数值模拟在软件上的应用

数值模拟在软件上的应用第1页，课件共27页，创作于2023年2月实验研究理论分析数值模拟研究流体运动规律的三种基本方法第2页，课件共27页，创作于2023年2月连续性方程为：三种基本方法的比较方法优点缺点实验研究1.结果真实可信2.理论研究和数值方法的基础1.受模型尺寸、人身安全、测量精度等限制2.耗费人力、物力、财力3.周期长理论分析1.结果具有普遍性2.指导实验、验证数值计算1.抽象和简化计算对象2.非线性方程，很难给出解析结果数值模拟1.克服了实验研究和理论分析的缺点2.形象地再现流动情景程序的编制及资料的收集、整理，很大程度上依赖于经验与技巧第3页，课件共27页，创作于2023年2月数值模拟连续性方程为：连续性方程：任何流体运动规律的基础：动量方程：能量方程：一组非线性偏微分方程获得这些偏微分方程的精确解析解：很难第4页，课件共27页，创作于2023年2月计算流体力学（CFD）看作是流动基本方程控制下对流动的数值模拟。通过计算机数值计算和图形显示，对包含有流体运动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。CFD的基本思想：把原来在时间、空间坐标中连续的物理量的场（如速度场、温度场、浓度场等），用有限个离散点上的值的集合来代替，按一定方式建立起关于这些值的代数方程（称为离散方程）并求解之，以获得物理量场的近似值。第5页，课件共27页，创作于2023年2月数值解法很好地利用了离散的概念。常用的离散化方法：有限差分法、有限元法和有限体积法。Fluent是基于有限体积法的，是目前CFD应用最广的一种方法，将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积积分，从而得到一组离散方程。离散化方法第6页，课件共27页，创作于2023年2月数值解法的基本思路与步骤

数值解法的思路与步骤第7页，课件共27页，创作于2023年2月

通俗理解1.建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型，建立针对控制方程的数值离散化方法。

2.前处理，建立坐标，构建几何体，网格划分，确定边界条件的类型。

构体和网格划分技巧3.程序计算，选取模型，输入初始条件，确定边界条件、设定控制参数。经验取值；与2有反复修正的过程4.后处理，显示计算结果，以图表展示，判断分析结果的准确性和质量。第8页，课件共27页，创作于2023年2月PHOENICS：世界上第一套计算流体动力学与传热学的商用软件。CFX：第一个通过ISO9001质量认证的商业CFD软件，英国AEATechnology公司开发，2003年被ANSYS收购。Fluent：继PHOENICS之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件，美国Fluent公司于1983年推出，2006年被ANSYS收购。目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一，用C语言编写。STAR-CD，FIDAP等软件。

常用的CFD软件第9页，课件共27页，创作于2023年2月前处理器：主要负责网格的生成。

FLUENT划分网格的途径有两种：用FLUENT提供的专用网格软件GAMBIT进行网格划分由其他的CAD软件完成造型工作，再导入GAMBIT中生成网格，如Pro/E、SolidWorks、Solidedge等。求解器：流体计算的核心，所有计算在此完成。后处理器：Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。Origin、Tecplot等也是比较专业的后处理器，可以把一些数据可视化。

Fluent软件包第10页，课件共27页，创作于2023年2月安装Exceed：Exceed是在Windows环境下模拟的UNIX软件，因为Gambit必须在UNIX环境下才可以运行。安装Gambit，拷贝Licence到Gambit.Inc/license目录下。安装Fluent，拷贝Licence到Fluent.Inc/license目录下。如需要卸载，以相反的顺序卸载即可。

Fluent软件包的安装第11页，课件共27页，创作于2023年2月.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：.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。.jou文件：日志文档，可以编辑运行。

Fluent软件包的文件形式第12页，课件共27页，创作于2023年2月利用Fluent软件进行求解的步骤：（1）运行Gambit，确定几何形状，构造几何体，输出.dbs文件（2）生成计算网格，输出.msh文件（3）运行Fluent软件，选择合适的解算器：2D（二维单精度）、3D（三维单精度）、2DDP（二维双精度）、3DDP（三维双精度）。（4）输入网格，即读入.msh文件（5）检查网格网格检查是最容易出的问题是网格体积为负数。如果出现负体积，计算就不可以进行。第13页，课件共27页，创作于2023年2月利用Fluent软件进行求解的步骤：（6）选择解算器的格式Fluent提供3种不同的解格式：分离解、隐式耦合解、显式耦合解。分离解是按顺序解连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程，耦合解是同时解。隐式和显式解法的区别在于线性耦合方程的方式不同。（7）选择需要解的基本方程层流还是湍流（或者无粘流）、化学组分还是化学反应、热传导模型等。（8）指定材料物理性质（9）指定边界条件第14页，课件共27页，创作于2023年2月利用Fluent软件进行求解的步骤：（10）调节解的控制参数（松弛因子、限值、一、二阶、迭代误差等）设定松弛因子：计算流体力学中要求解非线性方程，求解过程中控制变量的变化可以通过松弛因子来实现，来控制变量在每次迭代中的变化，从而控制收敛的速度并改善收敛的状况。等于1，相当于不用松弛因子；大于1，为超松弛因子，加快收敛速度；小于1，为欠从弛因子，改善收敛的条件。Fluent里面用的是欠松弛，在0～1之间，越小表示两次迭代值之间变化越小，也就越稳定，但收敛也就越慢。第15页，课件共27页，创作于2023年2月利用Fluent软件进行求解的步骤：（11）保存设置，输出.cas文件（12）初始化流场需要初始化流场提供一个初始解。可以从一个或者多个边界条件算出初始解，也可以分别输入流场的数值。初始化流场有时候对于后面计算的影响很大，需要依靠经验选择最佳的边界，设定合理的数值，进行初始化。（13）开始计算输入迭代步数，报告步长等。计算过程中，有选择性地观察残差，调整相关系数，使得残差趋于平稳，并达到规定的残差值，保证收敛。收敛是一个很重要的问题，一般达到收敛，才可以认为计算结束。第16页，课件共27页，创作于2023年2月利用Fluent软件进行求解的步骤：（14)检查结果速度、温度、浓度分布的等值线、矢量图(15)保存结果，输出.dat文件(16)根据需要进行后处理，利用Oigin、Tecplot等软件完善温度分布图、速度分布场、烟气成分场等等。必要的话，可以细化网格，改变数值以及物理模型。第17页，课件共27页，创作于2023年2月网格化分

GAMBIT软件既可以采用结构化网格，也可以采用非结构化网格。对于不同问题，可以划分二维的三角形和四边形网格，三维的四面体网格、六面体网格、金字塔型网格、楔型网格，以及由上述网格类型构成的混合型网格。结构化网格生成速度快、质量好、结构简单，但只适用于形状规则的图形，因此使用的范围比较窄。对于结构复杂的几何结构，可以选用非结构化网格，降低了划分的难度，但是会减慢收敛速度、降低准确性。在Gambit中，只有map和submap生成的是结构化网格，其余均为非结构化网格。第18页，课件共27页，创作于2023年2月网格化分GAMBIT提供了以下面网格划分Type选项。选项详细说明Map生成一个普通的结构化网格单元网格Submap将一个不可图示的面分成可图示区域并在每个区域生成结构化网格单元网格Pave生成非结构化网格单元网格TriPrimitive将一个三侧面分成三个四边形区域并在每个区域生成可图示的网格WedgePrimitive在楔形面的尖部生成三角形网格单元并从尖部向外生成放射状网格第19页，课件共27页，创作于2023年2月网格化分

如上所述，每个Elements选项与上面列举的一个或者多个Type选项相关联。下表中显示了每个面网格划分Elements和Type选项之间的关系。（注意：由“X”标记得阴影单元代表允许选项的组合。）ElementsTypeQuadTriQuad/TriMapX

XSubmapX

PaveXXXTriPrimitiveX

WedgePrimitive

X第20页，课件共27页，创作于2023年2月Fluent模拟效果图

煤粉炉低NOx燃烧器第21页，课件共27页，创作于2023年2月算例1.冷、热水混合器内部二维流动一个冷、热水混合器的内部流动与热量交换的问题。温度为T=350K的热水自上部的热水小管嘴流入，与自下部右侧小管嘴流入的温度为290K的冷水在混合器内进行热量与动量的交换后，自下部左侧的小管嘴流出。混合器结构如图所示。第22页，课件共27页，创作于2023年2月算例冷、热水混合后的出流口冷水入口，T=290K,V=10m/s热水入口，T=350K,V=10m/s第23页，课件共27页，创作于2023年2月算例冷、热水混合器内的三维流动与换热冷水和热水分别自混合器的两侧沿水平切向方向流入，在容器内混合后经过下部渐缩通道流入等径的出流管，最后流入大气。这是一个三维流动问题，所研究的内容是混合器内的流场、压力分布和温度场。混合器结构如图所示：第24页，课件共27页，创作于2023年2月算例热水入