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1、 ANSYS流体及热分析第 4 章 FLOTRAN流体分析典型工程实例ANSYS程序中的FLOTRAN CFD流体分析是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进工具。本章重点通过实例讲解介绍FLOTRAN CFD流体分析在工程上的一些典型应用。本章要点& 如何解决流体力学问题& FLOTRAN流体分析典型工程实例本章案例 & 三维U型管道速度场的数值模拟& 实际生活中射流现象的数值模拟4.1 如何解决流体力学问题在流体力学的研究中，常用的方法有理论研究方法、数值计算方法和实验研究方法。理论研究方法的特点是：能够清晰、普遍地揭示出流动的内在规律，但该方法目前只局限于少数比较简单的理论模型。研究更复
2、杂更符合实际的流动一般采用数值计算方法，它的特点就是能够解决理论研究方法无法解决的复杂流动问题，如常见的航空工程、气象预报、水利工程、环境污染预报、星云演化过程等。实验研究方法的特点就是结果可靠，但其局限性在于相似准侧不能全部满足、尺寸限制、边界影响等。数值计算方法和实验研究方法相比，它所需的费用和时间都比较少，并且有较高的精度，但它要求对问题的物理特性有足够的了解（通过实验方法了解），并能建立较精确的描述方程组（通过理论分析）。对于流体力学的数值模拟常采用的步骤如下。（1）建立力学模型通过流动分析，采用合理的假设与简化，建立力学模型。假设与简化：连续介质与不连续介质；理想流体与粘性流体；不可
3、压缩流体与可压缩流体；定常流动与非定常流动。（2）建立数学模型根据力学模型，建立描述力学模型的数学方程组，并利用无量钢化、量纲分析、引进新的物理参数、经验或半经验公式等方法对基本方程组进行简化，得到相应流动的求解方程组，再根据具体的流动条件确定流动的初始条件和边界条件。描写流体运动的两种方法：拉格朗日方法和欧拉方法。（3）求解方法l 准确解法：解析解l 近似解法：近似解、数值解l 实验解法：相似解（4）求解结果速度分布、压力分布、合力、阻力、能量耗散等物理量的求解结果。上述的数值模拟步骤可以简化为：工程实际中的流动现象建立力学模型建立数学模型选择求解方法结果验证。4.2 工程实例一三维U型管道
4、速度场的数值模拟在实际生活和工程中，管道流动是十分常见的。下面就介绍数值模拟图 4- 1所示的三维U型管道中的速度场。图 4- 1 U型管道示意图如图 4- 1所示的三维U型管道计算模型，其中U型管道横断面为长宽均为100mm的正方形断面，U型管道两端平直部分的长度均为500mm，弯曲部分的半径为200mm。入口速度为0.1m/s。本例使用毫米单位制。附带光盘“Ch4实例41_start” 附带光盘“Ch4实例41_end”附带光盘“AVICh441.avi”1、设置分析选项选择Main MenuPreference命令，弹出如图 4- 2所示的Preferences for GUI Filt
5、ering对话框，在Individual discipline(s) to show in the GUI栏中选中FLOTRAN CFD选项，单击OK按钮。图 4- 2设置分析选项对话框2、定义工作文件名选择Utility MenuFileChange Jobname命令，弹出如图 4- 3所示的Change Jobname对话框，在Enter new jobname后面的文本框中输入Example 4-1，选中New log and error files复选框为Yes，单击OK按钮。图 4- 3设置工作文件名对话框3、定义工作标题选择Utility MenuFileChange Title
6、命令，弹出如图 4- 4所示的Change Title对话框，在Enter new title后面的文本框中输入 CFD analysis of a nozzle，单击OK按钮。图 4- 4设置工作标题对话框4、定义单元类型选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框。单击Add按钮，弹出如图 4- 5所示的Library of Element Types对话框，在左面的列表栏中选择FLOTRAN CFD，在右面的列表栏中选择2D FLOTRAN 141，单击OK按钮，再单击Close按钮，完成单
7、元类型的设置。图 4- 5设置单元类型对话框5、生成分析区域1、点击Main MenuPreprocessor-ModelingCreateKeypointsIn Active CS菜单命令，弹出如图 4- 6所示的Create Keypoints in Active Coordinate System对话框，在X，Y，Z Location in active CS输入栏中输入0，0，0，点击Apply按钮，又弹出图 4- 6所示的对话框，相同的操作输入点（0，0，500）、（500，0，500）、（500，0，0）、（250，0，750），点击OK按钮。图 4- 6 创建点对话框2、显示点编
8、号：Utility MenuPlotCtrlsNumbering,弹出如图 4- 7所示的Plot Numbering Controls对话框，单击KP Keypoint numbers后面的单选按钮为ON，单击OK按钮。生成的六个点如图 4- 8所示。图 4- 7标出标号控制对话框图 4- 8 点框图3、点击Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesStraight Line菜单命令，弹出Create Straight拾取框，点击点1和2，生成一条直线，同样的操作，点击2和3，点击OK按钮。4、点击Main MenuPreprocessorMo
9、delingCreateLinesArcsBy End KPs&Rad菜单命令，弹出Arc by End KPs&Rad命令，拾取点2和3，点击OK按钮，拾取点5，点击OK按钮，弹出如图 4- 9所示的Arc by End KPs&Rad对话框，在RAD Radius of the arc输入栏中输入250，点击OK按钮。 图 4- 9 创建圆弧对话框5、点击Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansAddLines命令，在弹出的Add Lines拾取框中点击Pick All按钮，弹出如图 4- 10所示的Add Lines对话框，点击OK按钮。生
10、成U型引导线。图 4- 10 合并线对话框6、点击Main MenuPreprocessor-ModelingCreate-AreasRectangleBy Dimensions命令，弹出如图 4- 11所示的Create Rectangle by Dimensions对话框。在X1，X2 X-coordinates输入框中依次输入-50，50，在Y1，Y2 Y-coordinates输入框中依次输入-50，50，点击OK按钮。图 4- 11 创建矩形对话框7、点击Main MenuPreprocessor-ModelingOperateExtrudeAreasAlong Lines对话框，弹
11、出Sweep Areas along Lines拾取框，拾取面，点击OK按钮，拾取引导线，点击OK按钮，生成三维U型管道，如图 4- 12所示。图 4- 12 U型管道计算模型示意图6、定义单元形状点击Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSizeGlobalSize命令，弹出如图 4- 13所示的Global Element Sizes对话框，在SIZE Element edge length输入栏中输入10,点取OK按钮。图 4- 13 全局单元尺寸对话框7、划分有限元网格Main MenuPreprocessorMeshingMeshT
12、ool,在弹出MeshTool对话框中，采取映射网格划分，点击HexMapped,点击Mesh，选取整个几何模型，生成网格如图 4- 14所示。图 4- 14 生成的有限元网格8、施加边界条件1、施加进口速度边界条件：Main MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApplyFluid/CFDVelocityOn Areas命令，会弹出拾取对话框。拾取右边进口面，点击OK按钮，弹出如图 4- 25所示的Apply VELO load on areas对话框，在VX Load value中输入0，在VY Load value中输入0，在VZ Load value中输入
13、100，点击OK按钮。图 4- 15 施加速度载荷对话框2、施加压力出口边界条件：Main MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApplyFluid/CFDPressure DOFOn Areas命令，会弹出拾取框。拾取左边出口面，单击OK按钮，弹出如图 4- 16所示的Apply PRES on lines对话框，在PRES Pressure value中输入0，点击OK按钮。图 4- 16 施加压力载荷对话框3、施加固体壁面边界条件：Main MenuPreprocessorLoadsDefine LoadsApplyFluid/CFDVelocityOn L
14、ines命令，会弹出拾取对话框。拾取其余的所有壁面，点击OK按钮，弹出如图 4- 15所示的Apply VELO load on lines对话框，在VX Load value中输入0，在VY Load value中输入0，在VZ Load value中输入0，点击OK按钮。9、求解1、点击Main MenuSolutionFLOTRAN Set UpSolution Options命令，弹出如图 4- 17所示的FLOTRAN Solution Options对话框，在TURB Laminar or turbulent下拉列表框中选择Turbulent，其余选项采用默认设置，点击OK按钮。图
15、 4- 17 FLOTRAN求解选项对话框2、点击Main MenuSolutionFLOTRAN Set UpExecution Ctrl命令，弹出如图 4- 18所示的Steady State Control Settings对话框，在EXEC Global Iterations输入栏中输入100，其余选项采用默认设置，点击OK按钮。图 4- 18 稳态控制设置对话框3、点击Main MenuSolutionFLOTRAN Set UpFluid Properties命令，弹出如图 4- 19所示的Fluid Properties对话框，在Density，Viscosity，Conductivity，Specific heat后的下拉菜单中选择AIR-mm，点击OK按钮，弹出如图 4- 20所示的CFD Flow Properties对话框，确认信息是否正确，点击OK按钮。图 4- 19 流体物性对话框图 4- 20 CFD流动性质对话框4、
