基于FLUENT软件的气体扩散模拟.ppt

FLUENT技术应用-气体扩散模拟,主要内容：,一、FLUENT简介二、基本理论三、GAMBIT介绍四、FLUENT模拟过程五、气体扩散研究现状,一、FLUENT简介,FLUENT是FLUENT公司开发用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的CFD软件，在2006年被ANSYS公司收购。采用了多种求解方法和多重网格加速收敛的技术，能达到最佳的收敛精度。灵活的非结构化网格和基于求解精度的自适应网格及成熟的物理模型，使FLUENT在层流、湍流、传热、化学反应、多相流等领域取得了显著成效。,1.1基本构成,1.1基本构成,(1)FLUENT求解器FLUENT软件的核心，所有计算在此完成。(2)prePDFFLUENT用PDF模型计算燃烧过程的预处理软件。(3)GAMBITFLUENT提供的网格生成软件。(4)TGRIDFLUENT用于从表面网格生成空间网格的软件。(5)过滤器或者叫翻译器，可以将其他AD/CAE软件生成的网格文件变成能被FLUENT识别的网格文件。,1.2计算类型及应用领域,(1)任意复杂外形的二维/三维流动。(2)可压、不可压流。(3)定常、非定常流。(4)无粘流、层流和湍流。(5)牛顿、非牛顿流体流动。(6)对流传热，包括自然对流和强迫对流。(7)热传导和对流传热相耦合的传热计算。(8)辐射传热计算。(9)惯性(静止)坐标、非惯性(旋转)坐标下中的流场计算,1.2计算类型及应用领域,(10)多层次移动参考系问题，包括动网格界面和计算动子/静子相互干扰问题的混合面等问题。(11)化学组元混合与反应计算，包括燃烧模型和表面凝结反应模型。(12)源项体积任意变化的计算，源项类型包括热源、质量源、动量源、湍流源和化学组分源项等形式。(13)颗粒、水滴和气泡等弥散相的轨迹计算，包括弥散相与连续项相耦合的计算。(14)多孔介质流动计算。(15)用一维模型计算风扇和换热器的性能。(16)两相流，包括带空穴流动计算。(17)复杂表面问题中带自由面流动的计算。,FLUENT应用,1.3软件的安装,EXCEEDhs-h1032hs-h3d32注意：安装该软件时需要将系统时间改为2005年1月，安装之后在改为正常的系统时间。GAMBITFLUENT,主要内容：,一、FLUENT简介二、基本理论三、GAMBIT介绍四、FLUENT模拟过程五、气体扩散研究现状,2.1流体基本特征,可压流体和不可压流体密度为常数的流体为不可压流体。定常和非定常流动流动的物理量不随时间变化的为定常流动。层流，过渡流和湍流Re2300时，为层流；Re800012000时，为湍流；2300Re8000时，为过渡流。,2.2基本控制方程,连续方程动量方程能量方程,2.3湍流模型,Spalart-Allmaras模型k-e模型标准k-e模型重整组(RNG)k-e模型带旋流修正k-e模型k-模型标准k-模型剪应力传输k-模型雷诺应力模型大漩涡模拟模型,2.3.1Spalart-Allmaras模型,Spalart-Allmaras模型是相对简单的方程。它包含了一组新的方程，在这些方程里不必要去计算和剪应力层厚度相关的长度尺度。Spalart-Allmaras模型是设计用于航空领域的，主要是墙壁束缚流动。,2.3.2标准k-e模型,标准k-e模型是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。是一种双方程模型，体现了湍流脉动对时均流场的输运作用，基本上可用于无旋或弱旋而无浮力的回流流动。它的基本思想是把决定湍流粘性系数的主要特征量作为微分方程的因变量，即建立以湍流脉动动能和混合长度为因变量的微分方程，从而体现流场中对流和扩散作用的影响。,2.3.3重整组(RNG)k-e模型,RNGk-e模型是通过使用了一种叫“renormalizationgroup”的数学方法从瞬态N-S方程中推出的。解析性是由它直接从标准k-e模型变来，但是有以下改进：RNGk-e模型在方程中加了一个条件，有效的改善了精度。RNGk-e理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域这些特点使得RNGk-e模型比标准k-e模型在更广泛的流动中有更高的可信度和精度。,2.3.4带旋流修正k-e模型,带旋流修正的k-e模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。带旋流修正的k-e模型的一个不足是在计算旋转和静态流动区域时不能提供自然的湍流粘度。,2.3.5标准k-模型,标准k-模型预测了自由剪切流传播速率，像尾流、混合流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射，可以应用于墙壁束缚流动和自由剪切流动。,2.3.6剪应力传输k-模型,改进：将标准k-模型和变形了的k-e模型都乘以一个混合函数并相加，该混合函数在近壁面时为1，使标准k-模型有效，远离壁面时为0，使变形了的k-模型有效。SSTk-模型合并了来源于方程中的交叉扩散。湍流粘度考虑到了湍流剪应力的传播。模型常量不同这些改进使得SSTk-模型比标准k-模型在广泛的流动领域中有更高的精度和可信度。,2.3.7雷诺应力模型(RSM),雷诺应力模型考虑了流线型弯曲、漩涡、旋转和张力快速变化，对于复杂流动有更高的精度预测的潜力。但是这种预测仅仅限于与雷诺压力有关的方程。压力张力和耗散速率被认为是使RSM模型预测精度降低的主要因素。,2.3.8大漩涡模拟模型,目前计算机的计算能力仍对数值模拟紊流时所采用的网格尺度提出了严格的限制条件。人们可以获得尺度大于网格尺度的紊流结构，但却无法模拟小于该网格尺度的紊动结构。大涡模拟的思路是：直接数值模拟大尺度紊流运动，而利用次网格尺度模型模拟小尺度紊流运动对大尺度紊流运动的影响。LES被戏称为“穷人的DNS”。,几种湍流模型的对比,从计算的角度看Spalart-Allmaras模型在FLUENT中是最经济的湍流模型，虽然只有一种方程可以解，但是模型的稳定性比较差。由于要解额外的方程，标准k-e模型比Spalart-Allmaras模型耗费更多的计算机资源。带旋流修正的k-e模型比标准k-e模型稍微多一点。由于控制方程中额外的功能和非线性，RNGk-e模型比标准k-e模型多消耗1015%的CPU时间。k-e模型，k-模型都是两个方程的模型，所以计算时间相同。,比较一下k-e模型和k-模型，RSM模型因为考虑了雷诺压力而需要更多的CPU时间。然而高效的程序大大的节约了CPU时间。RSM模型比k-模型和k-模型要多耗费5060%的CPU时间，还有1520%的内存。除了影响每步迭代的时间，湍流模型的选择也影响FLUENT计算的收敛能力。标准k-e模型是专为轻微的扩散设计的，RNGk-e模型是为高张力引起的湍流粘度降低而设计的。湍流模式理论无法准确模拟大涡结构，因此在需要模拟大涡结构时，只能采用LES方法。,2.4燃烧模型,有限速率模型。非预混燃烧模型。预混燃烧模型。部分预混燃烧模型。PDF输运燃烧模型。,2.4.1有限速率模型,层流有限速率模型使用Arrhenius公式计算化学源项，忽略湍流脉动的影响。这一模型对于层流火焰是准确的，但在湍流火焰中Arrhenius化学动力学的高度非线性，这一模型一般不精确。对于化学反应相对缓慢、湍流脉动较小的燃烧，如超音速火焰可能是可以接受的。该模型还可以应用于气体的泄露扩散过程的模拟。,2.4.2非预混燃烧模型,非预混燃烧适用于燃料和氧化剂分别来自不同入口的情况，也就是说燃料和氧化剂在燃烧前没有进行过混合，这就是所谓“非预混”的含义。非预混燃烧计算中使用统一的混合物浓度作为未知变量进行求解，计计算速度比有限速率化学反应模型要快。但是非预混燃烧计算需要流场满足一定的条件，即流场必须为湍流，化学反应过程的驰豫时间非常短，燃料、氧化剂必须来自不同的入口等等。,2.4.3预混燃烧模型,预混燃烧即燃烧前燃料和氧化剂已经充分混合了的燃烧。预混燃烧的火焰传播速度取决于层流火焰传播速度和湍流对层流火焰的相干作用。湍流中的旋涡结构可以使火焰锋面发生变形、起皱，并进而影响火焰传播速度。在预混燃烧中，燃烧反应的反应物和燃烧的生成物被火焰区截然分开。,2.4.4部分预混燃烧模型,部分预混燃烧模型是非预混燃烧模型和预混燃烧模型的综合体，计算中火焰锋面的位置用过程变量c计算，在锋面后面(c=1)是已燃的混合物，锋面前面(c=0)则是未燃的混合物。部分预混燃烧模型适用于混合物混合不充分的燃烧计算。,2.4.5PDF输运燃烧模型,PDF输运模型用概率密度函数法模拟湍流流动，可以模拟火焰的点火过程和火焰的消失过程，但是PDF输运模型消耗的系统资源很大，因此计算中不应该使用太多的网格点，最好将计算限于二维情况。PDF输运模型计算仅能用分离算法进行，并且不能用于模拟变化的热传导过程。,选择反应模型的一般方法,(1)对于涉及到化学反应、混合和输运过程的，或者反应发生在壁面或弥散相粒子表面的，采用有限速率化学反应模型。(2)在计算湍流火焰扩散问题时，如果燃料和氧化剂是从多个不同入口进入流场，则可以使用非预混模型。(3)对于所有反应物都均匀混合在一起的情况，可以使用预混燃烧模型。(4)在火焰为预混火焰，而等价比(equivalenceratio)变化的问题，应该采用部分预混燃烧模型。(5)如果在湍流火焰的计算中必须考虑有限速率化学反应的话，可以使用层流模型，或组合物PDF输运模型。,2.5prePDF模拟,为保持计算时间最小，非预混模型中多数的计算通过在FLUENT模拟以外用单独代码预处理化学计算并进行PDF积分，这称为prePDF。在进行prePDF计算时，需要输入混合分数富限值。其思想是：对于瞬时混合分数超过，FLUENT就假定燃烧反应熄灭，未燃燃料与产物，氧化剂等物质共存。,混合分数富限值计算,在简单化学反应系统中，反应满足燃料流(F)、氧化剂流(O)和产物流(P)的化学平衡，在化学当量比条件下，用符号表示为：其中，r为质量基础上的空气燃料比混合分数一般情况下，混合分数富限值为化学当量混合分数的1.52倍。,2.6辐射模型,辐射是燃烧中重要的传热方式，对整个系统参数的影响体现在能量平衡方程中代表辐射传热的源项之中。FLUENT中的辐射模型有Rosseland，P1，DiscreteTransfer(DTRM)和多表面辐射SurfacetoSurface(S2S)及离散坐标DO(DiscreteOrdinates)模型。DO离散坐标算法特别适合进行流动、燃烧和传热过程的计算。,主要内容：,一、FLUENT简介二、基本理论三、GAMBIT介绍四、FLUENT模拟过程五、气体扩散研究现状,三、GAMBIT介绍,GAMBIT借助功能灵活，完全集成的和易于操作的界面，显著减少CFD应用中的前置处理时间。复杂的模型可直接采用GAMBIT的固有几何模块生成，或从主流的CAD/CAE系统中直接读入数据。GAMBIT软件高度自动化的网格生成工具可生成结构化网格、非结构化网格、多块网格、或混合网格，保证了最佳的网格生成。,Pre-processor:Gambit,Asingle,integratedpre-processorforCFDanalysis.GeometrycreationMeshgenerationMeshqualityexaminationBoundaryzoneassignment,GAMBIT界面,GraphicswindowMainmenubarOperationtoolpadFormfieldGlobalControltoolpadDescriptionwindowTranscriptwindowCommandtextbox,1GraphicsWindow,2MainMenuBar,FileEditSolverHelp,3OperationToolpad,GeometryMeshZonesTools,4FormField,5GlobalControlToolpad,6DescriptionWindow,7TranscriptWindowandCommandTextBox,几何模型建立,对于较简单的模型，可以在GAMBIT中直接建立对于复杂的模型，首先使用其他CAD/CAE软件进行建模，然后导入GAMBIT中。,对于复杂模型，可以使用程序化语言Jou文件,主要内容：,一、FLUENT简介二、基本理论三、前处理GAMBIT介绍四、FLUENT模拟过程五、气体扩散研究现状,4.1用FLUENT程序求解问题的步骤,(1)根据所求解的问题，运用前处理软件Gambit建立几何模型。Gambit包含全面的几何建模能力和功能强大的网格划分工具，可以通过多种方式直接建立点、线、面、体，而且具有强大的布尔运算能力，能够生成结构化网格、非结构化网格、多块网格、或混合网格，也可以划分出包含边界层的高质量网格。对于复杂的模型可直接采用Gambit的固有几何模块生成，或从CAD/CAE软件(如Pro/ENGINEER，SolidWorks)中直接读入数据。,(2)选择求解器及求解方法。(3)选择计算模型。也就是确定是否考虑传热，流动是无粘、层流或是湍流，计算过程中是否存在化学组分变化和化学反应等。(4)设置材料属性。Fluent中材料属性的设置通过Material面板进行设置，可以创建新的材料，或者从全局数据库复制材料，也可以修改材料的属性。,(5)设置边界条件。边界条件是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随位置和时间变化的规律，只有给定了边界条件的问题，才能够计算出流场的解。因此，边界条件是问题有定解的必要条件。(6)初始化。根据初始条件对流场进行初始化设置。,(7)扩散过程求解。(8)显示和输出结果。在获得流场中各个计算节点上的解后，可采用线值图、矢量图、等值线图、流线图、粒子轨迹图、云图等方式对计算结果进行表示。Fluent中可以动态模拟流动效果，直观地了解流场的计算结果。对流场计算结果也可以使用Tecplot，Matlab等软件对数据结果进行处理。,4.2FLUENT求解器,(1)FLUENT2D二维单精度求解器(2)FLUENT2ddp二维双精度求解器(3)FLUENT3D三维单精度求解器(4)FLUENT3ddp三维双精度求解器,4.3FLUENT求解方法的选择,非耦合求解；耦合隐式求解；耦合显式求解非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动耦合求解方法则可以用在高速可压缩流动。FLUENT默认设置是非耦合求解，但对于高速可压流动，或需要考虑体积力(浮力或离心力)的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法求解能量和动量方程，可较快地得到收敛解。缺点是需要的内存比较大(是非耦合求解迭代时间的1.5-2.0倍)。如果必须要耦合求解，但机器内存不够时，可以考虑用耦合显式解法器求解问题。该解法器也耦合了动量，能量及组分方程，但内存却比隐式求解方法小。缺点是收敛时间比较长。,基本的边界类型,4.4FLUENT边界条件的确定,外部面一般:Pressureinlet,Pressureoutlet不可压:Velocityinlet,Outflow可压:Massflowinlet,Pressurefar-field特殊:Inletvent,outletvent,intakefan,exhaustfan其它:Wall,Symmetry,Periodic,Axis单元、区域FluidandSolid相交面Fan,Interior,PorousJump,Radiator,Walls,inlet,outlet,wall,interior,Orifice_plateandorifice_plate-shadow,4.4FLUENT边界条件的确定,（1）速度入口条件：在入口边界给定速度和其他标量属性的值。（2）压强入口条件：在入口边界给定总压和其他标量变量的值。（3）质量流入口条件：在计算可压缩流时，给