CFX培训教材02物理设置1.ppt

1、ANSYS CFX 培训教材 第二节：物理设置（1）,安世亚太科技（北京）有限公司,域,域（Domains）流体流动和热传递被求解的空间区域,如.对水里的铜加热线圈的模拟，需要流体域和固体域,如. 解决旋转运动问题，需要将转子放到旋转域里.,Rotor,Stator,如何创建域,定义域的属性 右击domain且选择Edit 或右击Flow Analysis 1 插入一个新的domain,各按钮包含不同的需要设置的属性 完成所有设置 一些可选的设置,域的创建,基本设置 Location: 只指装配网格和3D 基本网格 Domain Type: Fluid, Solid, 或者 Porous Co

2、ordinate Frame: 所有导入的domain都需要选择坐标系 stationary 或rotating Coord 0为默认坐标系 流体和粒子定义: 选择参与计算的物质,Ex. 2: Preference= 100,000 Pa,域 参考压力,参考压力 所有的相对压力基于参考压力 Pabs = Preference + Prelative 在边界和初始条件中指定的压力是相对于相对压力的压力 一般用于避免当局部压力差相对于绝对压力较小的时候出现的圆整误差,Pressure,Pressure,Ex. 1: Preference= 0 Pa,Pref,Prel,max=100,001 Pa

3、,Prel,min=99,999 Pa,Prel,max=1 Pa,Prel,min=-1 Pa,Pref,域 浮力,浮力 在重力作用下，由于密度的差异产生浮力 当考虑buoyancy时, 基于流体密度和参考密度的差异，在动量方程中将添加一个源项 SM,buoy=( ref)g ref 是参考密度. 是所有密度的参考值. 密度不等于ref 的流体将被作用于一个或正或负的buoyancy力. 取决于大于或小于ref ( ref) 项取决于所计算的流体,域 浮力,完整的浮力模型 直接评估密度差 常用语模拟理想气体, 真实流体, 或多组分流 需要设定参考密度 用于对domain密度进行一个近似的估值

4、 Boussinesq假设模型 用于模拟密度为常数的流体 浮力的驱动基于温度的不同 ( ref) = - ref (T Tref) 需要参考温度 两种模型的选择区别在于选择不同的物质 如，air at 25.启动Boussinesq假设模型 如，air ideal gas .Full Buoyancy模型,域 浮力,浮力参考密度 浮力参考密度用于减小圆整误差 参考压力用于“偏移”计算域的工作压力, 而浮力参考密度用于“偏移”计算域的静压力 静压求解的相对值是rrefgh, 这里的h是相对于参考点的 高度 如果rref = 流体的密度(r), 那么求解的就仅仅是静压力 绝对压力Absolute

5、Pressure 包括静压力和参考压力 Pabs = Preference + Prelative + rref g h 对非浮力流，不存在静压力,压力和浮力的例子,如图，流体通过罐子 进口30 psi的绝对压力 考虑浮力, 那么就会存在静水压力梯度 出口压力大概为：30 psi +静水压力r g h 为了精确求解小的动压改变，可以通过设置参考压力“偏移”工作压力. 通过浮力参考密度“偏移”静压力.,30 psi,30 psi + r gh,Gravity, g,罐内仅有一个小 压力改变,域,运动域 可以指定域绕轴旋转 当指定了域的旋转坐标后, CFX-Solver会求解相应的科里奥利力(Co

6、riolis)和离心力项和旋转坐标系下的总能方程 网格变形 用于涉及到动边界或动子域的情况 可以强制网格运动,域的类型,不同类型的域，有不同的设置内容,域的类型: 流动模型,热传递 指定热传递模型 在Heat Transfer 章详细讲解 湍流模型 指定湍流模型 在Turbulence章详细讲解,域的类型: 流动模型,化学反应和燃烧模型 CFX可以模拟化学反应和燃烧流 只有定义相关物质以后才能使用 这里不做详细讲解,域的类型: 流动模型,辐射模型 模拟热辐射显著的流动,域的类型: 固体域,固体域用于模拟既不包括流体或者多孔介质流的区域 (例如, 壁式热交换器) 热交换器(共轭热传递) 在Hea

7、t Transfer章讨论 辐射 在固体区域只有Monte Carlo辐射模型可用 如果固体不透明，固体区域无辐射! 固体运动 仅仅当考虑固体域内热的水平对流时 固体运动必须相切于固体表面的任意地方 (例如, 旋转),Tubular heat exchanger,Images Courtesy of Babcock and Wilcox, USA,域的类型: 多孔介质,用一个简单的域代替由于几何非常复杂，难以进行网格划分和求解的情况 不用关注几何细节，通过数值方法间接考虑他们的影响,域的类型: 多孔介质,面的多孔性 默认为各向同性 体孔隙率 流体体积与整个物理空间体积之比 (可以指定为空间的函

8、数y) 默认, 求解速度是空塔速度. 在多空介质区, 真实的流体速度大于空塔速度 空塔速度= 体孔隙率 * 真实流速,当考虑损失的时候，需要考虑速度的类型,域的类型: 多孔介质,损失模型 各向同性: 各个方向损失相同 定向损失: 在很多情况下，在streamwise和横向有不同的损失. (例如: 多孔盘) 损失的定大小由Darcys定律决定 Permeability渗透性和Loss损失系数 Linear and Quadratic线性和二次方阻抗系数,材料,创建流体名称 选择物质 下拉菜单中可用的物质 可在物质库内选择,材料,右键“Materials”创建/编辑物质,多组分/多相流,ANSYS

9、 CFX可以模拟混合流(多组分流)和多相流,多组分流 混合流域 混合物取决于各组分的体分数 适用于组分在分子级上的混合,多相流 每个流体拥有自己的流场或所有流体分享相同的流场 组分在宏观层面上的混合，可以明显的分辨出流体间的界面,创建多相流，需要指定流体的细节及流体相之间的作用,多组分/多相流,每个组分的流体都有一套不同的物理属性 ANSYS CFX-Solver对每个组分的各物理量进行平均，将其作为多组分流的相应量 这些平均量，取决于组分的物理性质及其所占的比例 在多组分流中, 不同的流体组分分享相同的平均速度，压力和温度场,可压缩流动模型,通过选择Ideal Gas, Real Fluid

10、, 或一般流体(这些流体的密度是压力的函数),这样就激活了可压缩流动模型 可以求解亚音速, 超音速和跨音速流 超音速/跨音速流问题 设置heat transfer选项为Total Energy 比亚音速问题，更难以求解, 尤其激波显现出现的时候,Click to load a real gas library,边界条件,定义边界条件,必须在流体域边界指定边界信息 指定质量流量, 动量, 能量, 等等. 定义边界条件包括: 指定边界的位置 (如, inlets, walls, symmetry) 在边界上指定信息 边界上的量取决于边界条件的类型和所采用的物理模型 怎样定义边界条件 不合理的边界条

11、件的定义对求解有显著的影响,可用的边界条件类型,Inlet Velocity Components-Static Temperature (Heat Transfer) Normal Speed-Total Temperature (Heat Transfer) Mass Flow Rate-Total Enthalpy (Heat Transfer) Total Pressure (stable)-Relative Static Pressure (Supersonic) Static Pressure-Inlet Turbulent conditions Outlet Average St

12、atic Pressure-Normal Speed Velocity Components-Mass Flow Rate Static Pressure Opening Opening Pressure and Dirn-Opening Temperature (Heat Transfer) Entrainment-Opening Static Temperature (Heat Transfer) Static Pressure and Direction-Inflow Turbulent conditions Velocity Components Wall No Slip / Free

13、 Slip-Adiabatic (Heat Transfer) Roughness Parameters-Fixed Temperature (Heat Transfer) Heat Flux (Heat Transfer)-Heat Transfer Coefficient (Heat Transfer) Wall Velocity (for tangential motion only) Symmetry No details (only specify region which corresponds to the symmetry plane,Inlet,Opening,Outlet,

14、Wall,Symmetry,右键插入,怎样创建边界条件,After completing the boundary condition, it appears in the Outline tree below its domain,Inlets和Outlets,Inlets主要用于流体流入的地方；但是, inlets也可以是流体流出的地方(以速度的方式定义inlet) 指定inlets为速度入口，一般用于不可压流体 对可压流体采用速度入口，可能导致非物理计算结果 压力和质量流进口对可压流与不可压流都适用 这些结论同样适用于outlet,Openings,在opening边界条件，没有人为的w

15、all阻挡流入和流出的流体 需要在局部出现回流的情况下更改或指定一些信息 不要轻易适用opening边界条件,Symmetry,用于减少计算量. 只需指定类型. 流场和几何都必须对称: 对称面上发向速度为零 对称面上任意变量的发向量为零 务必正确定义对称边界位置,symmetry planes,如何确定边界条件,1 多个上游进口 网格增多 喷管进口平面 需要提供空气和燃油的精确的速度分布 喷管出口面 需要精确的速度分布情况和空气与燃油在平面上不同地方的混合情况(混合分数),如，对空气和燃油混合燃烧的装置 有三种可能的进口边界条件的位置,如何确定边界条件,一般来说，需要确保进出口边界上满足：流体

16、只进或者只出 不是必须的，但是可以显著的改善收敛性能 在垂直于边界条件的方向上不要有大的梯度 否则不正确,修正上游压力边界，确保流体流入流体区域,Outlet边界位置不合适,回流区域的边界位置 较差的情况:只能用opening边界条件，允许流体回流 较好的情况: 采用outlet边界条件，但是需要outlet处精确的速度/压力分布情况 (难以实现) 理想情况: 采用outlet边界条件，较为容易的指定精确的流动条件,如何确定边界条件,Opening,Outlet,Outlet,进口湍流Turbulence at the Inlet 通常的流动湍流强度范围：1% 5%，也可以用户指定. 默认的湍

17、流强度值是0.037 (即 3.7%)，在没有试验数据的情况下，对圆断面进口处的湍流强度值的估算是足够的. 对由于壁面摩擦引起湍流的情况，可以考虑将域向上游延伸，以便于流动充分发展,如何确定边界条件,外流场 如进行风电场的外流场的计算，若风力机的高宽分别为H和W, 那么计算域需要至少高5H, 宽10W, 进口至少要位于距风力机2H的上游，出口至少要位于风力机下游10 H的地方. 同时还需确保垂直于边界的地方没有明显的压力梯度，否则还需将计算域扩大,如何确定边界条件,w,h,5h,10H,At least 2H,10w,压力梯度大的地方需要网格加密,对称面和Coanda效应 几何对称不等于流动对称 例如: coanda效应. 几何对称喷管流，在雷诺数达到一定数值以后，流动会出现偏移,如何确定边界条件,一个进口和一个出口： 最稳健的定义方式: 速度/质量入口; 静压出口. 稳健的定义方式: 总压进口;速度/质量出口. 对初值敏感的定义方式:总压进口;静压出口. 最不稳健的定义方式: 静压入口;静压出口.,如何确定边界条件,如