ansysFLOTRAN培训资料专业知识讲座

FLOTRAN特性、功能和分析步骤

第一章

第1页目标用

FLOTRAN单元描述问题现象讨论

FLOTRAN单元特性解释

CFD术语介绍控制方程讨论求解算法主要顾客注意事项概述May15,2023第2页FLOTRAN模拟FLOTRAN模拟流体流动和热传输求解流体守恒方程（质量和动量守恒）成果为流动分布和压力场对于流体区域也可求解能量方程对于能量方程，分析域可同步具有流体和非流体单元自由度(DOF)速度:VX,VY,VZ压力:PRES湍流(假如需要):ENKE,ENDS物质浓度:SP01…SP06May15,2023第3页二维基本形状三维基本形状三维过渡形状FLOTRAN单元类型和形状二维:Fluid141(三角形和四边形)三维:Fluid142(六面体、四周体、五面体和楔形体)

五面体是四周体和六面体之间所必需过渡单元

单元为线性(无中节点)May15,2023第4页二维直角坐标系(x-y)或极坐标系(r-θ)

轴对称坐标系(有关X轴或Y轴)三维直角坐标系圆柱坐标系:VR,V

必须平行ANSYSXY平面VX(VR);VY(V

);VZ(VZ)rP(r,

)原点yx原点问题域

May15,2023第5页问题域-几何学在选定坐标系中方程得到简化能够利用周期性分界限固定坐标系和旋转坐标系构造化网格或非构造化网格ALE公式使在问题域中预先变化成为也许.ALE公式激活UX,UY,UZ自由度.用此功能施加位移和速度边界条件。May15,2023第6页问题域-坐标系FLOTRAN坐标系设置-命令如下二维:et,1,141,,,1有关Y轴对称et,1,141,,,2有关X轴对称et,1,141,,,3极坐标三维:et,1,142,,,3:柱坐标也能够通过菜单设置AccessedthroughPREP7ElementType>Add/Edit/Delete>OptionsFLOTRANSetupMenu>FlowEnvironment>CoordinateSystemMay15,2023第7页CFD术语我们提供下列定义….

CFD（计算流体动力学）

MachNumber（马赫数）

Turbulentflow（湍流）

Incompressiblefluid（不可压缩流）

Compressiblefluids（可压缩流）

Conjugateheattransfer（共轭热传导）

Distributedresistance（分布阻力）

Periodicboundaries（周期性边界条件）

Multiplespeciestransport（多组份传输）

Newtonianandnon-Newtonianfluids（牛顿和非牛顿流）FreeSurface（自由表面）May15,2023第8页CFD术语

定义CFD计算流体动力学(CFD)取得描述流体运动一组方程式数值解科学（艺术）偏微分方程被离散化成一系列代数方程形式完全耦合系统中矢量X包括了所有自由度。离散网格里中变量是被逐渐求解.在某些实例中，矩阵近似算法会对中间步骤产生影响。May15,2023第9页CFD术语

定义湍流根据Webster新学院字典，湍流定义为“在给定点处速度（压力、温度、组份浓度等）大小和方向不规则变化流体流动”。湍流是一种在剪力作用下，速度，压力，温度和浓度不停变化流动形式这些剪切力使原本有序流动变为有显著混乱旋涡，流动事实上在不停变化流动实际是不停变化，湍流标准上是一种瞬态现象。能够通过时间平均求稳态解.May15,2023第10页湍流当通过时间平均,速度波动为零。波动计算一般是不也许湍流模式用来确定在平均流动上波动影响随时间波动速度2340123456时间(秒))速度(mm/s)实际速度(mm/s)平均速度(mm/s)May15,2023第11页湍流(续)

FLOTRAN缺省用k-ε二方程模型当雷诺数表白出现湍流时,可选

k-ε湍流模型应被激活

雷诺数是一种表达惯性力与粘性力比率无量纲参数.它定义为:式中，ρ是密度、V是特性速度、μ是动态粘性、DH

是特性长度或直径,对于内流一般是水力直径.May15,2023第12页湍流(续)对应于层流和湍流雷诺数范围能够在流体动力学课本、文献、或手册中找到。如下是某些例子:May15,2023第13页CFD术语

定义马赫数马赫数流体速度除以声速.在一般情况下：注：

M>1时为超音速，M<1为亚音速我们在计算之前应估计马赫数大小，方便决定是否激活可压缩流选项。May15,2023第14页CFD术语

定义不可压缩流不可压缩流这包括到动量方程中有关项。假如密度为常数，这些项为零，能够从方程式中略去。这适用于大压力变化只造成较小密度变化流体。

密度变化主要是温度梯度函数而不是压力梯度函数。流体流动主要是不可压缩，甚至在自然对流情况下。May15,2023第15页CFD术语

定义可压缩流可压缩流指是流体密度随压力和温度变化而变化(一般在高速情况下)。静温变为速度和滞止温度函数。

当最大马赫数大于0.3时需考虑可压缩选项.(当然，对许多应用，当马赫数达0.7，仍然可用不可压缩选项.)需要有描述密度状态方程。对许多气体，该方程为抱负气体准则:May15,2023第16页可压缩流选项在可压缩/热力学问题中，根据总能量方程求得总温。静稳从下式求得在超音速流中，经常产生激波(速度和气体性质发生突变).在激波附近区域加密网格将有助于求解.May15,2023第17页CFD术语

定义共扼传热共轭传热对于求解域有流体和固体能量方程式解算（例如流固耦合温度分布）。这些问题一般是“病态”，即矩阵方程求解很困难….May15,2023第18页CFD术语

定义分布阻尼分布阻尼不需要建立详细几何模型而模拟流体动力影响。分布阻力与构造分析中梁单元相同。例如流体流过鳃网、多孔介质、或小障碍物。大型模拟中参数能够通过查手册或者FLOTRAN模拟计算得到有特性情况无特性情况May15,2023第19页CFD术语

定义周期性边界条件周期性边界条件两个边界边界条件完全相同但未知。耦合所有自由度。May15,2023第20页CFD术语

定义多组份传输多组份传输此功能使顾客在几个流体混合时跟踪组份集中程度，由于对流场只能进行单个动量方程求解，故不能模拟化学反应.因此，不能模拟由于密度变化引发两种流体分离.May15,2023第21页CFDTerminology

CFD术语

定义牛顿流和非牛顿流牛顿流应力与应变率之间为线性关系。牛顿流不“记忆”过去设置和变形。

非牛顿流

流体粘性是速度与速度梯度函数.一般牛顿流包括空气和水一般非牛顿流

包括血液、聚和物、泥浆等May15,2023第22页

FLOTRAN单元（续）流体是单相，但也可为多达六种不一样流体或组份混合物可用单元141和142模拟固体和流体热传输，但FLOTRAN单元不能与其他ANSYS单元混合使用守恒法则提供列式基础:质量守恒动量守恒能量守恒对多组份问题还要求解传输方程May15,2023第23页质量守恒讨论

FLOTRAN分析中质量守恒质量守恒方程（或连续方程）与动量守恒方程组合得到一种压力方程。上述连续方程式用下标形式表达(反复下标表达对该项求和)。对二维直角坐标系有:May15,2023第24页扩散项对流项时间有关项源项动量守恒讨论

FLOTRAN分析中动量方程应用FLOTRAN求解完备

Navier-Stokes方程:May15,2023第25页动量守恒（续）附加源项(ßi)（例如仑滋力）能够存在Navier-Stokes方程对于在直角坐标系下二维稳态常数性质流体能够再写为:May15,2023第26页讨论FLOTRAN分析中能量守恒方程应用对不可压缩流，能量方程简化为运输方程:比热能够变化非流体区域密度必须为常数非流体传导率能够为各向异性，也可随温度变化能量守恒May15,2023第27页讨论FLOTRAN可压缩流能量守恒方程应用.对可压缩流，能量方程以总温求解.粘性功、动能和粘性耗散项在高速情况下将较显著.粘性功项动能项粘性耗散可压缩流总能量方程May15,2023第28页讨论FLOTRAN传输方程在多组份分析中应用传输方程只基于对流和扩散过程求解每个组份质量百分比在这些方程中，Yi是第i个组份质量百分比，Di

是第i个组份在混合体中质量耗散系数.注:为确保

N个组份质量系数在任何位置和为1,事实上只有

N-1个方程式求解.组份传输方程May15,2023第29页FLOTRAN分析功能瞬态或稳态流渐变、突变与时间有关边界条件层流或湍流顾客选择不可压缩流或可压缩流牛顿流或非牛顿流可选用PowerLaw、Carreau、Bingham模式允许顾客可编程模式亚音速、跨音速、或超音速流动May15,2023第30页FLOTRAN分析功能(续)内流或外流强迫流或浮力驱动流可变密度不可压缩算法强迫、自由或混合对流换热共轭热传输分布阻力/风扇模型有表面张力自由表面(二维)ALE公式变化问题域添加处理措施来修改网格May15,2023第31页FLOTRAN求解算法特点依次求解控制方程迭代矩阵求解器-对称和非对称迭代求解器与

ANSYS其他模块中求解器是分离内存内求解-通过只存放非零矩阵项使内存要求最小等阶办法(速度-压力)-等阶插值函数简化了边界条件确实定和成果插值流线迎风法-处理非线性对流项缺损办法.这是一种花费不大,有界且稳定办法.(流线迎风

PetrovGalerkin法（SUPG）是一种更精确不过稳定性差一点办法).May15,2023第32页FLOTRAN分析决策制定你必须自己决定流体特性并随后验证这些决定.流体性质随温度变化主要吗?稳态还是瞬态?层流还是湍流?“可压缩”效应主要吗?需建立多大问题求解区域?何处网格最密?虽然CFD技术不停发展将有助于这些决定自动化，但仍然需要工程师理解什么是最主要May15,2023第33页处理次序几何:利用ANSYS生成(PREP7)或者..输入CAD程序(用接口产品!)确定流场被正确输入网格尽也许用网格映射.必须删除部分网格.ICEMCFD网格容易输入到ANSYS.边界条件假如也许尽也许用固体模型边界条件FLOTRAN执行稳定性参数和必要重新起动后处理May15,2023第34页T壁面=20°CT进口H=1P=0绝热壁面q"=0密度=r=998kg/m3粘性=m=1.0(10-3)kg/m-s声速=a=1480m/s例A:V进口=0.1m/s,T进口=95°C例B:V进口=1m/s,T进口=25°C例A和B:

考虑水流过一水道练习对下面例子A到D回答下列问题：1.层流还是湍流?2.可压缩流还是不可压缩流?3.性质随温度变化主要吗?