FLUID142.docx

1、FLUID142FLUID142 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FLOTRAN CFD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. Theory Reference 中的FLUID142。对于FLOTRAN CFD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

2、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

3、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。Node and Element Loads 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, or SFL) 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ANSYS Coupled-Field

4、Analysis Guide中的Sequentially Coupled Physics Analysis。关于ANASYS中哪些命令对FLUID142无效和不适当的讨论见ANSYS Fluids Analysis Guide。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

5、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-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. Theory Reference和ANSYS Fluids Analysis Guide 。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(FLUID142 Distributed Resistance)，fan（应该是专业术语

6、，不能确定，因此没敢瞎翻！）模型(FLUID142 Fan Model)，壁面粗糙度(FLUID142 Wall Roughness)的相应实常数列在表 Table 142.1: FLUID142 Real Constants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), or a 渗透性 (

7、C). X方向的总压力由这3项决定：这里: 为密度 (质量/长度3) 为粘性 (质量/(长度*时间)RE Reynolds的局部值 (由程序计算): RE = ( V Dh) / f =为摩擦系数 (由程序计算): f = a RE-bC = 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：Power Law, Bingham, 以及Carreau。另外，ANSYS允许用户自定义子步来计算粘性。在ANSYS, Inc. Theory Reference和ANSYS Fluids Analysis Guide中介绍了如何

8、建立这些模型和应用它们。在The Guide to ANSYS User Programmable Features 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ENKE DOF和ENDS DOF 分别指定为0和1以解除湍流模型。FLUID142 Fan ModelThe fan model 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TY

9、PE = 5），这3个系数为沿坐标系方向的分量，其描述见 ANSYS Fluids Analysis Guide.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ANSYS Fluids Analysis Guide.中的Flow Boundary Conditions。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

10、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。FLUID142 Input Summary 给出了单元输入的摘要， Element Input 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 Table 142.1: FLUID142 Real Constants材料特性Non-fluid: KXX, KYY, KZZ, C, DENSFluid: 密度, 粘性, 热传导系数, 比热 (用 FLDATA 命令)面载荷

11、 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Optional distributed resistance and fan models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, and UZ).Table142.1FLUID142

12、 实常数序号.名称定义单位1TYPE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 = Fan model: 与坐标轴平行-5 = Fan model: 任意方向-2(Blank) 1, 2, 3 - 本版本中未定义 -DIR4 - Fan orientation: 1 = X, 2 = Y, 3 = Z-(Blank)5 - 本版本中未定义-3K1, 2 - 压头损失维数 1/长度Kx3 X方向压头损失1/长度C14 常量质量/长度2时间2C1x5 - C1矢量X 方向分量质量/长度2时间24C1,

13、2 - 渗透系数1/长度2Cx3 X方向渗透性1/长度2C24 线性系数质量/长度3tC2x5 - C2 矢量 X方向分量质量/长度3t5Dh1, 2 - 水力直径 长度 Dhx3 - X 方向水力直径 长度 C34 - 二次系数 质量/长度4C3x5 C3x矢量X方向分量质量/长度46a1, 2 - Reynolds 系数,用于计算摩擦因子-ax3 X方向系数-(Blank)4, 5 - 本版本中未定义-7b1, 2 - Reynolds number指数, 用于摩擦因子计算-bx3 X方向b 指数-(Blank)4, 5 本版本中未定义-8(Blank) 1 - 本版本中未定义-FLDIR

14、2 流向: 1 = X, 2 = Y, 3 = Z-Ky3 - Y方向压头损失1/长度(Blank) 4 - 本版本中未定义-C1y5 - C1 矢量Y 方向分量质量/长度2时间29(Blank)1, 2 - 本版本中未定义-Cy3 - Y 方向渗透系数1/长度2(Blank)4 -本版本中未定义 -C2y5 - C2 矢量Y方向分量质量/长度3时间10(Blank)1, 2 - 本版本中未定义 -Dhy3 - Y 方向水力直径L(Blank)4 - 本版本中未定义-C3y5 - 矢量Y 方向分量质量/长度411(Blank) 1, 2 - 本版本中未定义-ay3 - Y 方向Reynolds

15、 number系数-(Blank)4, 5 - 本版本中未定义-12(Blank)1, 2 -本版本中未定义 -by3 - Reynolds Y方向指数-(Blank)4, 5 - 本版本中未定义-13(Blank)1, 2 - 本版本中未定义-Kz3 - Z 方向压头损失 1/长度(Blank)4 - 本版本中未定义-C1z5 - C1矢量 Z (swirl) 方向分量质量/长度2时间214(Blank)1, 2 - 本版本中未定义 -Cz3 - Z (swirl)方向渗透系数 1/长度2(Blank)4 - 本版本中未定义 -C2z5 - C2矢量 Z (swirl) 方向分量质量/长度3

16、时间15(Blank)1, 2 - 本版本中未定义-Dhz3 - Z (swirl)方向水力直径长度(Blank)4 - 本版本中未定义-C3z5 - C3矢量 Z (swirl) 方向分量质量/长度416(Blank)1, 2 -本版本中未定义-az3 - Z (swirl) 方向Reynolds number系数 -(Blank)4, 5 - 本版本中未定义-17(Blank)1, 2 - 本版本中未定义 -bz3 - Z (swirl)方向Reynolds number指数 -(Blank)4, 5 - 本版本中未定义-18BDTOL单元生/死容忍度长度19MMFACMesh morph

17、ing multiplier-20Ks局部统一壁面粗糙度长度21CKs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。 ANSYS Basic Analysis Guide 中介绍的查看结果的方法。Table 142.1: FLUID142 Real Constants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

18、。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

19、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。Table142.2FLUID142单元输出定义名称定义RUXX方向位移(笛卡尔坐标)9UYY方向位移 (笛卡尔坐标)9UZZ方向位移(笛卡尔坐标)9VX:X方向速率(笛卡尔坐标);径向速率 (圆柱坐标)YVY:Y方向速率 (笛卡尔坐标);切向速率(圆柱坐标)YVZ:Z方向速率 (笛卡尔坐标); 轴向速率(圆柱坐标)YPRES:相关

20、压力YENKE:湍流动能2ENDS:湍流动能耗散率2TEMP:温度1DENS:节点流体密度8VISC:节点流体粘性8COND:节点流体导热系数8SPHT:节点流体比热8EVIS:有效粘性 (includes effects of turbulence)8ECON:有效热传导系数 (包括湍流影响)2CMUV:湍流粘性系数2TTOT:停滞温度 (仅对可压缩分析有效)7HFLU:外表面节点的热通量 (每单位面积)1HFLM:外表面节点的热传递1MACH:马赫数 (对于不可压缩分析必须)6PTOT:停滞压力YPCOE:压力系数3YPLU:Y+ 壁面湍流定律参数3TAUW:壁面切向应力3SP0N:N质量

21、分数，,这里 N = 1 to 6 (FLOTRAN).如果种类由用户自定义名称MSSPEC，则用该名称代替SP0N 4LMDN:N类型的层质量扩散系数, where N = 1 to 6. (Only relevant if species defined.)3EMDN:N类型的有效质量扩散系数, where N = 1 to 6. (Only relevant if species defined.)21 温度相关时有效.2 激活湍流时有效.3 必需.4 当定义类型后才有效.5 为可压缩时有效.6 为可压缩和温度相关时有效.7 对于FLOTRAN的固体材料单元, 当其节点与固体节点相连时,

22、Jobname.RFL 文件中的DENS列会记录固体材料的密度和比热。8 当属性可变时有效.9 当KEYOPT(4) = 1时有效.FLUID142 的假设和约束 单元的体积不能为负值或0. 用户必须定义连续的单元。 当用复制节点定义四面体时，FLOTRAN单元将忽略复制单元和几何结构中的I, J, K, M节点。 仅支持线性单元 FLUID142不能也ANSYS的其他单元混用 不是所有ANSYS命令都对FLUID142有效，关于命令集的约束见ANSYS Fluids Analysis Guide 。 FLOTRAN CFD分析可以是高度非线性的。 某些情况下，很难得到收敛解并且需要用到稳定性

23、参数和松弛性参数。 预处理会对高度湍流的问题有帮助，特别是在用了粗糙单元划分时。 用户必须保证湍流和/或可压缩选项是否允许。湍流选项要求在壁面附近有精细网格划分，对于有震荡波出现的地方也建议用精细网格划分。如果在粗糙划分区域有大梯度出现，应当调整划分重新求解。 对于流体分析，特别是湍流，用户不能在壁面附近用金字塔型单元，因为这有可能导致求解的不准确。 对于可压缩流体热分析及R-、R-Z坐标系不允许有Surface-to-surface radiation (RDSF)。以下为公式中的假设： 节点坐标与全局坐标必须保持一致性 在分析中问题区域和有限元划分不能被改变 分析流体必须为单相流体 非流体热传导可以随温度变化，允许各向异性的非流体热传导，更多信息见MP, MPDATA, 及相关命令的描述。 不允许有自由表面。 对于不可压缩选项，根据流体的压力、粘性消散来求解，而在能量方程中忽略动能项。不可压缩能量方程为热输运方程。 对于绝热的情况，停滞温度被假设为常数，静态温度为它减去一个动能项。 FLOTRAN单元不允许有载荷事例操作。FLUID142 产品限制该单元没有产品特殊限制