,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,A Pera Global Company PERA China,A Pera Global Company PERA China,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ANSYS FLUENT,培训教材,第一节：,CFD,1,什么是,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、化学反响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。,2,CFD,如何工作,?,ANSYS CFD,求解器是基于有限体积法的,计算域离散化为一系列控制体积,在这些控制体上求解质量、动量、能量、组分等的通用守恒方程,偏微分方程组离散化为代数方程组,用数值方法求解代数方程组以获取流场解,Fluid region of pipe flow is discretized into a finite set of control volumes.,Equation,Variable,Continuity1,X momentum,u,Y momentum,v,Z momentum,w,Energy,h,Control,Volume*,*,FLUENT control volumes are cell-centered(i.e.they correspond directly with the mesh)while CFX control volumes are node-centered,Unsteady,Convection,Diffusion,Generation,3,CFD,模拟概览,问题定义,确定模拟的目的,确定计算域,前处理和求解过程,创立代表计算域的几何实体,设计并划分网格,设置物理问题（物理模型、材料属性、域属性、边界条件）,定义求解器（数值格式、收敛控制）,求解并监控,后处理过程,查看计算结果,修订模型,Problem Identification,Define goals,Identify domain,Pre-Processing,Geometry,Mesh,Physics,Solver Settings,Solve,Compute solution,Post Processing,Examine results,Update Model,4,1.,定义模拟目的,你希望得到什么样的结果（例如,压降,流量）,你如何使用这些结果？,你的模拟有哪些选择？,你的分析应该包括哪些物理模型（例如,湍流,压缩性,辐射）？,你需要做哪些假设和简化？,你能做哪些假设和简化（如对称、周期性）？,你需要自己定义模型吗？,FLUENT使用UDF,CFX使用 User FORTRAN,计算精度要求到什么级别？,你希望多久能拿到结果？,CFD是否是适宜的工具？,Problem Identification,Define goals,Identify domain,5,2.,确定计算域,如何把一个完成的物理系统分割出来？,计算域的起始和结束位置,在这些位置你能获得边界条件吗？,这些边界条件类型适宜吗？,你能把边界延伸到有适宜数据的位置吗？,能简化为二维或者轴对称问题吗？,Problem Identification,Define goals,Identify domain,Domain of Interestas Part of a LargerSystem(not modeled),Domain of interestisolated and meshedfor CFD simulation.,6,3.创立几何模型,你如何得到流体域的几何模型？,使用现有的CAD模型,从固体域中抽取出流体域？,直接创立流体几何模型,你能简化几何吗？,去除可能引起复杂网格的不必要特征（倒角、焊点等）,使用对称或周期性？,流场和边界条件是否都是对称或周期性的？,你需要切分模型以获得边界条件或者创立域吗？,Solid model of a,Headlight Assembly,Pre-Processing,Geometry,Mesh,Physics,Solver Settings,7,4.,设计和划分网格,计算域的各个局部都需要哪种程度的网格密度？,网格必须能捕捉感兴趣的几何特征,以及关心变量的梯度,如速度梯度、压力梯度、温度梯度等。,你能估计出大梯度的位置吗？,你需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？,哪种类型的网格是最适宜的？,几何的复杂度如何？,你能使用四边形/六面体网格,或者三角形/四面体网格是否足够适宜？,需要使用非一致边界条件吗？,你有足够的计算机资源吗？,需要多少个单元/节点？,需要使用多少个物理模型？,Pyramid,Prism/Wedge,Hex,ahedron,Pre-Processing,Geometry,Meshing,Physics,Solver Settings,Tri,angle,Quad,rilateral,Tet,rahedron,8,四边形,/,六面体还是三角形,/,四面体网格,对沿着结构方向的流动,四边形/六面体网格和三角形/四面体网格相比,能用更少的单元/节点获得高精度的结果,当网格和流动方向一致,四边形/六面体网格能减少数值扩散,在创立网格阶段,四边形/六面体网格需要花费更多人力,9,四边形,/,六面体还是三角形,/,四面体网格,Tetrahedral mesh,Wedge(prism)mesh,对复杂几何,四边形/六面体网格没有数值优势,你可以使用三角形/四面体网格或混合网格来节省划分网格的工作量,生成网格快速,流动一般不沿着网格方向,混合网格一般使用三角形/四面体网格,并在特定的域里使用其他类型的单元,例如,用棱柱型网格捕捉边界层,比单独使用三角形/四面体网格更有效,10,多域（或混合）网格,多域或混合网格在不同的域使用不同的网格类型,例如,在风扇和热源处使用六面体网格,在其他地方使用四面体/棱柱体网格,多域网格是求解精度、计算效率和生成网格工作量之间的很好的平衡手段,当不同域直接的网格节点不一致时,需要使用非一致网格技术。,Model courtesy of ROI Engineering,11,非一致网格,对复杂几何体,非一致网格很有用,分别划分每一个域,然后粘接,在其他情况下,也使用非一致网格界面技术,不同坐标系之间,移动网格,Non-conformal,interface,3D Film Cooling,Coolant is injected into a duct from a plenum.The plenum is meshed with tetrahedral cells while the duct is meshed with hexahedral cells,Compressor and Scroll,The compressor and scroll are joined through a non conformal interface.This serves to connect the hex and tet meshes and also allows a change in reference frame,12,设置物理问题和求解器,对给定的问题,你需要,定义材料属性,流体,固体,混合物,选择适宜的物理模型,湍流,燃烧,多相流等。,指定操作条件,指定边界条件,提供初始值,设置求解器控制参数,设置监测收敛参数,For complex problems solving a simplified or 2D problem will provide valuable experience with the models and solver settings for your problem in a short amount of time.,Pre-Processing,Geometry,Mesh,Physics,Solver Settings,13,求解,通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛,以下情况到达收敛：,两次迭代的流场结果差异小到可以忽略,监测残差趋势能帮助理解这个差异,到达全局守恒,全局量的平衡,感兴趣的量（如阻力、压降）到达稳定值,监测感兴趣量的变化.,收敛解的精度和以下因素有关：,适宜的物理模型,模型的精度,网格密度,网格无关性,数值误差,A converged and mesh-independent solution on a well-posed problem will provide useful engineering results!,Solve,Compute solution,14,查看结果,查看结果,抽取有用的数据,使用可视化的工具能答复以下问题:,什么是全局的流动类型？,是否有别离？,激波、剪切层等在哪儿出现？,关键的流动特征是否捕捉住了？,数值报告工具能给出以下量化结果：,力、动量,平均换热系数,面积分、体积分量,通量平衡,Examine results to ensure property conservation and correct physical behavior.High residuals may be caused by just a few poor quality cells.,Post Processing,Examine results,Update Model,15,修订模型,这些物理模型是否适宜？,流动是湍流的吗？,流动是非稳态的吗？,是否有压缩性效应？,是否有三维效应？,这些边界条件是否适宜？,计算域是否足够大？,边界条件是否适宜？,边界值是否是合理的？,网格是否是足够的？,加密网格能否提高精度？,网格是否有无关性？,是否需要提高网格捕捉几何的细节,Post Processing,Examine results,Update Model,16,FLUENT,中的物理模型,流动和传热,动量、质量、能量方程,辐射,湍流,雷诺平均模型(Spalart-Allmaras,k,k,雷诺应力模型),大涡模拟(LES)和别离涡模拟(DES),组分输运,体积反响,Arrhenius 有限速率化学反响,湍流快速化学反响,涡耗散,非预混,预混,局部预混,湍流有限速率反响,EDC,laminar flamelet,composition PDF transport,外表化学反响,Pressure Contours in Near-Ground Flight,Temperature Contours for Kiln Burner Retrofit,17,FLUENT,中的物理模型,多相流模型,离散相模型,(DPM),VOF,Mixtures,Eulerian-Eulerian and Eulerian-granular,Liquid/Solid and cavitation phase change,动网格,Moving zones,Single and multiple reference frames(MRF),Mixing plane model,Sliding mesh model,Moving and deforming(dynamic)mesh(MDM),用户定义标量输运方程,Pressure Contours in a Squirrel Cage Blower(Courtesy Ford Motor Co.),Gas,outlet,Oil,outlet,Three-Phase,Inlet,Wate