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FLUID142

FLUID142三维流体热单元

FLUID142单元描述

FLUID142可以用来模拟瞬态或稳态的流体/热系统，包括流体和非流体区域。

在流体域中可以求解粘性流与能量守恒方程，在非流体域只求解能量方程。

与那些用一维区域连接成网状模型的单元（如FLUID116）不同，使用FLOTRANCFD单元可求解区域中的流动与温度分布。

你也可以用FLUID142来做流体-固体交互作用的分析，该单元的详细描述见ANSYS,Inc.TheoryReference中的FLUID142。

对于FLOTRANCFD单元，可通过动量守恒定律求得速度，通过质量守恒定律求得压力（如果需要计算温度，可从能量守恒定律求得）。

使用分离序贯算法求解，即对控制方程进行有限元离散得出矩阵并对每一个自由度分别进行求解。

流动问题是非线性的，控制方程是耦合在一起的。

顺序求解所有的控制方程，连同更新任何与温度或压力相关的材料属性，构成一次总体迭代。

要得到收敛的结果所需的总迭代步数可能差别相当大，这主要取决于问题的规模和稳定性。

对于多达六种组分的质量组成需求解输运方程。

用户可在一个以恒定角速度旋转的坐标系中求解方程组。

自由度为速度、压力和温度。

如果需要激活湍流模型选项，需要计算两个湍流量：

湍流动能与湍流动能耗散率。

FLUID142输入数据

单元的几何结构，节点位置以及坐标系如上图所示。

FLUID142单元由8节点和材料特性定义。

当节点M,N,O,P的序号为相同的值，且节点K、L的序号为相同的值时，FLUID142为一个4面体单元.FLUID142也可以为楔形和金字塔形，它们的几何结构见上图。

根据KEYOPT（3）的取值可以指定坐标系为笛卡尔坐标或圆柱坐标。

NodeandElementLoads中描述的该单元的载荷。

对于流体-固体交互作用的分析，可以用SF命令族（SF,SFA,SFE,orSFL）施加接触面载荷，用FSIN命令指定接触面载标识。

用户必须对有载荷转移的固体接触面指定相同的接触面序号。

关于如何利用流体-固体交互作用标识见ANSYSCoupled-FieldAnalysisGuide中的SequentiallyCoupledPhysicsAnalysis。

关于ANASYS中哪些命令对FLUID142无效和不适当的讨论见ANSYSFluidsAnalysisGuide。

FLUID142流体单元

如果FLUID142的材料序号[MAT]为1,它被认为是流体单元.用户可以用FLDATA命令族定义其属性：

密度、粘性、导热性、比热。

只能分析一种流体，并且它必须是单相的。

当问题与温度相关时，需要指定导热性和比热。

通过FLDATA7,PROT命令或属性数据库（在文件floprp.ans中）可以定义随温度变化的属性。

当流体为气体时，其密度可以随气压的变化而改变。

提供6种湍流模型。

用户可以用FLDATA1,SOLU,TURB,T命令激活湍流建模。

其中有标准k-ε模型、零阶方程湍流模型以及另外四种标准模型的扩展形式。

关于模型的更多信息见ANSYS,Inc.TheoryReference和ANSYSFluidsAnalysisGuide。

KEYOPT

（1）激活多种类传输，允许用户在主流体中跟踪多达6种不同流体的传输。

KEYOPT（4）允许用户在用任意拉格朗日-欧拉方程（ALE）时通过施加位移约束（DOFs）得到特定的边界运动。

分布阻力（"FLUID142DistributedResistance"），fan（应该是专业术语，不能确定，因此没敢瞎翻！

）模型（"FLUID142FanModel"），壁面粗糙度（"FLUID142WallRoughness"）的相应实常数列在表Table142.1:

"FLUID142RealConstants"中。

FLUID142分布式阻力

分布式阻力是用来近似多孔介质或其他不能建立准确几何模型的流体区域特性的一种便利途径。

当用几何结构无法精确建模导致无法弥补损失时，可以人为施加分布式阻力。

任何有分布式阻力的流体单元都必须有一个大于1的实常数。

分布式阻力对流体所产生的阻力值取决于这些因数中的一个或多个的联合作用：

局部压头损失（K）,摩擦因子（f）,ora渗透性（C）.X方向的总压力由这3项决定：

这里:

ρ为密度（质量/长度3）

μ为粘性（质量/（长度*时间））

REReynolds的局部值（由程序计算）:

RE=（ρVDh）/ μ

f=为摩擦系数（由程序计算）:

f=aRE-b

C=FLOTRAN渗透系数（1/长度2）.

ANSYS为此单元提供non-Newtonian粘性模型，本版本中可以用的模型有：

PowerLaw,Bingham,以及Carreau。

另外，ANSYS允许用户自定义子步来计算粘性。

在ANSYS,Inc.TheoryReference和ANSYSFluidsAnalysisGuide中介绍了如何建立这些模型和应用它们。

在TheGuidetoANSYSUserProgrammableFeatures中介绍了如何利用用户自定义子步。

如果在分布式阻力区域中存在较大速度梯度，应把这个区域的ENKEDOF和ENDSDOF分别指定为0和1以解除湍流模型。

FLUID142FanModel

Thefanmodel是种一近似流体fan或pump效果的简便方式。

fan模型的压力增量由压力梯度及由实常数定义的流体长度决定。

压力梯度可以看作是速度的二次的函数，下式为X方向的压力梯度：

V为流体速度，C1,C2,C3是由实常数指定的系数。

对于任意方向的fan模型（实常数TYPE=5），这3个系数为沿坐标系方向的分量，其描述见ANSYSFluidsAnalysisGuide.

FLUID142壁面粗糙度

FLOTRAN的默认边界条件是光滑壁面。

关于粗糙度系数的应用见ANSYSFluidsAnalysisGuide.中的FlowBoundaryConditions。

FLUID142非流体单元

如果单元材料号[MAT]大于1，它被认为是非流体单元。

在非流体单元中只求解能量方程。

用户可以定义多达100种不同的非流体材料。

对于非流体单元用MP命令指定其密度、比热及热传导系数。

对于随温度变化的材料参数，可以用MP或MPDATA输入。

允许材料有各向异性的参数，空间变化相对于全局坐标系。

注：

对于非流体FLUID142单元的实常数没有实际含意。

"FLUID142InputSummary"给出了单元输入的摘要，ElementInput给出了单元输入的详细描述。

FLUID142输入摘要

节点

I,J,K,L,M,N,O,P

自由度

VX,VY,VZ,PRES,TEMP,ENKE,ENDS

实常数

见Table142.1:

"FLUID142RealConstants"

材料特性

Non-fluid:

KXX,KYY,KZZ,C,DENS

Fluid:

密度,粘性,热传导系数,比热（用FLDATA命令）

面载荷

HFLU,CONV,RAD,RDSF,FSIN

体载荷

HGEN,FORC

特征

非线性

六种湍流模型

不可压缩或可压缩算法

瞬态或稳态算法

旋转或静止坐标系

FLOTRAN的代数求解器

Optionaldistributedresistanceandfanmodels

多类型输运方程

KEYOPT

（1）

类型号:

0 --

输运方程类型未激活.

2 - 6 --

指定类型的输运方程将被求解.

KEYOPT（3）

单元坐标选择:

0 --

笛卡尔坐标（默认）

3 --

圆柱坐标

KEYOPT（4）

DOFs选择:

0 --

不包括DOFs.

1 --

包括DOFs（UX,UY,andUZ）.

Table 142.1 FLUID142实常数

序号.

名称

定义

单位

TYPE

分布式阻力或fan模型的类型：

1=分布式阻力:

各向同性

2=分布式阻力:

方向无关（单方向）

3=分布式阻力:

方向相关

4=Fanmodel:

与坐标轴平行

5=Fanmodel:

任意方向

（Blank）

1,2,3-本版本中未定义

DIR

4-Fanorientation:

1=X,2=Y,3=Z

（Blank）

5-本版本中未定义

1,2-压头损失维数

1/长度

3–X方向压头损失

1/长度

4–常量

质量/长度2时间2

C1x

5-C1矢量X方向分量

质量/长度2时间2

1,2-渗透系数

1/长度2

3–X方向渗透性

1/长度2

4–线性系数

质量/长度3t

C2x

5-C2矢量X方向分量

质量/长度3t

1,2-水力直径

长度

Dhx

3-X方向水力直径

长度

4-二次系数

质量/长度4

C3x

5–C3x矢量X方向分量

质量/长度4

1,2-Reynolds系数,用于计算摩擦因子

3–X方向系数

（Blank）

4,5-本版本中未定义

1,2-Reynoldsnumber指数,用于摩擦因子计算

3–X方向b指数

（Blank）

4,5–本版本中未定义

（Blank）

1-本版本中未定义

FLDIR

2–流向:

1=X,2=Y,3=Z

3-Y方向压头损失

1/长度

（Blank）

4-本版本中未定义

C1y

5-C1矢量Y方向分量

质量/长度2时间2

（Blank）

1,2-本版本中未定义

3-Y方向渗透系数

1/长度2

（Blank）

4-本版本中未定义

C2y

5-C2矢量Y方向分量

质量/长度3时间

（Blank）

1,2-本版本中未定义

Dhy

3-Y方向水力直径

（Blank）

4-本版本中未定义

C3y

5-矢量Y方向分量

质量/长度4

（Blank）

1,2-本版本中未定义

3-Y方向Reynoldsnumber系数

（Blank）

4,5-本版本中未定义

（Blank）

1,2-本版本中未定义

3-ReynoldsY方向指数

（Blank）

4,5-本版本中未定义

（Blank）

1,2-本版本中未定义

3-Z方向压头损失

1/长度

（Blank）

4-本版本中未定义

C1z

5-C1矢量Z（swirl）方向分量

质量/长度2时间2

（Blank）

1,2-本版本中未定义

3-Z（swirl）方向渗透系数

1/长度2

（Blank）

4-本版本中未定义

C2z

5-C2矢量Z（swirl）方向分量

质量/长度3时间

（Blank）

1,2-本版本中未定义

Dhz

3-Z（swirl）方向水力直径

长度

（Blank）

4-本版本中未定义

C3z

5-C3矢量Z（swirl）方向分量

质量/长度4

（Blank）

1,2-本版本中未定义

3-Z（swirl）方向Reynoldsnumber系数

（Blank）

4,5-本版本中未定义

（Blank）

1,2-本版本中未定义

3-Z（swirl）方向Reynoldsnumber指数

（Blank）

4,5-本版本中未定义

BDTOL

单元生/死容忍度

长度

MMFAC

Meshmorphingmultiplier

局部统一壁面粗糙度

长度

CKs

经验无量纲因子，取值范围为0.5到1.0，其值决定了表面不均匀的程度

FLUID142输出数据

FLUID142单元的求解结果以节点解的形式输出。

附加中间特性和导出量扩展自由度。

ANSYSBasicAnalysisGuide中介绍的查看结果的方法。

Table142.1:

"FLUID142RealConstants"中介绍了其于节点的输出量。

如果相关选项没有激活，其中一些结果是不会输出的。

一旦激活某个选项，其相应的DOF量将被记录下来。

例如，如果已经得到了温度场，且能量方程不再会被重新求解时，温度场会被记录下来。

用户可以用FLDATA5,OUTP命令来控制导出属性的存储如有效粘性。

文件Jobname.PFL中给出了附加输出.这个文件中包含了周期表格的最大值、最小值、速率的平均值、压力、温度、湍流量及其他属性。

这个文件也记录在每次迭代中计算的收敛监测量。

文件Jobname.PFL还以列表的形式给出入口、出口处的质量流速度和边界热传递信息进行。

壁面结果文件（Jobname.RSW）包含了壁面单元的边界信息。

平均压力、温度、切向应力、Y-plus值、壁面热通量、壁面法向矢量及切向矢量都会被记录下来。

选项剩余文件（Jobname.RDF）给出了当前解对没个DOF矩阵方程的满足情况。

单元输出定义表使用以下符号：

在NAME一栏中冒号表示能用部件名路径进入的项[ETABLE,ESOL]。

O一栏表示可从文件Jobname.OUT中获得的项。

R一栏表示结果文件中可获得的项。

无论在O或者R栏，Y表示该项总是可获得，表脚注中的数字表示该项在某种条件下可获得，a表示该项不可获得。

Table 142.2 FLUID142单元输出定义

名称

定义

X方向位移（笛卡尔坐标）

Y方向位移（笛卡尔坐标）

Z方向位移（笛卡尔坐标）

VX:

X方向速率（笛卡尔坐标）;径向速率（圆柱坐标）

VY:

Y方向速率（笛卡尔坐标）;切向速率（圆柱坐标）

VZ:

Z方向速率（笛卡尔坐标）;轴向速率（圆柱坐标）

PRES: