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1、计算流体力学软件计算流体力学软件Fluent培训培训第一讲第一讲 流体力学基础流体力学基础张光学张光学 博士博士Tel:135-7546-4222中国计量学院中国计量学院2022/10/281本次交流学习的目的本次交流学习的目的l对计算流体力学原理有初步了解。l能够使用商用流体力学计算软件Fluent进行简单地计算。l为后续采用Fluent解决工业中实际问题打下基础。2什么是Fluent？Fluent是一款计算流体力学计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件。如何学习Fluent？1.掌握流体力学、传质传热和化学反应动力学等基础知识。2.了解CFD中
2、使用的数值计算方法。3.了解Fluent中各个数值模型的适用范围及各参数含义。4.接下来，可以尝试使用Fluent进行计算了！3交流学习的安排交流学习的安排l第一讲 流体力学基础、传热学基础l第二讲 燃烧学，计算流体力学基础l第三讲 Fluent介绍l第四讲 Fluent应用实例（1）l第五讲 Fluent应用实例（2）4交流学习的安排交流学习的安排l第一讲 流体力学基础、传热学基础l第二讲 燃烧学，计算流体力学基础l第三讲 Fluent介绍l第四讲 Fluent应用实例（1）l第五讲 Fluent应用实例（2）5什么是流体（什么是流体（FluidFluid）？）？固体在静止状态下，能够抵抗一
3、定的压力、拉力和剪切力。流体在静止状态下，能够抵抗一定的压力。静止时，不能抵抗任何剪切力，在剪切力的作用下，会一直发生变形，直到剪切力消失。6流体分类流体分类液体不能维持自身形状，但能够维持自身体积。不易被压缩。气体不但不能维持自身形状，而且不能维持自身体积。容易被压缩。7连续介质假设连续介质假设实际流体是由无数个分子构成，分子与分子间存在间隙，且处于不停的运动中，因此实际流体是不连续的。连续介质假设连续介质假设认为真实流体所占有的空间可近似看作由“流体质点”连续地无空隙地充满着。换一句话说，就是在我们感兴趣的微小尺度内，都包含着无数个流体分子。局限性当特征尺寸远大于分子间隙时，可以认为满足连
4、续介质假设。实际上，在一般的工程问题上，均可以满足。当压力很低的稀薄气体中，分子间距很大，能与感兴趣的特征尺度相比拟。此时，传统的流体力学理论就不适用，必须使用统计力学的方法。8流体的主要物理性质流体的主要物理性质压缩性单位压力下，流体的密度（或体积）的变化率其中，K为体积模量通常，液体的K非常大，例如常温下水的K为2109Pa，当体积减少0.1%时，需要加压2MPa。因此，工程上可近似水等液体是不可压缩的。液体容易被压缩，近似满足理想气体方程9流体的主要物理性质流体的主要物理性质粘度流体内摩擦应力的大小与流体的速度梯度成正比持续变形的流体才能抵抗一定的剪切力！10流体的主要物理性质流体的主要
5、物理性质粘度：动力粘度系数当流体的为常数时，称为牛顿流体。主要受温度影响，基本不受压力影响。一般，液体（如水煤浆、重油）的粘度随温度的升高而降低；气体的粘度随温度的升高而升高。11理想流体理想流体假定流体的粘度为0，则这样的流体称为理想流体。在工程中，一般在边界层（靠近壁面）以外的区域，将实际流体近似成理想流体，带来的误差很小。为什么要提出理想流体？简化计算。在数学上有很多成熟的、严格的解决理想流体运动（势流）的方法。12理想气体方程式理想气体方程式理想气体方程式 PV=nRTP：压力；V：体积；T：温度(K)n:气体的摩尔量；R:气体常数幸运的是，在工程应用范围内，实际气体采用理想气体方程式
6、进行近似可以达到足够的精度。13流体运动的描述方法流体运动的描述方法拉格朗日法拉格朗日法欧拉法欧拉法。14拉格朗日法拉格朗日法该方法着眼于流体内部各质点的运动情况，描述流体的运动形态。任意流体质点的空间位置，将是质点的起始坐标(a,b,c)以及时间t的单值连续函数。采用拉格朗日法时，速度和加速度只需对r进行求导即可，比较方便。15欧拉法欧拉法欧拉法不是着眼于个别流体质点的运动，而是着眼于整个流场的状态，即研究表征流场内流体流动特性的各种物理量的矢量场与标量场。区别拉格朗日法：将坐标原点建立在流体质点上，随流体质点运动。欧拉法：将坐标原理建立在流场中，坐标系不再随流体质点的运动而运动。在流体力学
7、中的应用更为广泛。16欧拉法欧拉法17欧拉法欧拉法欧拉法中，对加速度的求解与拉格朗日法不同。由于坐标不再在流体质点上，因此对加速度必须采用全导数的方法求得，又称物质导数。以x坐标为例：第1项：固定点上的流体质点的加速度，称当地加速度local acceleration，或者unsteady acceleration。第24项：由于流体运动空间位置发生变化产生的加速度，又称迁移加速度（对流加速度，conversion acceleration）18定常流动与非定常流动定常流动与非定常流动定常流动流场内的流动情况不随时间变化而变化。工程中绝大部分稳定运行的可采用定常流动来描述。如：锅炉燃烧、风机运
8、行、化工过程非定常流动流场内的流动情况随时间变化而变化。一般研究瞬态过程时，需要考虑为非定常流动。如锅炉点火过程、风机启动等。19伯努利方程伯努利方程适用条件理想流体；不可压缩；定常流动；质量力仅为重力。沿流线流线方向积分（只有同在流线上的点，才能用伯努利方程表示）20伯努利方程伯努利方程第一项：U2/2g：称为动压头。第二项：P/g+z：称为静压头两者之和：H0：称为总压（total pressure）物理意义：在流线中的各点，动压和静压之间可以相互转化，速度越大，相应的静压越小，而总压保持守恒。是毕托管等测速装置的原理。21三大守恒定律三大守恒定律三大守恒定律指的是：质量守恒、动量守恒和能
9、量守恒质量守恒、动量守恒和能量守恒定律。是流体力学的基础，事实上，只要能够得到满足这三个守恒定律的解，就可以求解任何流体力学问题。直接数值模拟（DNS）即是对这三个守恒定律的直接离散求解，不依赖任何物理模型。为何要有这么多理论模型（如边界层、湍流、层流）？动量方程是非线性的，难以求解。直接数值模拟耗计算时间和内存（目前只能进行到cm、1s级尺度），无法解决工程问题直接数值模拟无法揭示一些物理规律22质量守恒定律质量守恒定律又称连续性方程连续性方程。物理意义流入控制体的质量-流出控制体的质量=控制体自身质量的变化量23质量守恒定律质量守恒定律微分形式的三维流动连续性方程第一项：控制体内流体质量的
10、改变。后三项：流入、流出控制体的流体质量。对于不可压缩流体（为常数）：24动量守恒定律动量守恒定律又称：Navier-Stokes方程（NS方程）物理意义：对于一微元控制体，满足牛顿第二定律，即控制体动量的改变量等于所受的外力。25动量守恒定律动量守恒定律各项物理意义26能量守恒定律能量守恒定律由传热、化学反应和内能变化等引起能量交换总和为零。左边第一项：动能变化左边第二项：内能变化右边第一项：质量力做的功右边第二项：面积力做的功右边第三项：热传导传入的能量最后一项：其他（如化学反应）27守恒定律的归一化守恒定律的归一化前面的三大守恒定律其实可以写成统一的格式物理意义：三大守恒定律具有相同的含
11、义。可以用该公式描述上述三大守恒定律（不同）。好处：统一的格式，使数值计算的编程更方便。湍流、化学反应等模型也可使用该归一化的方程进行求解，大大方便编程。非稳项对流项扩散项源项28守恒定律的归一化守恒定律的归一化。29传热学基础传热学基础只要有温差，就存在传热传热的基本形式热传导对流辐射30热传导热传导(Conduction)(Conduction)傅立叶定律机理：介质不发生位移，而是依靠微观粒子的扩散运动导热系数越大，越容易导热金属是热的良导体，液体次之，气体最差。导热系数导热系数热量31对流换热对流换热(Convection)(Convection)机理：冷热物质由于流动而相互渗透引起的热
12、传递。例子：CPU风扇。分类：自然对流（受热引起浮力）强制对流牛顿冷却公式对流换热系数32热辐射热辐射(Radiation)(Radiation)机理：通过电磁波进行热量传递。如太阳光照射。计算公式注意：热传导和对流均与温度的1次方成正比，而热辐射与温度的4次方次方成正比！高温换热中，热辐射非常重要！如水冷壁。黑度33专题专题湍流/层流边界层流动多相流34专题专题湍流/层流边界层流动多相流35湍流湍流/层流层流雷诺实验雷诺实验层流转折湍流流速增大水流染料36湍流湍流/层流层流流动可分为两种截然不同的形态，层流和湍流湍流。层流分层、有规律的流动，液层之间互不干扰发生在速度较低、粘性较大的情况下湍
13、流流动速度发生无规律的脉动，各层之间流体相互渗透运动发生在流速较高、或粘度较低的情况下37湍流湍流/层流层流层流的本质：微小扰动随时间的进行而衰减湍流的本质：微小的扰动随时间的进行而逐步放大。流动形态主要受两种力控制：粘性力粘性力和惯性惯性力力。粘性力总是抑制扰动的发展（想象一下粘稠的胶水）惯性力是产生扰动的原因38湍流湍流/层流层流因此，是否发生湍流取决于粘性力和惯性力粘性力和惯性力的比值的比值。层流受扰动后当粘性的稳定作用起主导作用时，扰动就受到粘性的阻滞而衰减下来，层流就是稳定的。当扰动占上风，粘性的稳定作用无法使扰动衰减下来，于是流动便变成紊流。流动呈现什么流态，取决于扰动的惯性作用和
14、粘性的稳定作用相互斗争的结果。39湍流湍流/层流层流判别层流/湍流的依据：雷诺数雷诺数(Reynolds Number)，简称Re数定义是流体力学中最重要的一个准则数！速度、密度和特征尺度的乘积，表征惯性力流体粘度，表征粘性力40湍流湍流/层流层流对于管内流动，Re2300，流动转为湍流。能源领域的实际问题中，涉及到的流动基本上都属于湍流。41湍流的数学描述平均速度脉动速度42湍流的数学描述将上次代入到三大守恒定律中，便可求解湍流条件下的流动。由于未知数增加了（原方程中并没有u），方程组便无法封闭。为了使方程封闭，科学家们提出了各种湍流模型。其本质就是：使包含脉动速使包含脉动速度的守恒方程组封
15、闭度的守恒方程组封闭。43常用的湍流模型湍流模型大致分为三类湍流输运系数模型湍流输运系数模型雷诺应力模型雷诺应力模型大涡模拟大涡模拟44常用的湍流模型湍流输运系数模型湍流输运系数模型基于Boussinesq假设：将速度脉动的二阶关联量表示成平均速度梯度与湍流粘性系数的乘积。物理意义：将湍流作为一种粘性力来看待，称为湍流粘度。有零方程模型、单方程模型和双方程模型其中双方程模型在工程中应用非常广泛Standard k-RNG k-Realizable k-45常用的湍流模型雷诺应力模型雷诺应力模型（Reynolds-Stress Model）抛弃了湍流输运系数的概念，直接建立湍流应力和其它二阶关联
16、量的输运方程。求解雷诺应力张量的各个分量的输运方程仍采用湍流输送模型中的“湍流粘性系数”46常用的湍流模型大涡模拟大涡模拟（Large-Eddy Simulation）前两类是以湍流的统计结构为基础，对所有涡旋进行统计平均。大涡模拟把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通过求解三维经过修正的Navier-Stokes方程，得到大涡旋的运动特性，而对小涡旋运动还采用上述的模型。动量、能量、质量及其它标量主要由大涡输运，流动特性主要在大涡中体现小尺度涡旋受几何和边界条件影响较小，并且各向同性47常用的湍流模型人48专题专题湍流/层流边界层流动多相流49边界层(Boundary layer)边界层概念边
17、界层概念Prandt提出：绕固体的流动可分为两个区域：(1)物体附近很薄的一层(边界层)，此处摩擦力其主要作用；(2)该层外的区域，这里摩擦力可以忽略不计。事实上，与主流区相比，事实上，与主流区相比，边界边界层极薄层极薄！因此忽略边界层求解出的流场因此忽略边界层求解出的流场与实际流场非常接近。与实际流场非常接近。50边界层(Boundary layer)一般规定边界层外边界处的速度为外部势流速度的99%。根据Re的不同，边界层可由层流发展为湍流边界层。51边界层示例V=10m/s放大52边界层示例可见，边界层非常薄。53边界层示例54专题专题湍流/层流边界层流动多相流55多相流多相流定义：包含
18、多种物相的流体物系。领域锅炉内流动、燃烧流化床煤粉制备、输送SNCR还原剂与烟气混合56多相流多相流稀相多相流颗粒相在气相中的浓度较低颗粒相主要受气相影响，而气相基本不受颗粒相的影响。也就是说，颗粒相的存在对气相流场的影响不大。可用单向耦合的方法计算。密相多相流颗粒相在气相中的浓度较高颗粒对气相运动影响很大必须采用双向耦合的方法计算57颗粒相的受力颗粒相的受力重力、浮力阻力阻力（Drag force）压力梯度力虚假质量力颗粒周围粘性流体跟随颗粒运动产生的惯性力，仿佛颗粒质量增加了Basset力颗粒加速时，颗粒周围粘性流体的速度也随之变化，因而产生附加力与虚假质量力不同，该力是由非定常运动引起的
19、，与时间项有关Magnus升力由于颗粒旋转产生的力Saffmann升力当颗粒存在横向速度梯度时，即使不旋转也会产生升力工程问题中最重要的力58球形颗粒阻力球形颗粒阻力阻力计算公式当Re1，阻力计算式（stokes公式）为59球形颗粒阻力曲线球形颗粒阻力曲线60进阶读物进阶读物流体力学工程流体力学，华中科技大学，2000年流体力学，清华大学，1999年传热学传热学，高等教育出版社，杨世铭，2006fundamentals of heat and mass transfer ,Incropera,6th edition多相流工程气固多相流动的理论及计算，岑可法,1990两相与多相流动力学，郭烈锦,200261交流学习的安排交流学习的安排l第一讲 流体力学基础、传热学基础l第二讲 燃烧学，计算流体力学基础l第三讲 Fluent介绍l第四讲 Fluent应用实例（1）l第五讲 Fluent应用实例（2）62谢谢大家！谢谢大家！问题？63