计算流体力学课件

Fluent软件介绍(实例分析),唐冠楚张晓敏,主要内容,Fluent数值模拟方法介绍(张晓敏)Fluent求解操作流程介绍（唐冠楚）Fluent实例分析（唐冠楚，张晓敏）,fluent数值模拟方法,有限体积法（FVM），又称为有限容积法，它正是从物理量守恒这一基本要求出发提出的。其以守恒型的方程为出发点，通过对流体运动的有限子区域的积分离散来构造离散方程。有限体积法是守恒定律的一种最自然的表现形式。该方法适用于任意类型的单元网格，便于应用来模拟具有复杂边界形状区域的流体运动；只要单元边上相邻单元估计的通量是一致的，就能保证方法的守恒性；有限体积法各项近似都含有明确的物理意义。它可以吸收有限元分片近似的思想以及有限差分方法的思想来发展高精度算法。由于物理概念清晰，容易编程；有限体积法成为了工程界流行的数值计算手段。,fluent数值模拟方法,有限体积法（FVM）有限体积法，是将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积积分，从而得到一组离散方程。离散方程的物理意义：因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足。有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。,fluent数值模拟方法,基于FVM的流体力学方程离散方法有限体积法是将非线性偏微分方程转变为网格单元上的线性代数方程，然后通过求解线性方程组，得出流场的解。网格划分可以将连续的空间划分为相互连接的网格单元。每个网格单元由位于几何中心的控制点和将网格单元包围起来的网格面或线构成。求解流场的控制方程，最终的目的就是获得所以控制点上流场变量的值。,fluent数值模拟方法,有限体积法与有限差分法一样，也好对求解域进行离散，将其分割成有限大小的离散网格。在有限体积法中每一网格节点按一定的方式形成一个包围该节点的控制容积V。有限体积法的关键步骤是将控制微分方程式在控制容积内进行积分，即：,上面公式利用高斯散度公式可转化为：,上面守恒方程4项的物理意义可简单描述为：,有限体积法的基本思想,fluent数值模拟方法,离散方法的比较有限差分法（FDM）直观，理论成熟，精度可选，易于编程，但是不规则区域处理繁琐，对区域的连续性等要求较高。有限元方法(FEM)适合于处理复杂区域，精度可选,但内存和计算量巨大。有限体积法（FVM）适于流体计算，方程中的各项有明确的物理意义，可以应用于不规则网格，适于并行，精度基本上是二阶。,FVM的求解方法,利用Fluent进行求解的过程中，主要有三种压力与速度的耦合方式选择，分别是SIMPLE格式、SIMPLC格式和PISO格式。SIMPLE算法：是工程实际中应用最为广泛的一种流体计算方法，属于压力修正法的一种，主要应用于求解不可压流场的数值方法。SIMPLE算法基本思想：对于给定的压力场，求解离散形式的动量方程，得到速度场。因为压力是假定的或不精确的，此时得到的速度场一般都不满足连续性方程，因此，要对给定的压力场进行修正。由压力修正方程得出压力修正值，然后，根据修正后的压力场，求得新的速度场。检查速度场是否收敛，若不收敛，用修正后的压力值作为给定的压力场，开始下一次的计算。核心问题：如何获得压力修正值以及如何根据压力修正值构造速度修正方程。,FVM的求解方法,SIMPLEC算法：与SIMPLE算法在基本思路上是一致的，但是在通量修正方法上有所改进，加快了计算的收敛速度。PISO算法：与SIMPLE及SIMPLEC算法的不同之处在于：SIMPLE和SIMPLEC算法是两步算法，由预测步和修正步组成。而PISO算法增加了一个修正步，包含了一个预测步和两个修正步，在完成了第一步修正步得到速度场和压力场后寻求第二次改进值。使它们更好地同时满足动量方程和连续性方程。加快了单个迭代步中的收敛速度，但是耗用更多的计算机资源。,FVM的求解方法,总结：SIMPLE算法是SIMPLE系列算法的基础，其通用性强，能保证速度调节趋势的正确性，目前各种CFD软件均提供这种算法。但其经常造成速度和压力修正的不同步，其收敛速度常常难如人愿。而SIMPLEC和PISO算法主要是提高了计算的收敛性，缩短了计算时间。本次案例采用SIMPLE算法求解。,FVM的求解方法,有限体积法的特点有限体积法的出发点是积分形式的控制方程，这一点不同于有限差分法；同时积分方程表示了特征变量在控制容积内的守恒特性，这又与有限元法不同。积分方程中的每一项都有明确的物理意义，从而使得方程离散时，对各离散项可以给出一定的物理解释。这一点对于流动与传热的其他数值方法还不能做到。各节点有互不重叠的控制容积。从而整个求解域中场变量的守恒可以由各个控制容积中特征变量的守恒来保证。,Fluent求解操作流程介绍,Fluent求解操作流程,Fluent2D、3D求解器的选择,Fluent求解操作流程,界面操作流程,Fluent求解操作流程,网格相关操作读入网格,Fluent求解操作流程,网格相关操作检查网格设置尺寸显示网格,Fluent求解操作流程,计算模型选择,Fluent求解操作流程,定义材料物理性质,Fluent求解操作流程,操作环境,Fluent求解操作流程,设置边界条件,Fluent求解操作流程,流体区域设置,Fluent求解操作流程,求解方法设置,Fluent求解操作流程,松弛因子设置,Fluent求解操作流程,监测值设置,Fluent求解操作流程,初始化设置,Fluent求解操作流程,求解设置,Fluent求解操作流程,计算求解,Fluent求解操作流程,后处理GraphicsandAnimationPlotsReports,Fluent实例分析,卡门涡街实例流体流过非流线型物体时，在特定的条件下，流体尾流左右出现成对的、交替出现的、方向相反的漩涡，如图，因卡门最先从理论上阐明而得名卡门涡街。卡门涡街是自然界的流动常见现象，如风流过桥梁、炊烟等。卡门涡街使得阻流体左右两侧压力随着时间变化，使其发生震动。根据涡街脱落频率与来流速度成正比的性质可制成涡街流量计。,Fluent实例分析,卡门涡街实例圆柱扰流几何模型尺寸问题描述：考虑一个直径为50mm的圆柱。计算区域上游距离圆柱中心600mm,下游距离圆柱中心1600mm,宽度取1000mm.卡门涡街的形成同雷诺数Re有关当Re为50-300时，从物体上脱落的涡旋是有周期性规律的；当Re300时涡旋开始出现随机性脱落；随着Re的继续增大，涡旋脱落的随机性也增大，最后形成了湍流。,Fluent实例分析（卡门涡街）,在数值计算中取雷诺数为210，可由下公式求出，入口速度约为0.031m/s.,几何模型,Fluent实例分析（卡门涡街）,网格划分利用ICEM划分非结构网格，并在圆柱周围加密。,Fluent实例分析（卡门涡街）,圆柱绕流数值计算及后处理定义网格1.检查没有负体积。2.网格单位转换。定义求解模型1.定义瞬态求解器。2.层流模型。3.材料为空气。4.入口边界为速度入口，0.031m/s。5.滑移壁面，速度0.031m/s。6.定义内部的interior，两个Surface的数据在此处连续。,Fluent实例分析（卡门涡街）,初始化和计算定义监测器监测圆上升力系数的变化。已有的实验数据表明，圆柱绕流的无量纲频率约为0.2，为了准确抓住涡脱落现象，在一个涡脱落周期内至少约需要20个时间步长。Sr:斯特劳哈尔数.本算例中，U=0.031，D=0.1，所以f=0.062,一个脱落周期t=16s;一个周期取64个步长，时间步长取值：t=16/64=0.25s,Fluent实例分析（卡门涡街）,后处理升力系数随时间变化曲线,Fluent实例分析（卡门涡街）,后处理不同时刻的涡量云图,Fluent实例分析（卡门涡街）,压力云图,Fluent实例分析（卡门涡街）,瞬时流线图,Fluent实例分析（卡门涡街）,Fluent实例分析,采空区瓦斯运移规律模拟网格划分:ICEMCFD几何尺寸：巷道3*4（m）,工作面：160*6*3（m）,采空区600*160*70（m）;边界条件：进风：2m/s,出口：自由出口，采空区瓦斯涌出量：500l/s;未考虑煤体氧化放热。,Flu