CFD软件在二维定常和非定常流动数值模拟中的应用毕业论文.doc

本科毕业设计论文本科毕业设计论文 1 CFD 软件在二维定常和非定常流动数值模拟中的 应用毕业论文 一 题目 CFD 软件在二维定常和非定常流动数值模拟中的应用 二 指导思想和目的要求 运用流体力学的基础知识 培养解决实际问题的能力 掌握 CFD 软 件的使用方法 三 主要技术指标 1 CFD 软件的使用说明书 详细步骤 2 运用 CFD 软件实现二维非定常流动数值计算 3 分析计算结果 撰写毕业设计论文 四 进度和要求 阅读相关的中 英文资料 掌握计算流体力学基本方法 2 周 掌握 CFD 软件使用方法步骤 完成二维非定常计算 9 周 撰写毕业设计论文 准备答辩 3 周 五 主要参考书及参考资料 1 J D Anderson 设计流体力学入门 2 谭浩强 C 语言程序设计 3 李勇 刘志友 安亦然 介绍计算流体力学通用软件 Fluent 4 L D Kral J F Donovan Numerical simulation of Synthetic Jet Actuators AIAA 97 1824 学生 张 培 红 指导教师 宋 文 萍 系主任 杨 永 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 2 目 录 目目 录录 1 1 摘摘 要要 2 2 ABSTRACTABSTRACT 3 3 第第 1 1 章章 前前 言言 4 4 1 1 计算流体力学概述 4 1 2 CFD 软件发展概况 5 1 3 本文包括的主要内容 6 第第 2 2 章章 相关软件介绍相关软件介绍 7 7 2 1 GRIDGEN软件简介 7 2 2 FLUENT 软件简介 12 第第 3 3 章章 二维翼型粘性流动计算网格生成二维翼型粘性流动计算网格生成 1616 3 1 二维结构化网格的生成步骤 16 3 2 网格生成中应注意的问题 23 第第 4 4 章章 FLUENTFLUENT 定常粘性流动计算定常粘性流动计算 2727 4 1 流动控制方程 27 4 2 边界条件 29 4 3 问题描述 29 4 4 计算步骤及过程 30 4 5 计算结果及分析 38 第第 5 5 章章 FLUENTFLUENT 非非定定常粘性流动计算常粘性流动计算 4141 5 1 自定义函数 UDF 41 5 2 问题描述 42 5 3 计算步骤及过程 42 5 4 计算结果及分析 54 总总 结结 6060 致致 谢谢 6161 参考文献参考文献 6262 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 3 摘 要 本文运用商用软件 FLUENT 对二维翼型的定常和非定常外部粘性流动进行了 数值模拟 并对 FLUENT 在二维定常和非定常外流计算中的使用方法和操作步 骤进行了详细的分析和讨论 应用网格生成软件 GRIDGEN 生成二维翼型的结 构化粘性计算网格 并采用FLUENT 中提供的 S A 湍流模型 二阶迎风格 式和耦合 隐式求解器进行流动计算 采用编写用户自定义函数的方法来引 入非定常边界条件 实现了振荡来流条件下的翼型非定常粘性流动计算 通过计算结果和实验结果进行的比较和定性分析 从而验证了运用 FLUENT 进行复杂粘性流动计算的可行性和正确性 本文完成的主要工作如下 1 采用 GRIDGEN 生成了绕翼型适用于粘性流动计算 C 型结构化网格 并对生成方法 操作步骤和生成网格过程中应注意的关键性问题进 行了讨论 2 采用 FLUENT 实现了翼型的定常粘性流动计算 以 RAE2822 翼型为例 详细讨论了相关参数的设置方法和计算过程 并通过 RAE2822 翼型 的计算结果与实验值的比较 验证了计算的正确性 3 采用 FLUENT 模拟了振荡来流下的 NACA0012 翼型非定常粘性流动 详细介绍了自定义函数 UDF 的概念及编写方法 给出了合理的 计算结果 关键词 数值模拟 网格生成 非定常 粘性流动 fluent 软件 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 4 ABSTRACT The steady and unsteady viscous flow around 2 D airfoils was numerically simulated using FLUENT software The method and process of 2 D steady and unsteady outer flow simulation with FLUENT was analyzed and discussed in detail Grid around 2 D airfoil used for viscous simulation was generated using the Gridgen software and the S A turbulence model second order upwind scheme and a couple implicit solver of FLUENT were used while simulating The unsteady conditions was established by the method of writing a User Defined Function and the unsteady flow around airfoil in oscillating free stream was simulated and analyzed The comparison of computed results and experimental data was made and reasonably good agreement was achieved which demonstrated the capability of FLUENT while applied to complex unsteady flow The main work finished in this paper is as follows 1 The C type structured grid around airfoil suited for viscous simulation was generated with GRIDGEN The method process and the key techniques that must be paid more attentions were discussed too 2 The viscous calculation of airfoil was realized And the results for RAE2822 airfoil were testified validity by comparing with experimental data 3 The NACA0012 airfoil in viscous oscillating free stream was simulated using FLUENT The conception and methods of writing a UDF were introduced And a reasonable result was attained KEY WORDS numerical simulation grid generation fluent 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 5 unsteady viscous flow 第 1 章 前 言 1 1 计算流体力学概述 CFD 是英文 Computational Fluid Dynamics 的简称 中文称为计算流体动 力学或计算流体力学 它是流体力学与计算数学及计算机技术等相结合的一门 学科 1 通常包含建立数学物理模型 数值算法求解 结果可视化等几个主要 环节 CFD 大约始于 1950 年 或更早些 刚开始是由航空航天工业以及汽车工 业领军 再带动所有于流体力学有关的其他行业而蓬勃发展 应用范围也不断 扩大 航空航天 汽车 船舶 土木 机械 化工 医疗 电子 材料 大气 于海洋等均涵盖在内 例如飞机与汽车的外形设计 各类引擎燃烧室及冷冻空 调系统设计 空气及水污染物扩散预测 建筑结构物如超高大楼及桥梁等受风 及水流的影响 心脏与血管内的血流流动 高速火车进出隧道的噪音问题等 都可利用计算流体力学来研究与解决 1 由于流体运动本身具有时变性与非线性等特征 因此其物理现象非常复杂 早期的流体力学研究主要是借助于理论分析于实验 然而传统的理论分析方法 由于有许多假设与简化 所以其能解决的问题通常有限 近年来 随着计算机 计算速度与存储容量不断地增加 计算流体力学所能解决问题的尺度与复杂度 也逐渐加大 CFD 的数值模拟 能使我们更加深刻地理解问题产生的机理 为 实验提供指导 节省实验所需的人力 物力和时间 并对实验结果的整理和规 律的得出起到很好的指导作用 当今 计算流体力学已成为学术界研究流体力 学的主要利器之一 与理论流体力学和实验流体力学构成现代研究流体力学之 三大主流 此分析工具除了便于探讨参数变化的影响外 因其建立的分析资料 库 更可以减少实验所需的工时而缩短设计时程 现今欧美各国政府机关 如国家实验室及一些特殊任务导向机关 每年均 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 6 投入十分庞大之人力与物力在计算流体力学的研究 许多著名大学及大企业 如飞机 汽车等重工业 本身也都拥有 计算流体力学研究中心 同时 欧 美的民 间工程顾问公司对于计算流体力学之研发也有许多贡献 国内计算流体力学的 发展远较国外先进国家为晚 由于计算流体力学的应用范围很广 因此国内计 算流 体力学之研究群也都分散于学术界及研发单位中如土木 机械 航空航天 化 工 造船 大气 海洋等各领域 与国外相比还有很大的差距 1 2 CFD 软件发展概况 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟 出现了基 于现有流动理论的商用 CFD 软件 如 CFX UNIC CFD2000 FIDAP FLUENT 等 都被工业界广泛地使用 利用这些软件可以进行流场分析计算以及流场预测 并且可以用来分析显示发生在流场中的现象 在比较短的时间内 能预测性能 并通过改变各种参数 达到最佳设计效果 商用 CFD 软件使许多即使不擅长 CFD 的其它专业研究人员也能够轻松地进行流动数值计算 从而使研究人员从 编制繁杂 重复性的程序中解放出来 以更多的精力投入到考虑所计算的流动 问题的物理本质 问题的提法 边界 初值 条件和计算结果的合理解释等重 要方面 这样最佳地发挥了商用 CFD 软件开发人员和其它专业研究人员各自的 智力优势 为解决实际工程问题开辟了道路 在众多的商用 CFD 软件中 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 2 凡跟流体 热传递及化学反应等有关的工 业均可使用 它具有丰富的物理模型 先进的数值方法以及强大的前后处理功 能 在航空航天 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 其在石油天然气工业上的应用包括 燃烧 井下分析 喷射控制 环境分 析 油气消散 聚积 多相流 管道流动等等 虽然当今涉及国家安全和经济利益的科技成果还无法共享 但这些商用软 件是软件编制人员的劳动成果 也是人类文化的一种体现 是人类共同的财富 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 7 我们应该在承认版权的基础上来利用它们进行基础科学研究 这样就可以省却 科研工作者在计算方法 编程 前后处理等方面投入的重复 低效的劳动 而 可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上 我国在流体力学研究方面起步较晚 基础差 底子薄 但由于我国历来重 视 基础科学和理论的研究 并且如今实行开放政策 基础理论的研究可以与国外 自由交流 别国的科研成果可以为我们所用 所以虽然和国外还有很大差距 但近年来在基础理论研究方面发展非常迅速 但是由于种种原因 我国在运用 商用软件做基础研究方面起步晚 发展缓慢 国内本来从事流体研究的人力资 源就很有限 还要花费大量的人力和资源去做重复 低效 繁琐的编程工作 当然我们这里并不是说反对编程 相反编程是每一个 CFD 从业人员的必修课 是一个 CFD 从业人员素质的体现 只有通过编程才能真正理解运用 CFD 解决实 际问题的原理和过程 也只有这样才能更好地运用商用软件来进行基础研究和 解决实际问题 但是对于有些问题已经有很好 很成熟的技术去解决了 我们 没有必要再花费大量的人力和物力去重复前人已经做过的工作 我们应该在前 人的基础上把工作向前推进 在这方面 我国在固体力学研究方面做的相当好 在好几年前 已经有好多人在借助 ANSYS 等商用软件进行固体力学的研究 并 取得了一系列不错的成果 1 3 本文包括的主要内容 本文运用商用软件 FLUENT 对二维翼型的定常和非定常外部粘性流动进行了 数值模拟 并对 FLUENT 在二维定常和非定常外流计算中的使用方法和操作步 骤进行了详细的分析和讨论 本文首先对 CFD 软件 Gridgen 和 FLUENT 作了简单 介绍 接着详细介绍了用 Gridgen 生成绕翼型适用于粘性流动计算的 C 型结构 化网格的方法以及操作步骤 并针对生成网格过程中应注意的关键性问题进行 了详细讨论 在第 4 章中用 FLUENT 实现了翼型的定常粘性流动计算 以 RAE2822 翼型为例详细讨论了相关参数的设置方法和计算过程 并通过 RAE2822 翼型的计算结果与实验值的比较 验证了计算的正确性 在第 5 章中用 FLUENT 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 8 实现了翼型的定常粘性流动计算 采用 FLUENT 模拟了振荡来流下的 NACA0012 翼型非定常粘性流动 详细介绍了自定义函数 UDF 的概念及编写方法 并 给出了合理的计算结果 第 2 章 相关软件介绍 本文所用到的软件主要为Gridgen和 FLUENT Gridgen具有强大的网格 生成功能 可以进行任何复杂外形的结构化网格或非结构化网格生成 FLUENT 是当前进行 CFD 运算比较成熟的商业软件 功能十分强大 可以用来计算各种 流动 多相流 粒子流等 在流场计算中得到广泛应用 下面我们对这两种软 件简单做一下介绍 2 1 Gridgen 软件简介 Gridgen 是 Pointwise 公司从 1984 年开发并发展而来的用来生成网格的软 件 Gridgen 的第 12 版和第 13 版是在美国空军研究工作实验室的赞助下开发 出来的 在 1994 年之前 Gridgen 是 Pointwise 公司的前身和美国不同政府机构 共同研究开发的 Gridgen 的第 9 版是 1992 年 10 月到 1994 年 4 月由 NASA Ames Research Center 发起 由 NASA Lewis Research Center the U S Naval Surface Warfare Center Carderock Division 和 the U S Army Research Laboratory 共同赞助开发的 Gridgen 第 8 版是 1991 年 7 月到 1992 年 12 月期间由 NASA Langley Research Center 和 Naval Surface Warfare Center Carderock Division 共同开发出的 Gridgen 第 7 版是一个发展的版本 被合并到第 8 版 Gridgen 第 6 版是 1987 年 10 月到 1990 年 9 月由 Aeromechanics Group Wright Research and Development Center Wright Patterson AFB 共同发起开发的 Gridgen 是一个生成三维网格的软件系统 可以用来对任何形状的物体生 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 9 成网格 而不会受到特殊的几何限制 在 Gridgen 中生成的网格可以用于各种 类型的分析软件 包括 CFD 和 FEA 接下来我们详细介绍 Gridgen 中各命令 的使用方法 对于一个新手如果对学习怎样运行 Gridgen 非常感兴趣 那么应 该从阅读指南手册中的指南着手 我们可以参考用户指南的最初几个章节得到 我们将要使用的具体命令的详细信息 2 1 1 网格类型网格类型 Gridgen 可以用来生成多块网格 多块网格是通过把整个网格区域划分成 多个叫做块的子网格产生的 Gridgen 可以用来生成二维和三维块 二维块完全由面元组成 而三维块完全 由体元组成 在同一网格中的块必须是二维的或三维的 在同一网格中的不能 连接不同维数的块 在每个块中的网格可以是结构 非结构或混合网格 结构 网格完全由按一定顺序排列的六面体单元组成 非结构网格由四面体 棱锥 棱柱组成 且没有固定的排列顺序 如果所有的块由结构网格组成 则此网格 称为结构网格 如果所有的块由非结构网格组成 则此网格称为非结构网格 如果整个网格既包含结构网格又包含非结构网格 此网格称为非结构网格 是 一种特殊类型的非结构网格 2 1 2 数据层次 在构造网格的过程中 将遇到四种类型的数据层次 Data hierarchy Gridgen 通过四种类型组织实体 数据库 database 用来定义所要生成网格的物体形状的几何数据 连接段 connectors 曲线网格 域 domains 面网格 块 blocks 体网格 数据库 database 是数据层次的基础 所要生成网格物体的几何模型 通常通过 CAD 系统获得数据库 database 并引入 Gridgen Gridgen 也提供 生成实体数据库的工具 数据库 database 可以由点 曲线和其它参数构成 但我们要清楚 Gridgen 并不需要数据库 database 我们所生成网格的实体的 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 10 几何形状可以限定网格形状 此外 Gridgen 不需要数据库 database 描绘 封闭的固体模型 剩下的三个数据结构是网格实体 grid entities 连接段 connectors 域 domains 和块 blocks 网格实体按照计算的维数进行 排列 然而 要注意在 Gridgen 中的网格实体都有一个三维形式 也就是说 笛卡尔坐标系中的 x y z 构成不同 连接段 connectors 用来布网格点的曲线 是数据层次 Data hierarchy 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 11 最底层的网格实体 一个连接段 connectors 由一个或多个段 segments 组成 在 CAD 系统中称为复合曲线 段 segments 是基本的曲线类型 可以 是聚合直线 聚合曲线 锥线和圆 或者从数据库 database 中得到的曲线 中间的网格实体是面网格 域 domains 最初的域 domains 是创建域时 在缺省方法下自动生成的 可以应用不同的网格方法改进网格质量 处在数据 层次 Data hierarchy 顶端的体网格称为块 blocks 和域 domains 一 样 最初的块 blocks 是自动生成的 可以应用不同的网格方法改进网格质 量 数据层次 Data hierarchy 提供当修改任何一个实体时自动传递到其它数据 层次的结构 例如 修改一个连接段 connectors 的形状 使用它的所有域 和块都将改变 术语 预编辑 forward editing 是指网格改变向上一级数 据层次传播 而 后编辑 backward editing 是指网格改变向下一级数据层 次传播 Gridgen 的数据层次 data hierarchy 和预编辑 forward editing 以及后编辑 backward editing 允许我们改变网格中的一个实体而 使 Gridgen 网格系统中的此实体保持一致 2 1 3 命令层次和菜单结构 在运行 Gridgen 时所执行的命令被安排在一个嵌套菜单中 Gridgen 的菜 单描述如下 输入 输出 Input Output 读写数据文件命令 数据库 Database 处理几何模型命令 连接段 Connectors 处理曲线网格命令 域 Domains 处理面网格命令 块 Blocks 处理体网格命令 分析软件包 Analysis S W 为网格准备分析软件包命令 指南 Tutorials 导入 Gridgen 内的网格 缺省值 Defaults 设定 Gridgen 不同的开关命令 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 12 重启 Gridgen Restart Gridgen 快速删除当前工程的一部分或全 部 你可以选择删除网格 grid 或数据库 database 也可以重设容差 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 13 重新选择分析软件和使缺省菜单回到最初的缺省设定 停止 Gridgen Quit Gridgen 退出 Gridgen 显示命令 Display Commands 改变 Gridgen 的网格和数据库的外 观以及显示的命令 帮助 Help 调用 Gridgen 的在线帮助 Gridgen 主菜单如下 在 Gridgen 中每个实体类型的菜单包含相似的命令 四种数据层次的实体 菜单结构是平行的 这一特点使得 Gridgen 很容易掌握和使用 创建 Create 生成一个新的实体 复制 Copy 复制一个存在的实体 删除 Delete 删除一个实体 修改 Modify 改变一个存在的实体 检查 Examine 获得一个实体的详细信息 另外 修改 Modify 菜单命令列出了下面几种对每个实体类型类似的操作 平移 Translate 比例 Scale 展开 Stretch 映射 Mirror 旋转 Rotate 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 14 分割 Split 连接 Join 当然 处理网格点的命令仍然是平行的 Dimension 用来设定连接段的网格点 数 Distribute 用来沿段聚集或分布网格点 Solvers 用来对网格域或块操作 命令平行的目的非常明显 一旦你知道怎样复制和平移连接段 Connectors 你也就会知道怎样复制和平移数据库实体 database entities 域 Domains 和块 Blocks 2 1 4 准备网格 在用 Gridgen 开始生成网格之前 你应该首先考虑和分析有关的一些问题 例如 如果你的网格是用来 CFD 分析 在生成网格之前考虑所有的条款 可以 节省大量的时间 并能防止重大的错误和重复反工 2 1 5 Gridgen 运行步骤提要 当已经设计好网格并且对 Gridgen 的术语及命令结构熟悉以后 就可以生 成网格 Gridgen 有计划地引导你按照特定的顺序生成网格 从曲线网格 一 维网格单元 到面网格 二维网格单元 再到体网格 三维网格单元 这个步 骤使 Gridgen 自动操作许多网格拓扑和维度 并且能保存自己的记录 下面列出了生成网格的基本步骤 其中一些步骤是可选择的 无论你所作的网格是二维 2D 还是三维 3D 都要首先选择要使用 的分析软件 创建或导入几何模型 database 可选择 生成定义面网格边界的曲线 Connectors 沿连接段 Connectors 分布网格点 选择连接段的封闭回路以定义面网格 domains 应用网格方法改善面网格点的分布 可选择 选择封闭域框架以定义体网格 Blocks 应用网格方法改善体网格点的分布 可选择 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 15 设定分析软件边界条件 可选择 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 16 输出分析软件的数据文件 保存 Gridgen 文件 对不同的网格具体的步骤可能不同 但必须大致符合以上的基本步骤 最 好在已经生成了足够的段 Connectors 时就生成面网格 即 域 domains 这样可以立马看到段上的网格点分布是否生成了好的面网格 这样做可以在生 成网格的最早阶段就修改更正潜在的问题以最终生成好的网格 2 2 FLUENT 软件简介 Fluent 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包 它是 Fluent 公司的旗 舰产品 由于其采用完全的非结构化网格和控制体积法的解算器 并具有丰富 的物理模型 先进的数值方法以及强大的前后处理功能 使其可以用于模拟具 有各种复杂外形的流体流动 低速不可压流动 跨音速流动乃至可压缩性强的 超音速和高超声速流动以及热传导 在航空航天 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 是用 C 语言写的 具有很大的灵活性 可以进行动态内存分配 高 效数据结构 灵活的解控制等操作 除此之外 为了高效的执行 交互的控制 以及灵活的适应各种机器与操作系统 Fluent 使用 client server 结构 因此 它允许同时在用户桌面工作站和强大的服务器上分离地运行程序 Fluent 还提 供了完全的网格灵活性 你可以使用非结构网格 例如二维三角形或四边形网 格 三维四面体 六面体 金字塔形网格 也可以用混合型非结构网格来解决具 有复杂外形的流动 它还允许根据解的具体情况对网格进行修改 细化 粗化 另外 Fluent 具有丰富的菜单界面和命令 其用户界面是通过 Scheme 语 言及 LISP dialect 写成的 允许用户通过交互界面进行解的计算与显示 高级 用户还可以通过 Fluent 中得 UDF 命令写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面 2 2 1 Fluent 软件的优点 Fluent 可以采用非结构网格 这样就简化了几何外形的模拟以及网格产生 过程 缩短了产生网格所需要的时间 和传统的多块结构网格相比 它可以模 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 17 拟 具有更为复杂几何结构的流场 并且具有使网格适应流场的特点 Fluent 也能 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 18 够使用适体网格 块结构网格 这种灵活处理网格的特点使我们在选择网格类 型时 可以确定最适合特定问题的网格拓扑结构 在流场的大梯度区域 我们 可以适应各种类型的网格 Fluent 的软件设计基于 CFD 计算机软件群的概念 推出了多种优化的物 理模型 如 定常和非定常流动 层流 包括各种非牛顿流模型 湍流 包括最先进的湍流模型 不可压缩和可压缩流动 传热 化学反应等等 对 每一种物理问题的流动特点 都有适合它的数值解法 用户可对显式或隐式差 分格式进行选择 以期在计算速度 稳定性和精度等方面达到最佳 从而高效 率地解决各个领域的复杂流动的计算问题 另外 Fluent 将不同领域的计算软件组合起来 成为 CFD 计算机软件群 软件之间可以方便地进行数值交换 并采用统一的前 后处理工具 这就省却 了科研工作者在计算方法 编程 前后处理等方面投入的重复 低效的劳动 而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上 2 2 2 Fluent 基本功能介绍 可以计算二维平面流动 二维轴对称流动 和三维流动 定常或非定常流动 亚声速 跨声速 超声速和高超声速流动 层流 转捩和湍流 牛顿流或非牛顿流 传热 包括自然对流 强迫对流和混合对流 固体 流体耦合传热 辐 射以及运动固体的热传导 化学组分的混合和化学反应 包括燃烧子模型和表面沉积反应模型 自由表面和多相流 离散相 粒子 液滴 气泡 的拉格朗日轨迹计算 包括与连续相的耦 合 熔融 凝固的相变模型 多孔介质模型 具有各向异性的渗透性 惯性阻尼 固体热传导和多 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 19 孔 表面的压力跳跃条件 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 20 风扇 泵 辐射器和热交换器等的集总参数模型 惯性或非惯性坐标系 多种参考系和滑动网格 应用于转子 静子干扰 扭矩变换器及透平机的混合面模型 热量 质量 动量和化学组分的体积源项 介质特性数据库 2 2 3 使用 Fluent 计算前要考虑的问题 当使用 Fluent 解决某一问题时 首先要考虑如下几点问题 定义模型目标 从 CFD 模型中需要得到什么样的结果 从模型中需要得 到什么样的精度 选择计算模型 如何隔绝所需要模拟的物理系统 计算区域的起点和终 点是什么 在模型的边界处使用什么样的边界条件 二维问题还是三 维问题 什么样的网格拓扑结构适合解决问题 物理模型的选取 无粘 层流还是湍流 定常还是非定常 可压缩流还 是不可压缩流 是否需要应用其它的物理模型 确定解的程序 问题可否简化 是否使用缺省的解的格式与参数值 采 用哪种求解格式可以加速收敛 使用多重网格计算机的内存是否够用 得到收敛解需要多久的时间 在使用 Fluent 计算之前详细考虑这些问题 对于流场的模拟计算来说是十 分有意义的 2 2 4 使用 Fluent 计算的基本步骤 以二维为例 当确定所解决问题的特征之后 就可以进行 Fluent 计算 计算时需要的基 本步骤为 创建网格 运行合适的解算器 2D 导入 case 文件 检查网格 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 21 标度网格 选择模型求解器 耦合还是非耦合 定常还是非定常 选择需要解的基本方程 层流还是湍流或者无粘 化学组分还是化学 反应 热传导模型等 以及是否满足能量方程 指定材料物理性质 确定执行压强 指定边界条件 调节解的控制参数 初始化流场 计算解 检查结果 保存结果 必要的话 细化网格 改变数值和物理模型 2 2 5 Fluent 计算时基本步骤对应的操作菜单 解的步骤菜单 读入网格文件菜单 File Read Case 检查网格网格菜单 Grid Check 标度网格网格菜单 Grid Scale 选择解算器格式定义菜单 Define Models Solver 选择基本方程定义菜单 Define Models Viscous 材料属性定义菜单 Define Materials 边界条件定义菜单 Define Boundary Conditions 调整解的控制解菜单 Solve Controls 初始化流场解菜单 Solve Initialize Initialize 计算解解菜单 Solve Iterate 结果的检查显示菜单 Display 绘图菜单 Plot 报告菜单 Report 保存结果文件菜单 File Write Case begin f loop f thread real t RP Get Real flow time real alpha 0 016 2 51 sin 10 t 180 pi F PROFILE f thread position cos alpha end f loop f thread DEFINE PROFILE unsteady sin thread position face t f begin f loop f thread real t RP Get Real flow time real alpha 0 016 2 51 sin 10 t 180 pi F PROFILE f thread position sin alpha 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 54 end f loop f end f loop f thread thread 下一步 运行 Fluent 的 2D 版本 2 读取网格及分析数据 File Read Case 打开 Select File 对话框 通过盘径找到已生成的 cas 文件 选定后点击 OK 键 文件即被自动读入 3 检查网格 Grid Check 检查通过后 即可进行计算 4 标度网格 这里标度网格的目的和定常计算中标度网格的目的相同 用于改变网格和 物体的物理尺寸 以改变雷诺数 注意必须在初始化流场或开始计算之前完成 网格的标度 因为在标度网格时 先前的任何数据都会变得无效 Grid Scale 打开 Scale Grid 面板 把 Scale Factors 选项下的 X Y 项均修改为 0 312974 如下图所示 然后点击 ScaleClose 关闭 Scale Grid 面板 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 55 5 编译链接自定义函数 UDF Define User Defined Functions Interpreted 打开 UDF 链接对话框 在 Source File Name 选项下填写自定义函数 UDF 源程序的文件名 本算例为 unsteady alpha Cunsteady alpha C 注意若自定义函数 UDF 的源程序和 cas 文件不在同一目录 在此处应输入自定义函数 UDF 源程序所在的完整目录盘径 点击 Display Assembly Listing 选项前的小方框 选中 Display Assembly Listing 选项 如下图所示 然后点击 Compile 自定 义函数 UDF 源程序即被自动编译链接 若无出错信息 且在窗口出现机器语 言代码 说明编译链接通过 点击 Close 关闭对话框 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 56 6 设定求解器 计算时使用耦合 Coupled 隐式求解器 Define Models Solver 就会打开 Solver 面板 在 Solver 选项下选定 Coupled 在 Formulation 选项下选定 Implicit 在 Time 选项下选定 Unsteady 然后点击 OK 键 7 激活能量方程 Define Models Energy 就会打开 Energy 面板 点击 Energy Equation 前的小方框 小方框内就会 打上对号 然后点击 OK 键 8 激活 Spalart Allmaras 湍流模型 Define Models Viscous 在 Viscous Model 面板内选定 Spalart Allmaras 1eqn 点击 OK 键 保 持原有的默认值不变 点击 OK 键即可 9 设定介质类型 Fluent 中默认的介质为大气 air 正好适合我们要计算的问题 Define Materials 就会打开 Materials 面板 在 Materials 面板中 Density Kg m3 选项的下 拉菜单中选择 ideal gas 在 Viscosity Kg m s 的下拉菜单中选择 sutherland 就会打开 Sutherland Law 面板 保持 Sutherland Law 面板中的 值不变点击 OK 回到 Materials 面板 在 Materials 面板中点击 Change Create 然后点击 Close 关闭 Materials 面板 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 57 10 设定执行条件 在外部流场计算中 对于马赫数 M 0 1 的流动 执行压强最好为 0 Define Operating Conditions 打开 Operating Conditions 面板 把面板内 Operating Pressure pascal 选 项的 101325 改为 0 如下图所示 然后点击 OK 11 设定边界条件 Define Boundary Conditions 打开 Boundary Conditions 面板 选中 pressure far field 5 然后点击 Set 就会打开 Pressure Far Field 设置面板 把面板中的 Gauge Pressure 选项改为 101325 把 Mach Number 选项改为 0 73 在 X Component of Flow Direction 选项后的下拉菜单中选择 udf unsteady cos 在 Y Component of Flow Direction 选项后的下拉菜单中选择 udf unsteady sin 注意注意 udf unsteady cos 和 udf unsteady sin 为自定义函数的名称 如下图所示 最后点击 OK 键关闭 Pressure Far Field 设置面板回到 Boundary Conditions 面板 然后点击 Close 关闭 Boundary Conditions 面板 12 设定求解控制 Solve Controls Solution 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 58 打开 Solution Controls 面板 把 Modified Turbulent Viscosity 改为 Second Order Upwind 把 courant number 修改为 20 如下图所示 然后点击 OK 键关闭 Solution Controls 面板 13 打开残值监视窗口 Solve Monitors Residual 打开 Residual Monitors 设置面板 在面板的 Options 选项下选中 Plot 把 Convergence Criterion 选项下方对应的各方框均改为 0 00001 然后点击 OK 键关闭 Residual Monitors 设置面板 14 流场初始化 对于流场数值计算 必须首先对流场进行初始化 计算才能进行 Solve Initialize Initialize 打开 Solution Initialization 面板 在 Compute From 选项的下拉菜单 中选定 pressure far field 5 然后点击 InitApplyClose 关闭 Solution Initialization 面板 15 设定计算升力系数 阻力系数和力矩系数的参考值 参考值用来把升力 阻力和力矩无量纲化 以得到升力系数 阻力系数和 力矩系数 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 59 Report Reference Values 打开 Reference Values 设置面板 在 Compute From 的下拉菜单中选定 pressure far field 5 把 Area m2 选项和 Length m 选项均修改为 0 312974 然后在 Reference Zones 的下拉菜单中选定 fluid 如下图所示 点击 OK 即可 Fluent 在计算时 将根据远场压强 pressure far field 边界条件自动 修改参考值 16 初次迭代 对于边界条件为周期性变化的非定常计算 开始一两个周期的计算结果是 不太准确的 所以对于周期性问题通常预先计算一到两个周期 下面我们先计 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 60 算两个周期 非定常计算中引入的时间并不是真实计算所花费的时间 而是通 过时间步与时间步长相乘得到的虚拟计算时间 非定常计算的思想是把每个时 间步的状态作为一个定常问题处理 在周期性非定常问题中 一个周期中的时 间步取的越多相邻状态参数变化越平缓 越容易收敛 但时间步太多对计算机 资源又是一个巨大浪费 所以对一个周期内要取多少个时间步必须慎重考虑 同理 对于每一个状态的迭代步数也必须足够的多才能达到收敛标准 但太多 也会造成计算机资源的巨大浪费 因此 必须综合考虑 这里我们取 50 个时间 步为一个周期 每个时间步最多迭代 100 步 对于本问题 10 由周期 5 3 2 T 得到 时间步长为 5 4 060 01256637 50 2 50 T Solve Iterate 打开迭代控制面板 把计算出的时间步长 0 0125663706 填入 Time Step Size s 选项 把 Number of Time Steps 修改为 100 把 Iteration 选项下的 Max Iterations per Time Step 修改为 100 如下图所示 然后点击 Apply Iterate 开始迭代计算 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 61 迭代完成后 开始准备下一周期的迭代和计算过程中的结果保存 17 打开升力系数 阻力系数和力矩系数监视窗口 Solve Monitors Force 打开 Force Mornitors 设置面板 在 Option 选项下选中 Plot 和 Write 并把 Plot Window 修改为 1 然后在 Wall Zones 选项下选中 Wall 4 点击 Apply 接着在 Coefficient 选项的下拉菜单中选中 Lift 在 Option 选项下选 中 Plot 和 Write 并把 Plot Window 修改为 2 然后在 Wall Zones 选项下选中 Wall 4 点击 Apply 最后在 Coefficient 选项的下拉菜单中选中 Moment 在 Option 选项下选中 Plot 和 Write 并把 Plot Window 修改为 3 然后在 Wall Zones 选项 下选中 Wall 4 点击 Apply 点击 Close 关闭 Force Mornitors 设置面板 注 意在设置每项时应保证 Plot Window 选项不同 18 设置保存动画 Solve Animate Define 打开 Solution Animation 设置面板 把 Animation Sequences 修改为 2 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 62 把 Active Name 选项下的 Sequence 1 改为 contours 把 Sequence 2 改为 vectors 并在 When 选项下的下拉菜单中选中 Time Step 如下图所示 点击 contours 所在行的 Define 按钮 打开 Animation Sequence 面板 把 Window 选项改为 4 点击后面的 Set 按钮打开监视窗口 然后在 Display Type 选项下选中 Contours 就会打开 Contours 设置面板 在 Contours 设置面 板的 Options 选项下选中 Filled 并把 Levels 选项下的 20 改为 70 如下图所 示 然后点击 ComputeDisplayClose 回到 Animation Sequence 面板 接着点击 OK 关闭 Animation Sequence 面板回到 Solution Animation 设置面板 本科毕业设计论文本科毕业设计论文 63 点击 vectors 所在行的 Define 按钮 打开 Animation Sequence 面板 把 Window 选项改为 5 点击后面的 Set 按钮打开监视窗口 然后在 Display Type 选项下选中 Vectors 打开 Vectors 设置面板 然后点击 ComputeDisplayClose 回到 Animation Sequence 面板 接着点击 OK 关闭 Animation Sequence 面板回到 Solution Animation 设置面板 点击 OK 关 闭 Solution Animation 设置面板 19 设置自动保存 File Write Autosave 打开自动保存设置面板 把 Autosave Case File Frequency 和 A