实验课件流体力学

1、FLUENT流体仿真实验,教师： 马 庆 芬,机电工程学院,主要内容,计算流体力学简介,1,FLUENT软件简介及基本操作,2,GAMBIT基本操作,3,计算流体力学简介,（一） 什么是计算流体力学,1.以电子计算机作为模拟手段，运用一定的计算技术寻求流体力学各种复杂问题的离散化数值解。,数值解而不是解析解,计算理论和计算技术起关键作用,与计算机的发展紧密相关,计算流体力学简介,2计算流体力学、理论流体力学、实验流体力学是流体力学研究工作的三种主要手段既互相独立又相辅相成, 理论分析具有普遍性各种影响因素清晰可见、为实验和计算研究提供依据,实验研究仍是研究工作的基石，数值研究的许多方面都密切依

2、赖于实验研究：实验提供数据；计算结果需由实验验证；观察实验现象分析实验数据以建立计算模型等等,数值模拟是特殊意义下的实验，也称数值实验,计算流体力学简介,（二） 计算流体力学要素,数学模型 离散方法 计算网格(也有无网格方法，但尚未成熟) 求解方法 计算结果的后处理 Verification & Validation,计算流体力学简介,（三） 计算流体力学应用,航空航天、汽车设计、船舶、环境、生物制药、化学处理、石油天然气、发电系统、电子半导体、涡轮机械、制冷、材料、冶金、能源、聚合物加工、玻璃加工、体育、环境等领域。,计算流体力学简介,(四）计算流体力学研究工作的方向,与计算理论、计算技术的

3、发展相关联的研究方向：（基本方程与计算物理，计算力学发展、图形学、网格技术等）,基本方程性质、简化、改型等,座标变换理论,网格技术,分区处理技术、并行处理与计算技术,计算流体力学简介,与离散数学的理论研究相关连的研究方向；,离散化与精度分析理论,稳定性分析理论，特别是边界条件数值处理的稳定性分析理论,守恒性及其数值分析中的守恒性理论,数值分析的收敛性理论,计算流体力学简介, 解决众多相关学科的的科研工作和工程实际提出的与流体力学问题有关的各类复杂的问题, 在一些相关学科的边缘上寻求新的发展点,机械、航天航空、气象、海洋、船舶、车辆、石油、化工、环境（包括气动噪音控制）、建筑、土木、水利、核能等

4、等,与计算机技术的发展相关的一些领域,交通流、信息流、生物流等的数值模拟,计算流体力学简介,（五） 计算流体力学研究工作的优势、存在的问题和困难,1优势：,“数值实验”比“物理实验”具有更大的自由度和灵活性，例如“自由”地选取各种参数等,“数值实验”可以进行“物理实验”不可能或很难进行的实验；例如：天体内部地温度场数值模拟，可控热核反应地数值模拟,“数值实验”的经济效益极为显著，而且将越来越显著,计算流体力学简介,2问题与不足,流动机理不明的问题，数值工作无法进行；计算结果依赖于数值模型,数值工作自身仍然有许多理论问题有待解决,离散化不仅引起定量的误差，同时也会引起定性的误差，所以数值工作仍然

5、离不开实验的验证,离散误差 迭代误差 舍入误差,主要内容,计算流体力学简介,1,FLUENT软件简介及基本操作,2,GAMBIT基本操作,3,FLUENT软件简介,FLUENT是用于计算复杂几何条件下流动和传热问题的程序； 它提供的无结构网格生成程序，把计算相对复杂的几何结构问题变得容易和轻松； 可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格； 可以根据计算结果调整网格。这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场如自由剪切流和边界层问题有很实际的作用。同时，可以节约计算时间。,（一） FLUENT软件概述,FLUENT软件简介,（二） 程序的结构,FLUENT

6、程序软件包应该包括以下几个部分： 1 FLUENT解法器 2 prePDF，用于模拟PDF燃烧过程 3 GAMBIT，网格生成 4 TGrid，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成体网格。 5 Filters(Translators)，转换其它程序生成的网格，用于FLUENT计算。可以接口的程序包括：ANSYS, I-DEAS, NASTRAN,PATRAN等。,FLUENT软件简介,基本程序结构示意图,FLUENT软件简介,（三） 程序的用途,1， 采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和三位流动问题；计算过程中，网格可以自适应。 2， 可压缩与不可压缩流动问题； 3， 稳

7、态和瞬态流动问题； 4， 无粘流，层流及湍流问题； 5， 牛顿流体及非牛顿流体； 6， 对流换热问题（包括自然对流和混合对流）； 7， 导热与对流换热耦合问题； 8， 辐射换热； 9， 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟； 10，多运动坐标系下的流动问题； 11，化学组分混合与反应； 12，可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项； 13，用Lagrangian 轨道模型模拟稀疏相（颗粒，水滴，气泡等）； 14，多孔介质流动； 15，一维风扇、热交换器性能计算； 16，两相流问题； 17，复杂表面形状下的自由面流动；,FLUENT软件简介,二维网格,三维网格,FLUENT软件简介,分压器

8、内部压力波运动规律,分压器内部接触面运动规律,FLUENT软件简介,1.16,1.2105Pa,293K,马赫数,静压,静温,232K,FLUENT软件简介,Ma,ac,J,T,FLUENT软件简介,（四） 程序求解问题操作步骤,1， 确定几何形状，生成计算网格（可用GAMBIT）； 2， 选择2D或3D来模拟计算； 3， 输入网格； 4， 检查网格； 5， 选择解法器； 6， 选择求解的方程：层流或湍流（或无粘流）； 7， 确定流体物性； 8， 指定边界条件； 9， 条件计算控制参数； 10， 流场初始化； 11， 计算； 12， 检查结果； 13， 保存结果，后处理等。,主要内容,计算流体

9、力学简介,1,FLUENT软件简介及基本操作,2,GAMBIT基本操作,3,Gambit基本操作,Gambit绘制图形及划分网格步骤,1， 根据所需几何形状建立点； 2， 连接各点得到所需几何形状轮廓（闭合）； 3， 利用闭合线段生成面； 4， 对线段进行网格划分，对边网格数应相等，且最后留一条边不划分网格； 5， 形成面网格； 6， 设置边界条件，对于管道流动需要设置入口、出口及对称轴边界； 7， 保存文件，格式为 .dps； 8， 输出网格文件，格式为.msh文件；,第二次实验内容,工程流体力学观摩及FLUENT入门,一 实验目的 1 了解流体的重要物理性质及其体现形式； 2 更深入了解流

10、体静力学基本原理、测压原理及浮力定律等静力学基本知识； 3 掌握流体运动学与动力学基本原理，从实践上理解伯努利方程及其应用，了解粘性流体流态的判别方法。 二 实验内容 1 观摩“流体基本物理性质”录像：粘性、压缩性、膨胀性及表面张力。 2 观摩“流体静力学原理”录像：测压原理、压力传递原理和浮力定律、相对静止流体运动规律。,第二次实验内容,工程流体力学观摩及FLUENT入门,二 实验内容 3 观摩“流体运动学及动力学”录像：流线与迹线、伯努利方程、雷诺实验、流体流态实验、泄流、流谱显示、射流反推力。 4 通过老师讲解，了解计算流体力学发展概况，了解FLUENT和GAMBIT软件的基本操作，并自

11、行上机练习。 三 实验结果及分析 在三种观摩实验里各任选一个以上实验，对实验现象进行描述，要求与所学理论知识相联系。,第二次实验内容,圆管层流与湍流速度分布,一 实验目的 1 数值验证圆管层流与湍流的速度分布情况； 2 比较层流与湍流速度分布的差异，并掌握产生这种差异的原因。 二 实验内容 1 管道尺寸： 直径： d=10mm；长度：L=400mm 2 管道流动条件： (1) 入口流速为：0.2m/s (2) 入口流速为：20m/s,第二次实验内容,圆管层流与湍流速度分布,三 实验要求 1 计算两种入口流速下，流动稳定的管道截面处(管长3/5)的流动平均雷诺数，并判断流动状态； 2 绘制管道内

12、的速度分布等值线图； 3 绘制稳定流动截面处的速度沿着径向分布的曲线图。 四 实验步骤 1 建立工作目录； 2 Gambit建立网格模型： 按坐标或平移方式建立点建立闭合轮廓线建立面画线网格（留一边不画）保存文件到自建目录(save as)输出.msh文件(export-mesh),第二次实验内容,圆管层流与湍流速度分布,四 实验步骤 3 FLUENT导入及模型计算 (1) 打开FLUENT：2d； (2) 导入.msh文件：filereadcase (3) 设置模型：Define-models-solver-Axisymmetric (4) 设置材料： 采用默认air (5) 设置边界条件：

13、define-boundary conditions-in-set-velocity: 分别为0.2和20m/s (6) 设置监视器：solve-monitor-plot打钩 (7) 流场初始化：solve-initilize（以入口参数初始化） (8) 计算并观察收敛：! 1882 solution is converged (9) 保存文件：file-write-case&data-工作目录-文件名,第二次实验内容,圆管层流与湍流速度分布,五 实验结果及分析 (1) 输出速度等值线分布图：Display-counters-velocity magnitude (2) 输出稳定流动截面上速度

14、分布曲线： 建立面（管长3/5处截面）：surface-line/rake-输入end point坐标值 画出分布图：plot-XYplot-x(0)y(1)-选中建立面及velocity-plot 比较层流与湍流速度分布曲线，说明区别及原因 (3) 计算建立面上的平均速度，然后计算雷诺数，判断所处流态； Report-surface integrals-repot type:area weighted average-velocity magnitude-选中建立面-compute-得到计算平均速度,第三次实验内容,管内流动局部损失（突扩和突缩）,一 实验目的 1 验证不可压缩流体在变截面管

15、道中的连续性方程； 2 通过数值实验观察局部损失形成原因； 3 对管内流动过程的沿程损失及局部阻力损失进行定性了解。 二 实验内容 1 串联管道尺寸： 直径： d=10mm；长度：L=150mm 直径： d=20mm；长度：L=150mm 直径： d=10mm；长度：L=150mm 2 管道流动条件： 入口流速为：10m/s,第三次实验内容,三 实验要求 1 绘制管道突扩部分旋涡放大图，简述旋涡产生的原理； 2 绘制管道突缩部分速度矢量图，并说明最小截面出现在突缩管道后的原因； 3 绘制管道轴线上静压分布，说明各段静压的趋势及产生的原因。 四 实验步骤 1 建立工作目录； 2 Gambit建立

16、网格模型： 按坐标或平移方式建立点建立闭合轮廓线建立面画线网格（留一边不画），采用局部加密网格保存文件到自建目录(save as)输出.msh文件(export-mesh),管内流动局部损失（突扩和突缩）,第三次实验内容,四 实验步骤 3 FLUENT导入及模型计算 (1) 打开FLUENT：2d； (2) 导入.msh文件：filereadcase (3) 设置模型：Define-models-solver-Axisymmetric (4) 设置材料： 采用默认air (5) 设置边界条件：define-boundary conditions-in-set-velocity:为0.2m/s (6) 设置监视器：solve-monitor-plot打钩 (7) 流场初始化：solve-initilize（以入口参数初始化） (8) 计算并观察收敛：! 1882 solution is converged (9) 保存文件：file-write-case&data-工作目录-文件名,管内流动局部损失（突扩和突缩）,第三次实验内容,五 实验结果及分析 (1)