 Quad TriandTri举例 Quad TriMap Quad TriPave Quad TriWedge TriPave Facemustbesplittogeneratemorethanonecellacross Triangularcell Triangularcell Quadcells 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 网格检查 DisplayTypePlane SphereRange显示合格网格比例 显示网格质量分布 查找劣质网格位置Select2D 3DandelementtypeSelectQualityType 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 GAMBIT有以下几种网格质量检查内容 AspectRatioDiagonalRatioEdgeRatioEquiAngleSkewEquiSizeSkewMidAngleSkewSizeChangeStretchTaperVolume其中最重要的是网格扭曲度和体积变化率 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 网格扭曲度 QEAS QEAS 0网格质量非常高QEAS 1网格质量差 很难收敛 0 best 1 worst Tri Tet Quad Hex 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 体积变化率 Qsc 默认QSC 0 QSC 0表示相邻网格与选定网格面积 体积形同 3D举例QSC i Vj 1 Visincej 1haslargestvolumeratio 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 低质量网格会引起计算发散或收敛速度慢 网格质量限制 六面体或四边形网格 网格扭曲度不大于0 85 三角形或四面体网格 网格扭曲度不大于0 9 所有网格单元 体积变化率不大于2尽量避免相邻网格体积的急剧变化 如果检查网格时出现问题 可能有以下原因模型存在尖角等过渡剧烈的几何结构 网格尺寸过大 网格类型不合适 等等 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 体网格简介 对于几何结构简单的模型 六面体或楔形网格数量更少 质量更高 对于几何形状复杂的模型 六面体或楔形网格在质量方面的优势不再明显 而且划分网格花费的时间更长 此时可以选择四面体网格或者混合网格 第三章Gambit建模及网格 Fluent应用 六面体网格举例 Hex MapHex Submap Hex TetPrimitiveHex Cooper 第三章Gambit网格 Fluent应用 Hex WedgeandTet Hybrid Hex Wedge Cooper Tet Hybrid HexCore 第三章Gambit建模及网格 Tet Hybrid TGrid Fluent应用 HexMeshing Map submapface 第三章Gambit网格 Fluent应用 HexMeshing Submap 第三章Gambit网格 Fluent应用 HexMeshing TetPrimitive 第三章Gambit网格 Fluent应用 HexMeshing Cooper 第三章Gambit网格 Fluent应用 CooperExamples VolumeContainingMultipleHoles SourceFacesNotParallel sourcefaces MultipleSourceFacesandMultipleInteriorLoops 第三章Gambit网格 Fluent应用 混合网格举例 发动机排气阀网格不同区域根据结构划分不同网格 相对纯六面体或四面体网格 混合网格在效率和质量方面均有加强 这种网格可以在gambit里实现 HybridmeshforanICenginevalveport tetmesh hexmesh wedgemesh 第三章Gambit网格 Fluent应用 TroubleshootingtheCooperTool A B C 问题 源面A B和C已经划分了面网格 Cooper网格不能划分 如何解决 第三章Gambit网格 Fluent应用 解决办法 A B与C面网格不能一一对应 故不能划分Cooper网格 将C面网格删除即可 A B C 第三章Gambit网格 Fluent应用 TroubleshootingtheCooperTool Problem Abrickissplitasshown TheCoopertoolfails Why Whatcanbedonetogeneratea