Fluent-及Gambit使用简要指南

Fluent5.3及Gambit1.2使用简要指南南京理工大学弹道国防科技重点实验室二○○○年六月

GAMBIT使用要点一、图形用户界面包括：主菜单，图形窗口，抄本窗口，命令文本框，描述窗口，操作工具面板，副面板，图形／窗口控制面板。工具面板上按钮左下方带∇符号的说明有可选列表（用右键打开）。二、图形窗口内的鼠标操作方式(1)Display:左键-旋转，中键-移动，右键上下-缩放，右键左右-旋转，Ctrl+左键-放大，双击中键-显示前一状态(2)Task:Shift+左键-选择实体（可以拉方框包括要选对象），Shift+中键-转换选择相邻实体，Shift+右键-接受实体选择并转到下一选项或执行Apply。(3)VertexCreationGAMBIT辅导1.基本几何图形的生成及网格划分(Top-Down法)1.进入Gambit:运行gambit-idexample.jou2.Geometry→Volume→CreateRealBrick(10,6,6,Centered)→Apply(学会用undo)3.Geometry→Volume→CreateRealCylinder(10,3,6,PositiveZ)→Apply4.Geomertry→Volume→Booleanoperation→UniteRealVolumes5.Mesh→Volume→MeshVolume(Hex,Cooper,Intervalsize=1)→Apply6.Graphies/WindowsControlToolpad→ExaminMesh(Range,EquiAngleSkew)7.File→ExitGAMBIT辅导2.二维混合弯管(Bottom-Up法)1．选择Solver→Fluent42．Tools→CoordinateSystem→DisplayGrid(Visibility,XY,X,-32,32,16)→Updatelist→(Y,-32,32,16)→Updatelist→Snap→Apply3．用Ctrl+右键生成九个点(A→H)IHEEFGCDJKABLM4．取消DisplayGrid面板中的Visibility选项→Apply5．Geometry→Edge→CreateEDGE→CreateRealCircularArc(中心E,边FD)→ApplyGeometry→Edge→CreateEDGE→CreateRealCircularArc(中心E,边GB)→Apply6．Geometry→Edge→CreateEdge→CreateStraightEdge(B→A,A→C,C→D,F→G,G→I,I→H,H→F)7．Geometry→Edge→Split/Edge(GB,Type=Cylinder,localt=-39.93)→Apply(生成J点)Geometry→Edge→SplitEdge(JB,Type=Cylinder,localt=-50.07)→Apply(生成K点)Geometry→Vertex→More/Copyvertices(K点,Copy,Translate,x=0,y=-12.0,z=1)→Apply(生成L点)Geometry→Vertex→More/CopyVertices(L点,Copy,Translate,x=4,y=0,z=0)→Apply(生成M点)8．Geometry→Edge→CreateEdge→CreateStraightEdge(K→L,L→M，M→J)9．Geomety→Face→CreateFace→CreateFaceFromEdge(KJ,JG,GI,IH,HF,FD,DC,CA,AB,BK)→ApplyGeomety→Face→CreateFace→CreateFaceFromEdge(KJ,JM,ML,Lk)→Apply10．Mesh→Edge→MeshEdge(AC,HI,Ratio=1.25,DoubleSided,IntervalCount=10)→ApplyMesh→Edge→MeshEdge(AB,CD,GI,FH,IntervalCount=15)→ApplyMesh→Edge→MeshEdge(BK,JG,IntervalCount=12,,Ratio=0.9)→ApplyMesh→Edge→MeshEdge(KJ,Ratio0.85,DoubleSided,不选SpacingApply,不选Option-Mesh项)-Apply11．Mesh→Face→MeshFaces(大面，Quad,Map,Intevalsize=1)→ApplyMesh→Face→MeshFaces(小面，Quad,Map,Intevalsize=1)→Apply12．Zones→SpecifyBoundyType(inflow1,INFLOW,Entity=Edges,AC边，INFLOW，LM边,outflow,OUTFLOW,HI边)→Apply注：Zones→SpecifyContinuumTypes默认为流体，其余面默认为墙。13．File→Export→Mesh(Elbow.GRD)→Apply14．File→ExitGAMBIT辅导3.三管道相交1.Solver→PolyFlow2.Geometry→Volume→CreateVolume→CreateRealCylingder(10,3,3,positiveZ)→ApplyGeometry→Volume→CreateVolume→CreateRealCylingder(10,3,3,positiveY)→ApplyGeometry→Volume→CreateVolume→CreateRealCylingder(10,3,3,positiveX)→ApplyGeometry→Volume→CreateVolume→CreateRealSphere(3)→ApplyGeomety→Volume→Booleanoperation→UniteRealVolumes(将四个体合为一个体)3.Geometry→Volume→CreateVolume→CreateRealBrick(5,5,5,-X,-Y,-Z)→ApplyGeometry→Volume→SplotVolume(用正方体分割大体)→ApplyGeometry→Edge→CreateEdge→CreateStrangleEdge(将三圆柱交点与原点连线)→ApplyGeometry→Face→CreateFace→CreateFacefromwireframe(以刚生成的线为一边生成三个面)Geometry→Volume→SplitVolume(用刚生成的三个面中的一个分割体)4.Mesh→BoundaryLayer→CreateBoundaryLayer(0.1,1.4,4,0.71在六条圆弧上生成边界层)5.Mesh→Volume→MeshVolume→(八分之一球体，Hex,TetPrimitive,Intervalsize=1)→Apply6.为三个管道做网格1)Mesh→Face→SetFaceVertexType(Type=Side选柱面上的’E’点)→ApplyMesh→Volume→MeshVolume(柱体，Hex,Cooper,Size=1)→Apply2)Mesh→Face→MeshFaces(柱面，Quad,Submap,Size=1)→ApplyMesh→Volume→MeshVolume(柱体，Hex,Cooper,Size=1)→Apply3)Mesh→Volume→MeshVolume(柱体,Hex,Cooper选择除柱面以外的四个面为源面，Size=1)--Apply7.Zones→SpecifyBoundaryTypes(inflowEntity=Faces,三个柱端面中两个为入流边界，一个为出流边界，其余为墙面)FLUENT辅导1.翼形的跨音速绕流4M∞=0.8o1m运行Fluent–2d1．网格(1)File→Read→Case(airfoil.msh)(2)Grid→check（注意：最小体积要大于0）(3)Display→Grid（右键缩小、放大）2．模型(1)Define→Models→Solver(Coupled,Implicit,2D,Steady,Absolute)注：高速空气动力学问题宜采用Coupled算法，Implicit比explicit收敛快但占内存多。(2)Define→Models→Energy（注：打开能量方程使热交换有效）(3)打开Spalart-Allmars紊流模型Define→Models→Viscous(Spalart-Allmaras)注：S-A模型求解紊流粘性传递方程，专门用于与压力梯度有关壁面边界层流动的航空问题。3．材料Define→Materials(ideal-gas,sutherland)→change/create→close注：粘性Sutherland定律适合于高速可压缩流体。ρ,v与T有关，但在本情况下，温度变化不大，比热和热导率可设为常数。4．操作条件Define→OperatingConditions(operating-pressure=0)注：马赫数大于0.1，操作压力宜为0，详见《用户指南》。5．边界条件Define→BoundaryConditions(GaugePressure=101325,Machnumber=0.8,Temp=300k，X-Conpeunt=0.997564，Y-Conpeunt=0.069756)（注：攻角为4o）6．求解(1)设置控制参数Solve→Controls→Solution(TurbulentViscosity=0.8,CouratNumber=5,SecondOrderupwind)注：湍流粘性比例系数和Courant数大越,收敛快越,但稳定性下降。二阶格式比一阶格式更精确。(2)Solve→Monitors→Residual(选中plot)注：打开残差监测曲线，也可同时打开drag.lift,moment-coefficients曲线(文件名Apply保存监测数据)。(3)初始化Solve→Initialize→Initialize(computerfrom=pressure-far-field-1,GaugePressure=101325→init…)(4)Solve→Iterate(100)(5)设置计算drag,lift,momentcoefficients的参考值,用于无量纲化作用在翼上的力和力矩Report→ReferenceValues(Computefrom=pressure-for-field-1)(6)显示压力等值线Display→Contours(Filled,DrawGrid)(7)生成点面Surface→Point(X0=0.53,Y0=0.051)→Create→close(8)为点面创建表面显示器Solve→Monitors→Surfer(SurfaceMonitors=1,在monitor-1右边选中plot和write)→Define(Reportof=Wallflux→Skin.FnictionCoefficient,在Surface列表中选Point-4,plotwindow=4,FileName=monitor-1.out)→ok→ok(9)File→Write→Case(airfoil.cas)(10)Solve→Iterate(200)(11)提高紊流粘性方程的收敛标准Solve→Monitors→Residual(nut.criterion=1e-7)→ok(12)Solve→Iterate(400)注：察看表面磨擦系数记录(History),阻力系数收敛记录(DragCovergenceHistory)，升力系数收敛记录(liftconvergencehistory),力矩系数收敛记录(momentConvergencehistory)。(13)File→Write→Data(airfoil.dat)7．后处理(1)打印翼上y+曲线plot→xyplot(只打开positiononxaxis,x=1,y=0,z=0,turbwlence→Wall→Yplus,选中Wall-bottom与Wall-top)→plot注：y+=yρτ,τ为切应力,要求墙附近y+应>30。本题除少数区域(激波附近和迹线处)µωω外y+>30，因此可接受现有网格。(2)显示马赫数等值线Display→Contours(Velocity→MachNumber,关闭drawGrid)→Display注：在上表面x/c=0.45处出现激波。(3)打印翼上压力分布曲线plot→xyplot(在yaxisfunction中选Pressure→PressureCoefficient)→plot(4)打印X方向剪切应力(翼表面处)plot→xyplot(WallFlux→X-wallShearStress)→plot（注：负剪切力表明边界层分离及反向流）(5)显示X方向速度等值线(注意激波后反流)Display→Contours(Velocity→XVelocity)→Display(6)打印速度向量(放大激波后反流)Display→VelocityVectors(Scales=15)→DisplayFLUENT辅导2.液体燃料的燃烧问题描述Tw=1200KAir1m/s,650K1mCH512Air10m二维管，入口R≈105，故为湍流，pentane蒸发后变为气相并燃烧，燃烧使用混合组分PDF模型，e平衡态组分包括11种成分：（CH,CH,CO,CO,H,HO(g),HO(l),O,OH,C(S)和N）。假设：51242222射流中的液滴为100µm直径，初始温度为300k，分散角为30°，射流质量流速为0.004kg/s即为极22稀薄燃料情况）。先用prePDF生成PDF文件（PDF文件中包含关于组成浓度和温度与混合物成分关系的信息）。1．绝热系统计算①定义prePDF模型类型Setup→Case(Adiabatic,EquilibriumChemistry,BetaPDF)→Apply→Close②定义化学组分(详见指南)Setup→Species→Define(11,11,C5H12,CH4,CO,CO2H2,H2O,H2O(L),O2,OH,C(S),N2),→Apply→Close③定义燃料和氧化剂成分Setup→Species→Composition(FuelStream=C5H12,ModelFraction=1.0,OxiderStream：O2=0.21,N2=0.79)→Apply→Close④Setup→Species→Density(H2O(L)=1000,C(S)=1700)→Apply→Close⑤定义绝热系统操作条件Setup→OperatingConditions(101000,303,650)→Apply→Close注：303为燃料入口温度，也即蒸发温度。⑥Setup→SolutionParameters→Close⑦File→Write→Input(lfuel-ad.inp)→ok⑧Calculate→PDFTable⑨File→Write→PDF(选Fluent5，lfuel-ad.pdf)→ok⑩Graphics→PropertyCurves(Temperature)→Display(最高温度约2270K,对应浓度为0.1)Graphics→PropertyCurves(Species)→选择所有种类→ok→Display→close注：OH,H2O(L)很少,可去掉。2．非绝热系统计算①Setup→Case(Non-Adiabatic)→Apply→close②Setup→OperatingConditions(101000,280,2800,303,650)→Apply→close注：280比蒸发温度(303)低,2800应比绝热系数最高温度高至少100K。③Setup→SolutionParameters(FuelRich=0.3,DistributionCenter=0.2)注：FuelRichlimit至少为最佳配比0.1的2倍。DistributionCentre应靠近FuleRichlimit.④File→Write→Input(lfuel.inp)→ok→Apply→Yes→close⑤Calculate→PDFTable⑥File→Write→PDF(选中Fluent5,lfuel.pdf)→ok⑦Graphics→3DNonadiabaticTable(Temperature)→Display→close⑧Graphics→PropertyCurves(Species选所有组分)→Display⑨File→Exit3.进入Fluent2D,读入网格(1)File→Read→Case(lfuel.msh)(2)Grid→check(最小体积>0)(3)Display→Grid4.连续相(气体)模型(1)Define→Models→Solver(Segregated,Implicit)→ok(2)Define→Models→Viscous(K-ε)(3)Define→Models→Species(PDF→lfuel.pdf)→ok注：读入非绝热PDF文件,则能量方程自动打开。5.离散相模型Define→Models→DiscretePhase(选中Interaction…,5,10000,0.01)Define→Injections→Create(group=10,droplet,n-penture-liquid-linear,C5h12,选中StochasticModel,10,0.15,0.0010.0010.0010.001100100057.71e-41e-43033032e-42e-4)注：液滴直径为100µm,质量流量为2e-4×10=0.002kg/s。6.材料：连续相

Define→Materials(pdf-mixture,mixture,pdf-mixture,density=pdf,cp=mixing-law,ThermalConductivity=0.025,viscosity=2e-5)→Change/Create7.材料：离散相Define→Materials(n-pentane-liquid,droplet-particle,name,C5H12<1>,n-pentane-liquid(C5H12<1>),Density=620,CP=2300,ThermalConductivity=0.136,Latentheat=363000,303,306,100,6.1e-6,8.2e4,0)→change/create→close8.边界条件Define→BoundaryConditions(Velocity-inlet-7)→set(MagnitudeandDirection,Absolute,1.0,1,0,650,IntensityandHydraulicDiameter,10,2.0,0,0,escape)→okDefine→BoundaryConditions(presure-out-let-5)→set(0,1800,IntensityandHydraulicDiameter,10,2.0,0,0,escape)→okDefine→BoundaryConditions(Wall-6)→Set(选中Temperature,1200,0,0,aluminum,0,0.5,reflect,polynomial,polynomial)→ok注：如液滴可以到达墙面,对Boudary-Type可使用Trap选项,即假定挥发成分一接触热壁就全部汽化。9.求解(1)Solve→Initialize→initialize(velocity-inlet-7,0,1,0,650)→init→close注：本侧为空气预热,故可使用空气入口条件作初始值。在其他燃烧条件下,可能需要patch一个高温区(solve/initialize/patch菜单及solve/dpm-update)。另一种方法是在离散相耦合及燃烧之前先进行初始气相计算。(2)Solve→Monitors→Residual(选中plot)→ok(3)File→Write→case(fuel.cas)(4)Solve→Iterate(300)(5)File→Write→case&Data10.后处理(1)Display→Coutours(只选Autorange,temperate,statictempature)→Display注：最高温约1900K，使用Display/Views来镜像显示。(2)Display→Contours(Autorange,pdf,MeanMixtureFraction)→Display(3)Display→Contours(Autorange,DiscretePhaseModel,DPMEvaporation)→Display(4)Display→ParticleTracks(NodeValuetAutorange,Single,line,particlevariables,particleDiameter,选injection-0)→Display(5)Display→Contours(Autorange,Species,MassfractionofC5H12)→DisplayFLUENT辅导3.煤粉燃烧气相为连续相,煤粒为离散相,煤粒在气体中挥发,挥发分及炭的燃烧反应可用有限速率化学反应动力学或mixture-fraction/PDF分析。mixture-fraction/PDF模型可以模拟非预混湍流燃烧，只需求解一或两个标量mixture-fraction输运方程。多个化学组分的浓度可以通过mixture-fraction的分布求出。组分的物性参数由化学数据库得到。湍流与化学反应的相互作用由Beta或双deltaPDF(probabilitydensityFunction)来模拟。问题描述：10mTw=1200KAir15m/s,1500K50m/s,1500K0.5mcoal,0.1kg/s0.125m入口平均Re=105,为湍流。(PDF文件含：组分浓度、温度与mixture-fraction的关系)一、在prePDF中定义绝热系统1．Setup→Case(选SecondaryStream,Adibatic,EquilibriumChemistry,SecondaryStream)→Apply注：选SecondaryStream,使用两个混合组分即将炭作为燃料流，挥发分作为SecordayStream，这样比用一个混全组分准确）。对SecondaryStream使用经验定义：即定义C,H,N,O的原子成分。对非绝热问题一般先进行绝热计算，可以获得：（1）绝热燃烧最高温度。（2）最佳配比混合物或密度（3）哪些组分对化学反应系统是微不足道的（可去掉）。对双组分，PDF类型(Delta或Beta)在Fluent中选取。2．定义化学成分13个：C,C(S),CH,CO,CO,H,H,HO,N,N,O,O,OH42222Setup→Species→Define(C,CCS),CH,CO,CO,H,H,HO,N,N,O,O,OH)→Apply→close24222223．确定燃料组成大致分析挥发分炭（C(S)）灰重量百分比（不含灰）重量百分比2864830．469．6元素重量百分比89.353.41.50.8CHONS则挥分成分为：Moles元素CHON质量89.3~69.60.65重量百分比摩尔百分比0.240.700.030.035.4160.70.650.160.110.083.42.3低位热值：煤35.5MJ/kg，碳32.9MJ/kg35.3−0.696×32.9=40.795MJ/kg1−0.696挥发分=4．输入燃料、氧化剂组成Setup→Species→Composition(Fuel:C(S)=1,Oxidiser:O=0.21,N=0.79，Secondary:C=0.24,H=0.7,22N=0.03,O=0.03,LowerCaloricValue=4.0795e7,SpecificHeat=1000)→Apply→close5．Setup→Species→Density(C(S),1300)→Apply→close6．Setup→OperatingConditions(101000,400,1500,400)→Apply→close二、计算绝热PDF表1．Setup→SolutionParameters→Apply→close注：Richlimit提高计算效，率当MixtureFracture>Richlimit,则不计算平衡计算。2．File→Write→Input(coal-ad.inp)3．Calculate→PDFTable（注：结束时的警告信息只对进口为气体燃料有影响。）4．File→Write→PDF(coal-ad.pdf,选Fluent5)→ok5．Graphics→PrepentsTable(Temperature)→Display注：峰值温度约2800K,燃料和SecondaryStream的最佳百分比MixtureFraction为0.16．Setup→SolutionParameters(两个DistributionCenterPoint=0.2)→Apply→close注：DistributionCenter应位于Richlimit一侧，可以取为最佳配比的两倍。7．File→Write→Input(coal-ad2.inp)8．Calculate→PDFTable9．File→Write→PDF(coal-ad2.pdf,选Fluent5)→ok10.Graphics→PropertyTable(Temperature)→Display三、计算非绝热紊流1．Setup→Case(选Non-Adiabatic)→Apply2．Setup→OperatingConditions(101000,298,3000,400,1500,400)→Apply注：298应比最边界温度低，3000至少高于绝热峰值温度100K。3．File→Write→Input(coal.inp)4．Calculate→PDFTable5．File→Write→PDF(coal.pdf,选Fluent5)→ok6．Graphics→3DNonadiabaticTable(Temperature)→Display（注：可选其他截面）7．Graphics→3DNonadisbaticTable(Species-C(s))→Display8．File→Exit四、网格（先进入Fluent2D）1．File→Read→Case(coal.msh)2．Grid→check3．Display→Grid五．模型：连续相（气体）1．Define→Models→Solver(Segregated,inplicit,2D,Steady,absolute)→ok2．Define→Models→Uiscom(K-ε)→ok3．Define→Models→Species(选PDF)→ok(coal.pdf)Define→Models→Species(ProbabilityDensityFunction=beta,NumberofFlowiterationPerPropertyUpdate=3)4．Define→Models→Radiation→ok注：模型运用气体与固体颗粒之间辐射换热。六．模型：离散相（煤粉流）1．Define→Models→DiscretePhase(选中InteractionWithContinuous…,NumberofContinuousphaseIterations…=20,MaxNumberofSteps=10000,选中ParticleRadiationInteraction)→ok注：如问题中的颗粒质量比很大或网格尺寸大，则需增大Numberof…，即在颗粒轨道计算之前将气相方程式计算的更彻底。LengthScale=0.01指在10m距离大约需有：1000个时间步长。2．创建离散相煤射流Define→Injectionscreate(group,10,combusting,stochasticModel,NumberofTnies=10,0.15,Material=coal-inv,OxidizingSpecies=02,DiameterDistribution=rosin-rammler,Secondary,primary,FirstPoint=0.001,0.03124,10,5,300,0.1,70e-6,200e-6,134e-6,4.52,LastPoint=FirstPoint)→ok注：颗粒流定义为10个不同的初始流（仅直径不同，且遵守Rosin-Rammler分布律），喷射角为26°。ParticleType=Combustion激活煤挥发和炭燃烧，而Droplet指蒸发和沸腾。4.52是Rosin-Rammler分布的分布参数。Primary指主流，Second指次流。Stochastic轨道模型模拟气相湍流对颗粒轨道的影响,在煤燃烧中模拟颗粒扩散。七．材料：连续相Define→Materials(Pdf-mixture,ThermalConductivity=0.025,viscisity=2e-5,AbsorptionCoefficient=Wsggm-cell-based)→change/create八．材料：离散相Define→Materials(coal-mv,MaterialType=Combusty-Particle,Density=1300,Cp=1000,0.0454,0,400,28,5e-4,0.9,0.6,2,2.67,64,two-computing-rates,kinetics/diffusion-limited)→change/create注：Latentheat是用来蒸发挥分发的热。使用PDF数字模型时常数为0，如在挥中发含水蒸气HO,2则latent-heat应不为0。BinaryDiffusivity是氧化剂向颗粒表面的扩散，用于扩散控制的炭燃烧率。BurnoutStoichiometricRatio用于扩散控制的燃烧率计算。否则此参数对PDF不起作用。当使用有限

速率化学时，该参数定义了单位质量炭所需的氧化剂质量。缺省值代表C(s)相对CO的Oxidation。2CombustibleFraction是煤颗粒中炭的质量成分。VaporizationTemperature,CombustibleFraction,VolatileComponentFraction必须和prePDF输入相一致。九．边界条件Define→Boundary→Conditions(1)Velocit