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1、University of Science and Technology BeijingUniversity of Science and Technology Beijing Civil and environmental engineering schoolCivil and environmental engineering school 计计算流体动动力学软软件Fluent简简介 高玉坤 18911699307 gaoyukunustb 土资资学院 2017年3月 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1、计计算
2、流体动动力学及Fluent概述 3、Fluent 15.0软软件用户户界面介绍绍 4、Fluent模拟拟原理与过过程概览览 2、Fluent应应用领领域成果概览览 5、Fluent在矿业矿业 安全中的应应用介绍绍 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.1 概念 研究工程问题问题 常用方法： 数值值模拟拟概念： 数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元或有限容 积等方法，通过数值计 算和图像显示，达到对工程问题 和物理问题 乃 至自然界各类问题 研究的目的。 University of Science and
3、 Technology Beijingyangshufeng 1.1 概念 三者的比较较： 优点缺点 实验 物理现象和测试结果可靠(1) 设备要求高，设计制造周期长 (2) 真实模拟物理问题困难 (3) 测试仪器调试复杂 (4) 只能得到有限的实验数据 (5) 实验经费庞大 理论 (1) 物理概念清晰 (2) 物理规律能公式化 (3) 物理规律简介 (1) 分析只适用于简单的问题 (2) 线性问题能得到分析结果，非线 性问题分析十分困难 计算 (1) 适用于线性和非线性问题 (2) 能处理复杂的问题 (3) 可以得到研究对象运动的全过 程 (1) 计算模型和结果可靠性不易检验 (2) 边界数值
4、处理复杂 (3) 计算量大，数据分散，流动规律 不直观 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.1 概念 三者的比较较： 数值模拟发 展迅速，但是无论今天还是将来，它发展到何种程度 ，都不可能离开实验 研究和理论分析。因为实验现 象和理论分析是数 值模拟的基础，而计算结果又必须由实验现 象和理论分析验证 。 物理问题理论分析数值模拟 实验研究工程应用 检验 检验 是 否 综合设计 方法示意 图 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.1 概念
5、目前在工程领领域内常用的数值值模拟拟方法和软软件有： 有限差分法 有限元法 有限体积积法 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.1 概念 目前在工程领领域内常用的数值值模拟拟方法和软软件有： 有限差分法（Finite Difference Method, FDM) 一种求偏微分（或常微分）方程和方程组定解问题的数值解 的方法，简称差分方法。 基本思想是先把问题的定义域进行网格剖分，然后在网格点 上，按适当的数值微分公式把定解问题中的微商换成差商，从而 把原问题离散化为差分格式，进而求出数值解。 Matlab、FLAC
6、3D/2D等 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.1 概念 目前在工程领领域内常用的数值值模拟拟方法和软软件有： 有限元法（亦称有限单元法）（Finite Element Method, FEM) 将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假 设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函 数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表 达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问 题。 Ansys、Abaqus、ls-dyna、nastran等 University of
7、 Science and Technology Beijingyangshufeng 1.1 概念 目前在工程领领域内常用的数值值模拟拟方法和软软件有： 有限体积积法(Finite Volume Method, FVM) 将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格 点周围有一个控制体积；将待解的微分 方程对每一个控制体积积 分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量 的 数值。为了求出控制体积的积分，必须假定 值在网格点之间的变 化规律，即假设 值 的分段的分布的分布剖面。 Fluent、CFX、Star-CD等 前处理软件：Gambit、ICEM、Hypermesh等
8、后处理软件：Fieldview、Ensight、Tecplot等 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.1 概念 理论: 传热 学 流体力学 应用数值方法（插值、迭 代） 燃烧学 张量分析 泛函分析（变分原理） 高等数学（场论 、微分方 程） 线性代数（矩阵、行列式 ） 软件： 常用软件的教程、视频 软件的HELP文档 实例操作练习 类比 ： 需要学习习哪些内容？ University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.1 概念 什么是CFD？ CFD是计算
9、流体动力学（Computational fluid dynamics）的缩写，是预测流体流 动、传热传质 、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数 值方法求解以下的控制方程组 质量守恒方程 动量守恒方程 能量守恒方程 组分守恒方程 体积力 等等 CFD 分析一般应用在以下阶段: 概念设计 产品的详细设计 发现问题 改进设计 CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.1 概念 什么是CFD？ n 本质上是对控制方程的求解 未知函数,u,v,w,p,T 自变
10、量t,x,y,z University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.1 概念 CFD商业软 件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压 缩到高度可压缩 范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多 重网格加速收敛技术，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，使FLUENT在层流与湍流、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、燃料电池等 方面有广泛应用。目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM CFD。
11、什么是Fluent？ University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.2 Fluent用户户界面（以15.0版本为为例） University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.3 Fluent软软件的发发展历历史 l1975年 谢菲尔德大学（UK）开发了Tempest l1983年 美国的流体技术服务公司creature推出Fluent l1988年 Fluent Inc.成立 l1995年 收购最大对手FDI公司（FIDAP） l1997年 收购Polyflow公
12、司（粘弹性和聚合物流动模拟） l2006年 被ANSYS收购 在被ANSYS收购后为6.3版本 2009年6月发布12.0版本 2010年底发布13.0版本 2011、2013、2015年底分别发 布14.0、15.0、16.0版本 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.4 Fluent软软件的基本功能 l可压缩 与不可压缩 流动问题 l稳态 和瞬态流动问题 l无粘流、层流及湍流问题 l牛顿流体及非牛顿流体 l对流换热问题 （包括自然对流和混合对流） l导热 与对流换热 耦合问题 l辐射换热 l惯性坐标系和非惯性坐标
13、系下的流动问题 模拟 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.4 Fluent软软件的基本功能 l多运动坐标系下的流动问题 l化学组分混合与反应 l可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项 l用Lagrangian轨道模型模拟稀疏相（颗粒、水滴、气泡等） l多孔介质流动 l一维风 扇、热交换器性能计算 l两相流问题 l复杂表面形状下的自由面流动 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 1.5 计计算流体动动力学的工作流程 建立控制方程 确定初始条件
14、和边界 条件 划分计算网格、生成 计算节点 建立离散方程 离散初始和边界条件 给定求解控制参数 求解离散方程 显示和输出计算结果 解是否 收敛 Y N University of Science and Technology Beijingyangshufeng 2.1 Fluent模拟拟气泡的破碎和凝聚 计算域几何如下图所示。采用如图所示的圆柱形容器。气泡从底 部inlet入口进入，从outlet出口流出。几何尺寸如图所示。Fluent的附加 模型population balance model可以用于计算气泡流的破碎及汇聚。本 例使用欧拉多相流配合PBM模型模拟气泡在流动过 程中的破碎及凝
15、聚 现象。 计算模型 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 2.1 Fluent模拟拟气泡的破碎和凝聚 计算之后可以观察气泡粒径分布云图等，如图左所示为气泡 粒径分布。也可以查看整个计算域空间不同粒径气泡数量直方图 分布（右图）。 粒径分布 不同粒径气泡数量分布 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 2.2 Fluent模拟拟晃动动 实现 原理有两个关键： （1）运动加载 （2）VOF模型。 这一个极其简化的模型，完 全封闭，二维。 1、运动的加载
16、。 利用UDF来实现 ，采用 DEFINE_TRANSIENT_PROFIL E宏来设置区域整体运动。 2、选择 模型 选择 VOF模型，设置空气为 主相，水为第二相。 结果 模拟结拟结 果 University of Science and Technology Beijingyangshufeng 2.3 Fluent滑移网格模拟拟区域运动动 实现 目标：杯子中装满水，现 在以速度1rad/s延续1s钟使杯子倾 斜1rad，观察5s钟内水的变化情况 。 涉及到内容包括： （1）分界面几何模型的建立。 涉及到多几何体的创建，主要是各 部分模型网格的组装问题 。 （2）区域运动的指定。在本例 中主要是指定运动区域的旋转速度 。需要注意的是旋转中心与旋转方 向的设定。 （3）多相流的使用。本例中使 用的是VOF模型。计算结果 University of Science and Technology
