《CFD软件应》PPT课件.ppt

FLUENT软件 在动力工程中的应用,调查： 各位同学计划用FLUENT模拟哪类问题？,针对求解区域 利用GAMBIT生成计算网格的基本概念和基本技能 利用FLUENT做流动相关问题模拟的基本概念、理论和基本技能 利用FLUENT做结果分析（数值计算后处理）的基本概念和基本技能,课程主要目标,让FLUENT普及为工科研究生的基本工具,课程考核 （FLUENT 大作业 要求） 用FLUENT完成一个实例全过程，并撰写报告 提交纸质报告文档(具体格式见后); 实例的dbs、msh、cas、dat 压缩后发给我，压缩文件名上注明姓名 班级；无论文件大小均通过QQ邮箱的中转功能375260054 第8周交倪老师,报告格式要求 研究的意义：要求论证本算例用FLUENT模拟必要性; 实例介绍，物理结构，物理过程，模拟所要达到的目的，想得到的规律等，模拟工况介绍 构体过程：说明模拟区域是如何确定的，做了哪些近似处理，(图示所构体) 网格划分：为了提高计算精度、求解速度，采用了哪些技巧，最终网格划分情况(图示) 求解过程中模型的选取及其依据，能列出其数学方程更好,报告格式要求 求解器的设置，如差分格式、松驰因子的选取; 模拟结果及分析：单一工况的云图、矢量图、轨迹图，XY-PLOT；多工况之间的比较(二维曲线) 数据的精度分析：有没有可供比较的实验数据或者权威数据，或者可对比选用不同模型对结果的影响 结论,第1讲 计算流体力学基础及FLUENT软件介绍 第2讲 小算例快速演示 GAMBIT的构体技巧及面网格的生成 第3讲 GAMBIT体网格生成及边界条件类型 第4讲 FLUENT的操作界面及其功能、特性介绍 第5讲 FLUENT锅炉煤燃烧实例分析 第6讲 FLUENT泵、传热实例分析 第7章 结果后处理 TECPLOT Oringe,主要内容,安世亚太 /,ANSYS CFX FLUENT,FLUENT 在中国,上海飞昂 北京海基 我校1999年购买1个License，版本Fluent 5.1,最新 ANSYS 14.0 用 ICEM CFD代替GAMBIT,所在行业 ：动力机械 通过瞬态流场分析，找到了流动和结构振动之间的关系，指导设计人员设计出更小噪音的压缩机,CFX模拟空调离心压缩机,所在行业 ：电子电器 CFX中的共扼传热模块对分析这类问题有明显的优势，对风扇来讲，CFX不用用户给出近似模型，而是直接对散热风扇进行详细模拟，这是保证整个模拟结果精确的重要环节,CFX模拟机箱内部散热情况,CFX模拟500 MW电站煤粉锅炉炉内燃烧 CFX模拟的500 MW电站煤粉锅炉炉内燃烧。该锅炉安装了48个旋流稳燃低Nox燃烧器，考虑了平板过热器的影响，结果显示了在燃烧器喷流交叉形成的高温、高氧区，Nox生成速率大。模拟了三种不同的英国煤在不同过量空气系数的工况下燃烧，其中Nox浓度和炉膛出口处的未燃碳与测量值的误差分别在15%和3%以内。此项目得到了英国贸易和工业部的支持,CFX模拟烟气脱硫塔内部的流动和反应 Babcock & Wilcox公司采用CFX模拟的烟气脱硫塔内部的流动和反应，他们以前采用的模型试验需要花费8周时间，大约8万美金，在改用CFX模拟后，能在2周的时间内得到大量详细的对设计有用的信息，费用也降低到1万美金，节约了77的投资,CFX模拟流化床内气泡形成和发展过程 由于和许多工业和大型研究项目的广泛合作，CFX的多相流模型一直处于仿真技术的前列。这些模型可以模拟任何扩散和连续流动的组合，包括液体、固体、气体和化学物质,我校及国内外数值计算的历史发展 传热、流动及燃烧数值计算基本原理 CFD软件介绍 总体应用情况,第一讲 绪言,一、我校及国内外燃烧过程数值计算的历史发展,计算传热学（NHT）发展简史,第一阶段-萌芽初创时期(1965-1974),交错网格 迎风格式 1967年Patankar和Spalding发表了求解抛物型流动P-S方法 1972年SIMPLE算法问世 1974年Thompson适体坐标-网格生成技术,第二阶段-开始走向工业应用阶段（1975-1984),1979年由美国Illinois大学的Minkowycz教授主编的国际刊物Numerical Heat Transfer创刊 1979年Spalding教授及其合作者开发的流动与传热问题的大型通用软件PHOENICS第一版问世 1979年Leonard发表了具有良好稳定性和高精度的QUICK格式 工业界和热科学领域的研究方法也产生改变，由传统的依靠实验，转而采用实验和计算并举的方法。,PC机逐渐成为NHT研究领域的一种重要工具，也使NHT更进一步走向普及。 一批CFD/NHT的商用软件陆续投放市场。PHONICS(1981)、FLUENT(1983)、FIDAP(1983)、FLOW-3D(1991)、COMPACT等等,第三阶段-进一步兴旺发达的近期(1985-至今),目前数值计算向更高的计算精度、更好的区域适应性和更 强的鲁棒性(robustness，健壮性)方向发展。包括：,(1)非结构化网格研究蓬勃发展,(2)高精度格式层出不群,(3)细观数值计算渐渐普及,(4)模型研究不断深入,(5)基于效率和精度的要求，新算法或改进算法不断出现,(6)应用研究不断深入和复杂,我校,炉内燃烧过程数值计算 国家科技进步三等奖,其它院校,清华 浙大 华中 西安交大,国外,英国斯波尔丁 美国帕坦卡 日本古口博,实验与数值计算的结合,在计算传热学的发展过程中，英国帝国理工大学的Spalding进行了开创性的工作。自此之后随着湍流模型、湍流燃烧模型和计算工具和方法的不断发展，流动、传热和燃烧过程的数值模拟也不断得到深化和发展。至今，我们可以完全模拟航空发动机、火箭发动机、柴油发动机、大型锅炉等有反应和传热的内流动过程和外流动过程。,斯波尔丁Spalding,普遍的研究方法 理论、数值与实验相结合,建立物理模型 建立数学模型 数值计算(优越性) 与实验对照 进一步的改进 完善后的数值计算对物理过程的进一步预报,普遍的研究方法 数值与实验相结合,二、传热、流动及燃烧数值计算基本原理,离散化,计算区域离散化,控制方程离散化,用有限的时空点代替连续的、无限的时空点,描述物理过程的复杂的偏微分方程,形成网格,可用于计算机求解的代数方程（差分方程）,计算传热学就是用离散的有限点的状态变量去刻划和近似连续的无限点的真实过程。 这个刻划和近似的依据就是真实过程所应该满足的基本方程。 因此我们计算传热学所得到的解是这样一种形式：,有别于解析解或纯数学手段所给出的解的形式：,CFD NHT,区域离散化,对角直角坐标法,贴体坐标,x,y,曲线坐标 张量分析法,非结构网格,非结构网格, 混合,控制方程离散化,y,x,y,x,控制容积有限元法,控制容积有限差分,有限差分法(Finite Difference Method, FDM) 有限体积法(Finite Volume Method, FVM) 有限元法(Finite Element Method, FEM) 有限分析法(Finite Analytic Method, FAM),把控制方程中的各阶导数用相应的差分表达式来代替,偏微分形式的控制方程离散化,差分格式,对流扩散方程中对流项的离散格式,迎风格式、中心差分格式、混合格式、乘方格式、QUICK格式等,QUICK格式,一阶迎风,SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations）算法，字面意思为求解压力耦合方程的半隐式方法。,SIMPLE系列算法,它的基本思想为：在求解NavierStokes方程时采用压力修正算法，先给定一个压力场（它可以是假定的或是上一层次的计算所确定的），在此条件下按次序求解u和v的代数方程，由此所得到的速度场未必能满足质量守恒的要求，因必须对给定的压力场加以修正。,SIMPLE算法包括各种改进方案是不可压缩流体的NavierStokes方程数值求解中应用非常广泛的算法，并且已成功地应用于可压缩流体的数值计算中。,SIMPLE算法,SIMPLE算法计算步骤 (1)假定一个速度分布，记为u0,v0，以此计算动量离散方程中的系数及常数项； (2)假定一个压力场p*； (3)依次求解两个动量方程，得u* 、v*； (4)求压力修正方程得p； (5)计算修正后的速度场； (6)求解k-方程； (7)将经过修正的压力p作为新的压力给定值p*，返回第一步； (8)重复全过程，直至收敛。,数学模型,紊流模型,完全模拟 大涡模拟 紊流粘性系数法,雷诺(Reynolds)时均方程法,雷诺应力方程法,k-epsilon双方程模型,其它模型,辐射模型、燃烧模型、颗粒相模型、多组分模型 等,基本控制方程,湍流的数值模拟方法,其它一些数值计算基本术语,边界条件 初场 初始化 迭代 松驰因子 残差 收敛、发散,1陶文铨，计算传热学的近代进展，科学出版社 2朱家鲲 著,计算流体力学，科学出版社，1985 3陶文铨 著,数值传热学，西安交通大学出版社，1988.7 4王应时,范维澄，周力行，徐旭常 著,燃烧过程数值计算，科学出版社，1986 5 S.V.帕坦卡(美)著，张政 译，传热与流体流动的数值计算，科学出版社，1984,参考文献,FLUENT流体工程仿真计算实例与应用 作者：韩占忠 王敬 译者：兰小平 出版社：北京理工大学出版社 出版日期：2004-6-11 Fluent技术基础与应用实例(CAD/CAM/CAE实用技术)