计算流体动力学软件Fluent简介优质PPT.ppt

1、有限差分法有限元法有限体积法,1 计算流体动力学及Fluent概述,1.1 概念,目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：有限差分法（Finite Difference Method,FDM）一种求偏微分（或常微分）方程和方程组定解问题的数值解的方法，简称差分方法。基本思想是先把问题的定义域进行网格剖分，然后在网格点上，按适当的数值微分公式把定解问题中的微商换成差商，从而把原问题离散化为差分格式，进而求出数值解。Matlab、FLAC3D/2D等,1 计算流体动力学及Fluent概述,1.1 概念,目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：有限元法（亦称有限单元法）（Finite Ele

2、ment Method,FEM）将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。Ansys、Abaqus、ls-dyna、nastran等,1 计算流体动力学及Fluent概述,1.1 概念,目前在工程领域内常用的数值模拟方法和软件有：有限体积法（Finite Volume Method,FVM）将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分 方程对每一个控制体积积分，便得出一组

3、离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定 值在网格点之间的变化规律，即假设 值 的分段的分布的分布剖面。Fluent、CFX、Star-CD等前处理软件：Gambit、ICEM、Hypermesh等后处理软件：Fieldview、Ensight、Tecplot等,1 计算流体动力学及Fluent概述,1.1 概念,理论:传热学流体力学应用数值方法（插值、迭代）燃烧学张量分析泛函分析（变分原理）高等数学（场论、微分方程）线性代数（矩阵、行列式）,软件：常用软件的教程、视频软件的HELP文档实例操作练习,类比：,需要学习哪些内容？,1 计算流体动力学及Flu

4、ent概述,1.1 概念,什么是CFD？,CFD是计算流体动力学（Computational fluid dynamics）的缩写，是预测流体流动、传热传质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方程组质量守恒方程动量守恒方程能量守恒方程组分守恒方程体积力等等CFD 分析一般应用在以下阶段:概念设计产品的详细设计发现问题改进设计CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。,本质上是对控制方程的求解,未知函数,u,v,w,p,T自变量t,x,y,z,1 CFD软件Fluent简介,1.1 概念,CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不

5、可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在层流与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM CFD。,什么是Fluent？,1 CFD软件Fluent简介,1.2 Fluent用户界面（以15.0版本为例）,1 CFD软件Fluent简介,1.3 Fluent软件的发展历史,1975年 谢菲尔德大学（UK）开发了Tempe

6、st1983年 美国的流体技术服务公司creature推出Fluent1988年 Fluent Inc.成立1995年 收购最大对手FDI公司（FIDAP）1997年 收购Polyflow公司（粘弹性和聚合物流动模拟）2006年 被ANSYS收购在被ANSYS收购后为6.3版本2009年6月发布12.0版本2010年底发布13.0版本2011、2013、2015年底分别发布14.0、15.0、16.0版本,1 CFD软件Fluent简介,1.4 Fluent软件的基本功能,可压缩与不可压缩流动问题稳态和瞬态流动问题无粘流、层流及湍流问题牛顿流体及非牛顿流体对流换热问题（包括自然对流和混合对流）

7、导热与对流换热耦合问题辐射换热惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟,1 CFD软件Fluent简介,1.4 Fluent软件的基本功能,多运动坐标系下的流动问题化学组分混合与反应可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒、水滴、气泡等）多孔介质流动一维风扇、热交换器性能计算两相流问题复杂表面形状下的自由面流动,1 CFD软件Fluent简介,1.5 计算流体动力学的工作流程,2 Fluent应用领域成果概览,2.1 Fluent模拟气泡的破碎和凝聚,计算域几何如下图所示。采用如图所示的圆柱形容器。气泡从底部inlet入口进入，从outlet出口流

8、出。几何尺寸如图所示。Fluent的附加模型population balance model可以用于计算气泡流的破碎及汇聚。本例使用欧拉多相流配合PBM模型模拟气泡在流动过程中的破碎及凝聚现象。,计算模型,2 Fluent应用领域成果概览,2.1 Fluent模拟气泡的破碎和凝聚,计算之后可以观察气泡粒径分布云图等，如图左所示为气泡粒径分布。也可以查看整个计算域空间不同粒径气泡数量直方图分布（右图）。,粒径分布,不同粒径气泡数量分布,2 Fluent应用领域成果概览,2.2 Fluent模拟晃动,实现原理有两个关键：（1）运动加载（2）VOF模型。这一个极其简化的模型，完全封闭，二维。1、运动

9、的加载。利用UDF来实现，采用DEFINE_TRANSIENT_PROFILE宏来设置区域整体运动。2、选择模型选择VOF模型，设置空气为主相，水为第二相。,结果,模拟结果,2 Fluent应用领域成果概览,2.3 Fluent滑移网格模拟区域运动,实现目标：杯子中装满水，现在以速度1rad/s延续1s钟使杯子倾斜1rad，观察5s钟内水的变化情况。涉及到内容包括：（1）分界面几何模型的建立。涉及到多几何体的创建，主要是各部分模型网格的组装问题。（2）区域运动的指定。在本例中主要是指定运动区域的旋转速度。需要注意的是旋转中心与旋转方向的设定。（3）多相流的使用。本例中使用的是VOF模型。,计算

10、结果,2 Fluent应用领域成果概览,2.4 隧道排放产生CO的扩散,本例模拟的是产生的CO气体在隧道中排放后，CO气体的扩散情况。,模拟结果,2 Fluent应用领域成果概览,2.5 发动机缸盖冷却的热固耦合模拟,Fluent可以应用于燃烧、热交换热对流领域，如机械发动机内汽油（柴油）的燃烧模拟、发动机散热模拟。本例模拟的是发动机缸盖的冷却。,模拟结果,模型网格划分,2 Fluent应用领域成果概览,2.6 大桥抗风性能,本例所示是Fluent在建筑行业的应用，可以应用于建筑行业的消防设计、建筑风场指标要求、建筑温度要求等。下图所示是模拟桥梁的抗风性能模拟。,2 Fluent应用领域成果概

11、览,2.7 推进系统模拟的网格和压力系数,发动机推进系统的网格和压力系数分布云图如下图所示：,模型的网格划分,模型的压力系数,3 Fluent在矿业安全中的应用介绍,3.1 煤矿综放工作面高位钻孔瓦斯治理,3.1.1 煤矿综放工作面几何模型建立,为了方便建模及简化计算，设煤层产状为水平分布，将采空区近似为三维矩形梯台，并将进风巷、回风巷以及工作面假设为长方体。其尺寸分别为：进风巷、回风巷为长宽高=20m4m4m；工作面尺寸为长宽高=100m4m4m；采空区尺寸为：长宽高=150m100m80m；裂隙场距离煤层底板高度为35m。岩石的碎胀系数取决于岩石的性质和所处的位置，为了达到良好的模拟效果，

12、将矩形梯台划分为15个区域。模型如下页所示。,3 Fluent在矿业安全中的应用介绍,3.1 煤矿综放工作面高位钻孔瓦斯治理,3.1.1 煤矿综放工作面几何模型建立,未抽采模型三维立体图,未抽采模型三维透视图,3 Fluent在矿业安全中的应用介绍,3.1 煤矿综放工作面高位钻孔瓦斯治理,3.1.1 煤矿综放工作面几何模型建立,顶板高位钻孔抽采模型透视图,顶板高位钻孔抽采模型线框图,根据高位钻孔的布置参数，顶板高位钻孔布置在双U的外U中，开孔位置距离回风巷平距为20m，开孔高度为4m。模拟不考虑钻场距离工作面的距离，主要分析高位钻孔影响下的瓦斯运移规律。布置高位钻孔后的模型图如下：,3 Flu

13、ent在矿业安全中的应用介绍,3.1 煤矿综放工作面高位钻孔瓦斯治理,3.1.2 煤矿综放工作面几何模型网格划分,未抽采模型网格划分示意图,顶板高位钻孔抽采模型网格划分示意图,对模型划分网格，由于网格划分的数量和方式对计算的速度和结果有直接的影响，所以对模型的不同区域进行了分别划分。未抽采模型划分了805552个节点，778794个网格。抽采模型划分了21555437个节点，10627904个网格。如下：,3 Fluent在矿业安全中的应用介绍,3.1 煤矿综放工作面高位钻孔瓦斯治理,3.1.3 工作面采空区瓦斯分布数值模拟 未抽采条件下,工作面采空区的三维立体瓦斯浓度分布如下图所示：,工作面

14、采空区瓦斯浓度分布立体图,3 Fluent在矿业安全中的应用介绍,3.1 煤矿综放工作面高位钻孔瓦斯治理,3.1.3 工作面采空区瓦斯分布数值模拟 抽采条件下,工作面采空区的三维立体瓦斯浓度分布如下图所示：,工作面采空区瓦斯浓度分布立体图,3 Fluent在矿业安全中的应用介绍,3.2 采场爆破烟尘分布规律数值模拟,3.2.1 采场爆破烟尘运动几何模型,文中采场的几何模型以西石门铁矿南二采区采场作为研究对象，并根据现场实际情况和数值模拟的需要，将现场条件进行了一定的简化。简化后模型及尺寸如下：1）联巷和进路断面视为宽3.5m、高3.2m的三心拱，走向长度各为11m、10m，联巷一端连向斜坡道视为进风侧，另一端通向回风井视为回风出流侧；2）对采场工作面简化成水平递进开采，忽略忽略内部空间的障碍物影响；3）巷道、采场四周的壁面、地板和顶板简化为具有粗糙度的平面边界。,3 Fluent在矿业安全中的应用介绍,3.2采场爆破烟尘分布规律数值模拟,3.2.1采场爆破烟尘运动几何模型建立,采场几何模型,3 Fluent在矿业安全中的应用介绍,3