FLUENT技术基础与应用实例

FLUENT技术基础与应用实例，互相学习，互相研究。顶顶顶Fluent技术基础与应用实例多孔介质流动。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。12软件包相关知识121 Fluent软件的组成Fluent软件设计基于CFD软件群的思想,从用户需求角度出发,针对各种复杂流动和物理现象,采用不同的离散格式和数值方法,以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合,从而可以高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想, Fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件,用于模拟流体流动、传热传质、化学反应和其他复杂的物理现象,各模拟软件都采用了统一的网格生成技术和共同的图形界面,它们之间的区别仅在于应用的工业背景不同,因此大大方便了用户。Fluent的软件包由以下几个部分组成。(1)前处理器: Gambit用于网格的生成,它是具有超强组合建构模型能力的专用cFD前置处理器。 Fluent系列产品皆采用Funt公司自行研发的 Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格。另外,TGid和 filters( Translators)是独立于 Fluent的前处理器,其中Tgrid用于从现有的边界网格生成体网格, Fillers可以转换由其他软件生成的网格从而用于 Fluent计算。与 Filters接口的程序包括 ANSYS、 I-DEAS、 NASTRAN、 PATRAN等。(2)求解器:它是流体计算的核心,根据专业领域的不同,求解器主要分以下几种类型Fluent45:基于结构化网格的通用CFD求解器。Fluent6216:基于非结构化网格的通用CFD求解器。· Fidap:基于有限元方法,并且主要用于流固耦合的通用CFD求解器。· Polyflow:针对粘弹性流动的专用CFD求解器。● Mixin:针对搅拌混合问题的专用CFD软件。● Icepak:专用的热控分析CFD软件(3)后处理器: Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。另外, Tecplot也是一款比较专业的后处理器,可以把一些数据可视化,这对于数据处理要求比较高的用户来说是一个理想的选择。在以上介绍的 Fluent软件包中,求解器 Fluent6.216是应用范围最广的,所以在以后的章节中我们会对它进行详细的介绍。这个求解器既可使用结构化网格,也可使用非结构第1章 Fluent概述化网格。对于二维问题,可以使用四边形网格和三角形网格;对于三维问题,可以使用六面体、四面体,金字塔形以及楔形单元,具体的网格形状见图1-1。 Fluent6216可以接受单块和多块网格,以及二维混合网格和三维混合网格三角形网格,四边形网格二维网格六面四面体三维网格金字塔形网楔形网格格图1-1Funt使用的网格的形状1.22各软件之间的协同关系如图1-2所示,最基本的流体数值模拟可以通过以上软件的合作而完成: UG/AutoCAD属于 CAD/CAE软件,用来生成数值模拟所在区域的几何形状;Tgid和 Gambit是把计算区域离散化,或网格的生成,其中 TGrid可以从已有边界网格中生成体网格,而 Gambit自身就可以生成几何图形和划分网格的; Fluent求解器是对离散化且定义了边界条件的区域进行数值模拟; Tecplot可以把从 Fluent求解器导出的特定格式的数据进行可视化,形象地描述各种量在计算区域内的分布。UG/AutoCadGirdGambitFLUENTec图1-2各软件之间的关系图Fluent技术基础与应用实例13 Fluent软件包的安装及其运行由于 Fluent软件包安装的特点,有必要详细地介绍它的具体安装步骤和注意事项1.3.1 Fluent软件包的安装介绍安装步骤之前,先简单介绍一下 Exceed。 Exceed是在 Windows环境下模拟的UNIX软件, Gambit是 Fluent的前处理软件,用来为 Fluent建立计算区域及其区域内的网格划分,但是 Gambit必须在UNX环境下才可以运行。Fluent的安装顺序如下(1)安装 Exceed推荐安装 Exceed6.2版本。2、(2)安装 Gambit。单击 Gambit的安装,按照提示就可以完成安装,推荐安装 Gambit30。(3)安装 Fluent。单击 Fluent的安装文件,按照提示就可以完成安装,推荐安装 Fluent6,2,16。般来说, Fluent和 Gambit的安装推荐使用默认安装设置。当按照以上的安装步骤安装完毕以后,还要对 Fluent和 Gambit的环境变量进行设置。“开始”→“程序”→ Fluent Inc products→ Fluent6.2.16→ Set environment,单击Setenvironment,就会进入如图1-3所示的对话框。单击“是”按钮就设置好了 Fluent的环境变量。Fluent Inc. EnvironmentThe following modi ficati ons will be made to your environment.FLUENT INC=c: \Eluent, incPATH appended with c: \fluent inc\ntbin\ntxB6Hodi fy environment?是Y否Q图1-3系统提示设置 Fluent的环境变量选择“开始”→“程序”→ Fluent Inc products→ Gambit22.30→ Set environment,单击Set environment,进入如图1-4所示的对话框,单击“是”按钮就设置好了 Gambit的环境变量。另外,注意以上两种环境变量设置好后需要重启系统,否则仍会提示找不到环境变量第1章 Fluent概述Fluent Inc. EnvironmentThe following modifications will be made to your ervirewhaatFLUEIT IID=c: \fluent inePATH appended wi th e: \fluent ine\ntbinintxB6Hodi Ey environment?是①否)」图14系统提示设置 Gambit的环境变量1.32 Fluent软件包的运行Fluent的运行:按照路径“开始”→“程序”→ Fluent Inc products→ Fluent6.2.16→ Fluent62.16,或者利用桌面的快捷方式。Gambit的运行:先运行命令提示符,输入 gambit,回车就可以启动 Gambit,如图1-5所示。运行腰序:弃或 Internet资翻名打开@》:图取消浏但图1-5 Gambit的运行如果在 Gambit的使用过程中非正常退出,下次运行就会出现不能打开 Gambit的现象,此时进入C: Documents and Settings XxX把*lok文件删除即可,其中xx是用户名。另外,在运行 Fluent软件包时,会经常遇到以下形式的文件。jou文件:日志文档,可以编辑运行。dbs文件: Gambit工作文件,若想修改网格,可以打开这个文件进行再编辑。msh文件: Gambit输出的网格文件。cas文件:是msh文件经过 Fluent处理以后得到的文件。dat文件: Fluent计算数据结果的数据文件。14 Fluent的简单实例为了对 Fluent数值模拟步骤及其后处理能力有个简单的了解,下面给出一个简单的用Fluent进行计算的实例。Fluent技术基础与应用实例1.4.1实例简介下面介绍模拟如图1-6所示管道内速度场的操作过程。其中,管道的宽度远远大于它的高度,所以侧壁对整个速度场的影响比较小,可以对速度场的模拟进行简化。简化以后的数值模拟区域如图1-7所示,这仅仅是原来管道在z=0处的XY截面,它可以看作为槽道,其长度L=50mm,高度H=1mm。注意长宽比L/>10,这是槽道内流体充分流动的必要条件,设槽道入口处水流速度为0.1ms。图中的黑色圆点标志几何区域的控制点,利用这些控制点就可以确定计算区域的几何形状,O点为坐标原点。图1-6矩形截面管道示意图出口进口图1-7流体计算区域示意图142实例分析当利用 Fluent解决某一工程问题时,要详细考虑以下几个问题:(1)确定计算目标。从CFD模型中需要得到什么样的结果(速度场、温度场等)?从模型中需要得到什么样的精度?(2)选择计算模型。所遇到的问题是否能够简化?计算区域如何界定?使用什么样的边界条件?什么类型的网格拓扑结构更加适合解决所遇到的问题?(3)确定物理模型。无粘还是有粘?层流还是湍流?定常还是非定常?可压流还是不可压流?是否需要应用其他的物理模型?(4)确定解的程序。是否使用默认解的格式与参数值?采用哪一种求解格式可以加快收敛?估计得到收斂解需要的时间?143实例操作步骤前面提到的槽道问题是简单的二维问题,流动为层流,无热传导,不需考虑其他特殊第1章 Fluent概述的物理模型。对于这个问题,首先用 Gambit画出计算区域,并对计算区域进行离散,再对边界条件类型进行指定,得到相应问题的计算模型。然后利用 Fluent求解器对模型进行求解。最后用 Tecplot对感兴趣的结果进行处理,得到需要的图表或图片。1.利用 Gambit建立计算区域和指定边界条件类型步骤1:文件的创建及其求解器的选择(1)启动 Gambit软件Gambit设置好环境变量以后,可以选择“开始”→“运行”打开如图1-8所示的对话框,单击“确定”按钮。接着又会弹出如图1-9所示的对话框,单击Run按钮可以启动 Gambit软件,它的窗口布局如图1-10所示。a Gambit startup运行Working Duectary C\ecuments and Sattimgslakbrous通清键入程序高数打克包的名Session idnew sessiona Windows打开@):定[取消[Q)图1-8启动 Gambit图1-9 Gambit Startup对话框GABIT Solver: FLIERT H/6 n2s defanLt idI 1764回国回回EaIPaIFTAcyy中19-2m, PHinE Ine All richa Et看rv图110 Gambit窗口的布局Fluent技术基础与应用实例2)建立新文件选择File→New打开如图1-11所示的文件创建对话框Create Hew sessionID: channelTitlen Save current sessIon图1-11建立新文件在D文本框中输入 channel作为 Gambit要创建的文件名。Tile是对这个文件的描述,可以随意填写。需要注意的是,要选中 Save current session复选框(呈现红色)才可以创建新文件。然后单击 Accept按钮,出现如图1-12所示的关于确认保存文件对话框。PromptOK to save current session 7Yes图1-12确认保存文件对话框单击Yes按钮,创建一个名为 channel的新文件。(3)选择求解器创建完新文件后,需要选择对应的求解器。求解器选择可以通过单击主菜单中的 Solver进行。从图1-13所示的子菜单可以看出,系统有很多种求解器类型。本例的槽道速度场是利用 Fluent求解器进行求解的,所以在子菜单中选择 FLUENT/6步骤2:创建控制点选择 Operation h-Geometry回→ Vertex打开如图114所示的对话框。Cpate Rpal vertexFDAPFLUENT/UNSTyPeCartesianFLUENT5币GlobalFLUENT 4RAMPANT笑:HEKTONyPOLYFLOWiFLOWZARDLabelANSYSGeneric图1-13求解器类型图1-14点创建对话框第1章 Fluent概述在 Global选项区域内的x、y和z坐标对应的三个文本框中,依次输入其中一个控制点的坐标(各个控制点的坐标可以参考图1-7得到),然后单击 Apply按钮,就可以在 Gambit图形窗口中出现这个控制点。若是在创建某一点时,该点没有显示出来,可以单击 Gambit右下角的按钮来解决这个问题。重复上述点的创建操作,就可以在图形窗口中绘制出所有的控制点,如图1-15所示。可以按住鼠标右键并且上下拖动来缩放图形。x图1-15槽道控制点示意图步骤3:创建边为了了解每个控制点的名称,单击窗口右下角即图1-16中的回按钮,从而可以得到如图1-17所示的对话框。Specify Display AltnbutesJ GroupH Voluma FacesE器p vertices日.LuC. SysAl I+Gichal ConirolSidley silhouette On v Of还國盛H Meshd Rende口图d Lower topoReset图1-16 Global Control图117 Specify Display Attributes对话框单击 Label选项前面的按钮, Label被选中,并且Lbe后面的On也要选中,然后单击 Apply按钮,就可以看到前面绘制的各个控制点名称(如图1-18所示)。若想消除名称的显示,只要选中Labe后面的Of,然后单击 Apply按钮即可。