CFD技术及应用实验指导书

《CFD技术及应用》课堂实验指导书课程中文名称：CFD技术及应用课程英文名称：CFDTechnologyandApplication课程编号：021060400适用专业：新能源科学与工程学时数：32学分数：2课程类别：专业课程应开课学期：第七学期实验一：ANSYSICEMCFD网格划分实验类型：操作实验学时：2实验要求：1人/组一、实验目的1．掌握ANSYSICEMCFD软件流体网格划分的步骤和方法；2．掌握ANSYSICEMCFD软件流体结构化网格的划分思想、方法和适用条件；3．掌握ANSYSICEMCFD软件流体非结构化网格的划分方法和适用条件。二、实验内容1．ANSYSICEMCFD操作基础；2．ANSYSICEMCFD结构化网格划分；3．ANSYSICEMCFD非结构化网格划分；4．ANSYSICEMCFD网格检查和导出。三、仪器设备(1)局域网多媒体微机实验室；(2)ANSYSICEMCFD17.0或ANSYS17.0以上版本的软件四、实验原理、方法、手段和步骤1．实验原理ANSYSICEMCFD是一种专业的CAE前处理软件。拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。同时作为ANSYS家族的一款专业分析环境，还可以集成于ANSYSWorkbench平台,获得Workbench的所有优势。ANSYSICEMCFD中六面体网格划分采用了由顶至下的“雕塑”方式，可以生成多重拓扑块的结构和非结构化网格。整个过程半自动化，使用户能在短时间内掌握原本只能由专家进行的操作。采用了先进的O-Grid等技术。2．实验方法和步骤(1)熟练ANSYSICEMCFD19.0的工作界面；(2)使用ICEMCFD软件进行简单的几何模型构建，并能够用ICEMCFD软件导入复杂的几何模型；(3)根据参考教材中二维平面模型结构化网格的划分步骤和方法，自己上机操作并熟练掌握；(4)根据参考教材中三维空间模型结构化网格的划分步骤和方法，自己上机操作并熟练掌握；(5)根据参考教材中二维和三维模型非结构化网格的划分步骤和方法，自己上机操作并熟练掌握。五、实验结果处理(1)使用ICEMCFD软件，采用O-Grid技术，绘制二维平面模型的结构化网格；(2)使用ICEMCFD软件，采用O-Grid技术，绘制三维立体模型的结构化网格；(3)使用ICEMCFD软件，绘制二维和三维模型的非结构化网格并导出适用于FLUENT软件的网格。六、实验注意事项1．实验采用教师课堂演示、学生上机操作的实验方式；2．上机实验前，学生应认真预习有关的实验内容；3．学生完成实验后须撰写实验报告；七、预习与思考题1．基于ICEMCFD软件采用O-Grid技术划分结构化网格的主要思想是什么?2．ICEMCFD软件划分结构化网格的难点在哪里?3．ICEMCFD软件划分结构化网格的注意事项有哪些？实验二：ANSYSFLUENT软件基本操作实验类型：操作实验学时：2实验要求：1人/组一、实验目的1．掌握ANSYSFLUENT软件的基本操作流程；2．掌握ANSYSFLUENT软件模拟工程流体流动和传热的基本方法和步骤；3．掌握ANSYSFLUENT软件的后处理方法。二、实验内容1．ANSYSFLUENT操作基础；2．ANSYSFLUENT工作流程；3．ANSYSFLUENT模拟工程流体流动问题的基本方法；4．ANSYSFLUENT模拟传热问题的基本方法。三、仪器设备(1)局域网多媒体微机实验室；(2)ANSYSFLUENT17.0或ANSYS17.0以上版本的软件四、实验原理、方法、手段和步骤1．实验原理FLUENT是用于模拟具有复杂几何外形的流体流动和热传导的计算机程序，FLUENT软件采用C/C++语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。FLUENT软件包含基于压力的分离求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器，多求解器技术使FLUENT软件可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。FLUENT软件包含非常丰富、经过工程确认的物理模型，由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，可以模拟高超音速流场、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工等复杂机理的流动问题。2．实验方法和步骤(1)熟练ANSYSFLUENT17.0的工作界面；(2)熟悉FLUENT的求解步骤；(3)练习FLUENT网格导入、检查和修改的方法；(4)练习FLUENT求解器、计算模型、材料、边界条件和控制方法的选择；(5)练习FLUENT的后处理方法。五、实验结果处理(1)根据FLUENT网格检查功能判断网格的基本信息；(2)归纳总结FLUENT进行工程流体流动和传热问题的基本求解步骤和流程；(3)对比计算模型、材料参数、边界条件及控制方法对计算结果的影响；(4)运用FLUENT软件进行简单的后处理操作。六、实验注意事项1．实验采用教师课堂演示、学生上机操作的实验方式；2．上机实验前，学生应认真预习有关的实验内容；3．学生完成实验后须撰写实验报告；七、预习与思考题1．对比液体和气体流动时边界条件选择的差异性？2．探讨不同湍流模型选择的依据？3．对比稳态问题和瞬态问题求解方法的差异性。实验三：圆管内水流的层流流动模拟实验类型：操作实验学时：2实验要求：1人/组一、实验目的1．验证圆管内水流层流时流速成抛物线型分布；2．掌握FLUENT层流模拟的设置过程；3．掌握圆管内水流层流时流速等值线的分布特征；4．掌握轴对称问题的模拟方法。二、实验内容1．模拟圆管内水流层流时流动特征；2．确定圆管内水流层流的条件；3．熟练操作FLUENT设置计算模型、边界条件、材料参数和控制方法的设置过程；4．练习FLUENT模拟流动问题的数据处理和显示方法。三、仪器设备(1)局域网多媒体微机实验室；(2)ANSYSFLUENT17.0或ANSYS17.0以上版本的软件四、实验原理、方法、手段和步骤1．实验原理层流(laminarflow)是流体的一种流动状态，它作层状的流动。流体在管内低速流动时呈现为层流，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5。层流中摩擦阻力及沿程水头损失均与流速的一次方成正比，流速分布呈抛物线型。圆管层流流速分布如图1所示。图1圆管层流时流速的分布特征2．实验方法和步骤(1)网格读取和显示；(2)单位的设置；(3)模型的设置：具体包括求解器的定义、层流模拟的选择；(4)设置物质属性；(5)设置边界条件；(6)设置求解过程；(7)后处理。五、实验结果处理(1)根据FLUENT网格检查功能判断网格的基本信息；(2)归纳总结FLUENT进行层流流动问题的基本求解步骤和流程；(3)对比计算模型、材料参数、边界条件及控制方法对计算结果的影响；(4)运用FLUENT软件进行简单的后处理操作。六、实验注意事项1．实验采用教师课堂演示、学生上机操作的实验方式；2．上机实验前，学生应认真预习有关的实验内容；3．学生完成实验后须撰写实验报告；七、预习与思考题1．数值模拟得到的层流流速分布特征是否与理论分析的一致？2．将圆管内的流体改为气体，对比层流时流速分布特征的差异性；3．雷诺数的物理意义？实验四：温室自然通风的FLUENT模拟实验类型：操作实验学时：2实验要求：1人/组一、实验目的1．掌握室内自然通风问题的求解方法和设置过程；2．辐射模型的设置过程；3．对比辐射对温室自然通风的影响；4．通风问题的数据处理和显示。二、实验内容1．熟悉室内自然通风问题的求解方法和设置过程；2．操作辐射模型的设置过程；3．熟练操作FLUENT设置计算模型、边界条件、材料参数和控制方法的设置过程；4．练习FLUENT模拟通风问题的数据处理和显示方法。三、仪器设备(1)局域网多媒体微机实验室；(2)ANSYSFLUENT17.0或ANSYS17.0以上版本的软件四、实验原理、方法、手段和步骤1．实验原理由于自然对流问题相对于一般的导热和对流问题更为复杂，FLUENT软件中专门建立了求解自然对流问题的模型。自然对流是由于流体受加热后密度产生变化引起温度不同，部分流体在浮力作用下产生的流动现象。FLUENT软件采用两种不同的方法来模拟自然对流现象。一是使用瞬态计算的方法，从初始的压力和温度计算封闭区域中的密度，得到封闭区域中初始条件下的质量。在随时间步长进行迭代求解时，按照适当的方式保证该初始质量的守恒条件，这种方法适用于用户定义的计算区域中温差很大的情况。二是使用Roussinesq模型进行稳态计算的方法，其中需要用户设置一个恒定的密度，这样也就对用户定义的封闭区域中流体的质量进行了设定，该方法只适用于用户定义的计算域中温差很小的情况。2．实验方法和步骤(1)网格读取和显示；(2)单位的设置；(3)模型的设置：具体包括求解器的定义、激活重力的作用、激活k-epsilon湍流模型、激活太阳加载模型；(4)设置物质属性；(5)设置边界条件；(6)设置求解过程；(7)加入辐射计算模型；(8)后处理。五、实验结果处理(1)根据FLUENT网格检查功能判断网格的基本信息；(2)归纳总结FLUENT进行温室自然