FLUENT_计算步骤

1、第二章 FLUENT 计算步骤曹双华 主讲07/03 本章通过计算一个二维弯管中的湍流流动和热传导过程再次演示FLUENT 的求解过程，在这个算例中可以看到FLUENT 计算的标准流程，其中包括：（1）如何读入网格文件。（2）如何使用混合的单位制定义几何模型和物质属性。（3）如何设定边界条件和和物质属性。（4）如何初始化计算并用残差曲线监视计算进程。（5）如何用分离求解器计算流场。（6）如何用FLUENT 的图形显示功能检查流场。（7）如何用二阶精度离散格式获得更高精度的流场。（8）以温度梯度为基准调整网格以提高对温度场的计算精度。2.1 问题概述 如图2-1 所示温度为26的冷流体流过弯管温

2、度为40的热流体从转弯处流入，并与主流中的冷流体混合。管道的尺寸如图2-1 所示，单位为英寸，而边界条件和流体材料性质则采用国际单位制。入口处的雷诺数为2.03 x 105，因此必须使用湍流模型。图2-1 弯管流动图示2.2 处理网格 网格处理包括网格的输入、检查、光顺、比例转换和显示等操作。 2.2.1 读入网格文件首先启动FLUENT 的2D 版，然后读入网格文件elbow.msh：File - Read - Case. 2.2.2 检查网格 执行下列菜单操作，进行网格检查： Grid - Check 此时控制台窗口中会显示与网格有关的信息，包括网格空间范围、体积信息、表面积信息、节点信息

3、等等。其中最需要检查的是网格单元的体积不能为负值，否则计算将无法继续下去。 2.2.3 光顺并转换网格 执行下列菜单操作，打开Smooth/Swap（网格光顺和转换）面板：Grid - Smooth/Swap. 光顺网格可以提高网格质量，提高计算精度。在启动光顺/转换网格面板后，点击Smooth（光顺）按钮，然后再点击Swap（转换）按钮，控制台上将报告被转换网格的数量。反复点击Smooth（光顺）按钮和Swap（转换）按钮，直到报告中被转换（Swap）的网格数量降低为零，则网格光顺处理过程结束。图2-2 Smooth/Swap Grid（光顺/转换网格）面板 2.2.4 按比例调整网格 执行

4、下列菜单操作，打开Scale Grid（按比例调整网格）面板： Grid - Scale.图2-3 Scale Grid（按比例转换网格）面板 在Units Conversion（单位转换）下面的Grid Was Created In 列表中选择in（英寸）作为网格创建数据单位。 点击Scale（比例）按钮进行比例计算。注意在计算域范围（Domain Extents）中，网格的单位显示仍然是国际单位制中的m（米）。 点击Change Length Units（改变长度单位）按钮，可以将英寸变为长度单位，同时可以从面板下方计算域范围中看到x、y 坐标的最大值改变为64 英寸。 2.2.5 显示网

5、格 执行下列菜单操作，打开Grid Display（网格显示）面板，如图2-4 所示：Display - Grid. 选择所有表面，然后点击Display（显示）按钮，FLUENT 随即打开一个新的显示窗口显示网格，如图2-5 所示。 用右键点击图形显示窗口中的一个边界，则与这个边界相关的信息就会显示在控制台窗口中。在网格区域很多时，用这种方法可以比较方便地分辨各个区域。图2-4 Grid Display（网格显示）面板图2-5 网格显示2.3 计算模型图2-6 Solver（求解器）面板2.3.1 设置求解器参数执行下列菜单操作，打开Solver（求解器）面板：Define - Models

6、-Solver.求解器的缺省设置如图2-6 所示，本算例中可以保持这些缺省参数设置。 2.3.2 选择湍流模型 执行下列菜单操作，打开Vicous（粘性）面板，如图2-7 所示：Define-Models-Viscous. 在Model 列表中选择k-epsilon (2 eqn)，即k 两方程模型。 点击OK 按钮接受系统对k 模型的缺省设置，包括标准模型设置、壁面函数设置和湍流模型常数的设置等等。图2-7 粘性模型面板 2.3.3 启用能量方程计算 执行下列菜单操作，打开Energy（能量）面板，并激活能量计算，如图2-8 所示：Define-Models-Energy.图2-8 能量方程

7、面板2.4 定义材料性质创建一种新的物质，命名为water（水），并设置相关参数。首先执行下列菜单操作，打开Materials（材料）面板，如图2-9 所示：Define - Materials.在Name中键入材料名称water，然后设定水的各种物理性质，其中Density为1000kg/m3， Cp为4216J/kg-K，thermal conductivity为0.677W/m-K，viscosity为8x10-4kg/m-s。最后点击Change/Create按钮完成创建过程。在FLUENT 提示是否用新的材料数据覆盖air 的数据时，点击NO 按钮予以否认。实际上FLUENT 的材料

8、性质数据库中已经存在水的数据，因此也可以简单地将相关数据直接从Database（数据库）中调入，如果个别数据与前面的数据有出入，可以直接在面板上进行修改。设置完毕后，关闭Materials（材料）面板。图2-9 Materials（材料）面板2.5 定义边界条件 打开边界条件面板，如图2-10 所示：Define - Boundary Conditions. 2.5.1 设定流体条件 在Zone（区域）列表中选择fluid-9，Type（类型）列表中相应地反白显示为fluid（流体）。 点击Set.（设置）按钮打开Fluid（流体）面板，如图2-11 所示。在Material Name（材料名

9、称）列表中选择water（水），点击OK 按钮结束设置过程。图2-10 边界条件面板图2-11 Fluid（流体）面板 2.5.2 设置速度入口边界条件。 （1）设置velocity-inlet-5 上的边界条件。在Zone列表中选择velocity-inlet-5，然后点击Set. 按钮，进入速度入口设置面板，如图2-12 所示。在Velocity Specification Method（速度定义方法）中，选择Components（分量形式）定义速度，然后将X-Velocity（X 向速度分量）设为0.2m/s。将Temperature设为293K。在Turbulence Specific

10、ation Method中，选择Intensity and Hydraulic Diameter（强度和水力直径）定义湍流，然后将Turbulence Intensity（湍流强度）设为5，将Hydraulic Diameter（水力直径）设为32in。点击OK 按钮结束对velocity-inlet-5 的设置。图2-12 Velocity Inlet（速度入口）面板 （2）设置velocity-inlet-6 上的边界条件，方法同上，相关参数如下：Y-Velocity（Y 向速度分量）为1.0m/s，temperature（温度）为313K，Turbulence Intensity（湍流强

11、度）为5，Hydraulic Diameter（水力直径）为8in（英寸）。 2.5.3 设置压强出口边界条件 pressure-outlet-7 上的压强出口边界条件的相关参数为，图2-13：表压0 pascal，回流总温为300KBackflow Direction Specification Method为Normal to BoundaryTurbulence Specification Method为Intensity and Hydraulic DiameterBackflow Turbulence Intensity为5，Backflow Hydraulic Diameter为3

12、2in。图2-13 Pressure Outlet（压强出口）面板 2.5.4 壁面条件设置 壁面wall-4 的边界条件保持缺省设置，其中Heat Flux（热流通量）的值为0。壁面wall-8也保持缺省设置。2.6 求解过程 参数设置完毕并检查无误后，即可以开始流场计算。 2.6.1 初始化 执行下列菜单操作打开Solution Intialization（求解初始化）面板，如图2-14 所示：Solve-Initialize-Initialize. 在Compute From（计算起始于）列表中选择velocity-inlet-5，然后在Y Velocity中加入0.2m/sec，点击I

13、nit初始化，最后点击Close关闭。图2-14 Solution Initialization面板 2.6.2 设置残差监视器 执行下列菜单操作，打开Residual Monitors（残差监视器）面板：Solve-Monitors-Residual. 在Options（选项）下选择Plot（绘图），点击OK 按钮关闭面板。图2-15 Residual Monitors面板 2.6.3 保存算例文件 执行下列菜单操作保存算例文件：File-Write-Case. 2.6.4 打开迭代面板 执行下列菜单操作，打开Iterate（迭代）面板：Solve - Iterate. 将Number of

14、 Iterations）设为100，点击Iterate开始计算。在开始计算时残差监视器将同时被打开。 2.6.5 监视收敛过程 图2-16 是计算进行到第60 步时残差曲线的走势。因为没有普适的收敛判断标准，所以在观察残差曲线时，不要仅仅监视残差曲线下降的数量级，最好同时能够监视相关流场变量的变化情况。图2-16 残差监视器 简单地说，可以用三种方法判断计算是否已经收敛： （1）观察残差曲线。可以在残差监视器面板中设置Convergence Criterion（收敛判据），比如设为10-3，则残差下降到小于10-3 时，系统既认为计算已经收敛并同时终止计算。 （2）流场变量不再变化。有时候不论

15、怎样计算，残差都不能降到收敛判据以下。此时可以用具有代表性的流场变量来判断计算是否已经收敛如果流场变量在经过很多次迭代后不再发生变化，就可以认为计算已经收敛。 （3）总体质量、动量、能量达到平衡。 在Flux Reports（通量报告）面板中检查质量、动量、能量和其他变量的总体平衡情况。通过计算域的净通量应该小于0.1%。Flux Reports（通量报告）面板如图2-17 所示，其启动方法为：Report - Fluxes图2-17 Flux Reports（通量报告）面板 2.6.6 保存数据文件 执行下列菜单操作保存数据文件：File - Write - Data2.7 显示计算结果 2

16、.7.1 等值线显示 执行下列菜单操作，启动Contours（等值线）面板，如图2-18 所示：Display - Contours. 首先显示速度值的填充等值线。在Contours of 下的列表中选择Velocity 和Velocity Magnitude（速度值），然后在Options下面选择Filled最后点击Display显示速度的等值线。 用同样的方法可以显示温度、压强等变量的等值线图。图2-18 Contours（等值线）面板图2-19 速度值的等值线图 2.7.2 显示矢量图 除了等值线图，还可以用矢量图观察流场中的速度矢量。 首先执行下列菜单命令，启动Vectors（矢量）面

17、板：Display - Vectors. 在Vectors of 下选择Velocity，然后点击Display就可以在不改变缺省设置的情况下显示速度矢量图。 如果对显示效果不满意，可以在Vectors面板中修改显示设置，包括改变Scale（比例）和Style（风格）。 如果计算的是三维问题，则需要先在Surfaces下选择一个显示面，才能进行显示，显示的结果是速度矢量在这个面上的投影。图2-20 Vectors（矢量）面板图2-21 速度矢量图 2.7.3 XY 曲线显示 出口处的温度变化可以用XY 曲线形式予以显示。首先启动Solution XY Plot面板：Plot - XY Plot

18、. 在Y Axis Function下面的列表中选择Temperature.和Static Temperature作为Y 轴变量，在Surfaces列表中选择pressure-outlet-7，点击Plot，则静温在出口处的分布曲线就显示在图形窗口中。用同样方法还可以显示压强等变量在出口、入口等处的分布曲线。 2.7.4 定义场函数 定义动压头的场函数。首先启动Custom Field Function Calculator（场函数计算器）面板：Define - Custom Field Functions. 将新函数的名称加入New Function Name栏，然后根据动压头的定义公式进行公式