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1、A Pera Global Company PERA ChinaANSYS FLUENT 培训教材第一节：CFD简介安世亚太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China什么是 CFD?nCFD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nCFD 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nCFD分析是物理试验的补
2、充，但更节省费用和人力。A Pera Global Company PERA ChinaCFD如何工作?nANSYS 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 VariableContinuity1X momentumuY momentumvZ momentumwEnergy
3、hControlVolume* FLUENT control volumes are cell-centered (i.e. they correspond directly with the mesh) while CFX control volumes are node-centeredUnsteadyConvectionDiffusionGenerationA Pera Global Company PERA ChinaCFD 模拟概览n问题定义1.确定模拟的目的2.确定计算域n前处理和求解过程3.创建代表计算域的几何实体4.设计并划分网格5.设置物理问题（物理模型、材料属性、域属性、边
4、界条件 ）6.定义求解器 （数值格式、收敛控制 ）7.求解并监控n后处理过程8.查看计算结果9.修订模型Problem Identification1.Define goals2.Identify domainPre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.Solver SettingsSolve7.Compute solutionPost Processing8.Examine results9.Update ModelA Pera Global Company PERA China1. 定义模拟目的n你希望得到什么样的结果（例如，压降，流量），你如何使用这
5、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 FORTRANn计算精度要求到什么级别？n你希望多久能拿到结果？nCFD是否是合适的工具？Problem Identification1.Define goals2.Identify domainA Pera Global Company PERA China2. 确定计算域n如何把一个完成的物理系统分割出来？n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
6、件类型合适吗？ 你能把边界延伸到有合适数据的位置吗？n能简化为二维或者轴对称问题吗？Problem Identification1.Define goals2.Identify domainDomain of Interestas Part of a LargerSystem (not modeled)Domain of interestisolated and meshedfor CFD simulation.A Pera Global Company PERA China3. 创建几何模型n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？ 直接创建流体几何模型n
7、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？n你需要切分模型以获得边界条件或者创建域吗？Solid model of a Headlight AssemblyPre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.Solver SettingsA Pera Global Company PERA China4. 设计和划分网格n计算域的各个部分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
8、需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？n哪种类型的网格是最合适的？ 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合适？ 需要使用非一致边界条件吗？n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？PyramidPrism/WedgeHexahedronPre-Processing3.Geometry4.Meshing5.Physics6.Solver SettingsTriangleQuadrilateralTetrahedronA Pera Global Company PERA China四边形/六面体还是三角形/四面体网格n对沿着结
9、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建网格阶段，四边形/六面体网格需要花费更多人力A Pera Global Company PERA China四边形/六面体还是三角形/四面体网格Tetrahedral meshWedge (prism) meshn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n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
10、捕捉边界层 比单独使用三角形/四面体网格更有效A Pera Global Company PERA China多域（或混合）网格n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n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n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 EngineeringA Pera Global Company PERA China非一致网格n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n在其他情况下，也使用非一致网格界
11、面技术 不同坐标系之间 移动网格Non-conformalinterface3D Film CoolingCoolant is injected into a duct from a plenum. The plenum is meshed with tetrahedral cells while the duct is meshed with hexahedral cellsCompressor and ScrollThe compressor and scroll are joined through a non conformal interface. This serves to co
12、nnect the hex and tet meshes and also allows a change in reference frameA Pera Global Company PERA China设置物理问题和求解器n对给定的问题，你需要 定义材料属性 流体 固体 混合物 选择合适的物理模型 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
13、 models and solver settings for your problem in a short amount of time.Pre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.Solver SettingsA Pera Global Company PERA China求解n通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛n以下情况达到收敛： 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 达到全局守恒 全局量的平衡 感兴趣的量（如阻力、压降）达到稳定值 监测感兴趣量的变化.n收敛解的精度和以下因素有关： 合适的物理模型，模型的精度 网
14、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!Solve7.Compute solutionA Pera Global Company PERA China查看结果n查看结果，抽取有用的数据 使用可视化的工具能回答以下问题: 什么是全局的流动类型？ 是否有分离？ 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
15、Examine results to ensure property conservation and correct physical behavior. High residuals may be caused by just a few poor quality cells.Post Processing8.Examine results9. Update ModelA Pera Global Company PERA China修订模型n这些物理模型是否合适？ 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？n这些边界条件是否合适？ 计算域是否足够大？ 边界条
16、件是否合适？ 边界值是否是合理的？n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 Processing8.Examine results9. Update ModelA Pera Global Company PERA ChinaFLUENT 中的物理模型n流动和传热 动量、质量、能量方程 辐射n湍流 雷诺平均模型 (Spalart-Allmaras, k, k, 雷诺应力模型) 大涡模拟 (LES) 和分离涡模拟 (DES)n组分输运n体积反应 Arrhenius 有限速率化学反应 湍流快速化学反应 涡耗散, 非预混, 预混，局部预混
17、 湍流有限速率反应 EDC, laminar flamelet, composition PDF transport 表面化学反应Pressure Contours in Near-Ground FlightTemperature Contours for Kiln Burner RetrofitA Pera Global Company PERA ChinaFLUENT 中的物理模型n多相流模型 离散相模型 (DPM) VOF Mixtures Eulerian-Eulerian and Eulerian-granular Liquid/Solid and cavitation phase
18、changen动网格 Moving zones Single and multiple reference frames (MRF) Mixing plane model Sliding mesh model Moving and deforming (dynamic) mesh (MDM)n用户定义标量输运方程Pressure Contours in a Squirrel Cage Blower (Courtesy Ford Motor Co.)GasoutletOiloutletThree-PhaseInletWateroutletContours of Oil Volume Fracti
19、onin a Three-Phase SeparatorA Pera Global Company PERA ChinaWorkbench 2 中的FLUENT CFDn启动ANSYS Workbenchn在工具栏中拖动Fluid Flow (FLUENT) 到项目栏里A Pera Global Company PERA China读入几何n右键点击 Geometry cell A2 然后选择 Import Geometryn读入几何文件 (CAD 模型或者 DesignModeler .agdb 文件)n你也可以把 FLUENT 和已经存在的 DesignModeler 进程连接起来A Pe
20、ra Global Company PERA China生成网格n右键点击 Mesh cell 然后选择 Edit. Meshing 工具打开，并读入几何n选择Mesh 注意因为网格是从FLUENT中打开的，所以默认优先选择的是 FLUENTA Pera Global Company PERA China定义边界和域n使用 Named selections定义边界名字 选择你想指定名字的面 右键选择 Create Named Selection. 键入名字然后点击 OK.n有时你需要指定流体域和固体域 固体用来计算共轭传热velocity inletA Pera Global Company
21、PERA China设置并运行 FLUENTn编辑 Setup cell 来设置物理问题 边界条件 求解器设置 求解 后处理n求解结束后，结果可以在FLUENT中的post里查看，或者输出到 CFD-Post 中查看 等值线、矢量图 分布图 计算力和力矩 非稳态结果的动画A Pera Global Company PERA ChinaFLUENT 软件演示n启动 FLUENT （假设网格已经生成好了） 设置一个简单的问题 求解流体流动 后处理结果谢谢A Pera Global Company PERA ChinaA Pera Global Company PERA China演讲完毕，谢谢观看！