《流体分析--flotran培训》由会员分享，可在线阅读，更多相关《流体分析--flotran培训（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,ANSYS FLOTRAN,ANSYS FLOTRAN 培 训 教 程,美国ANSYS公司北京办事处 2000/10/18,2,目 录,流体力学基础 流体流动控制方程 CFD求解特点 CFD求解策略 ANSYS FLOTRAN功能 ANSYS FLOTRAN分析 ANSYS FLOTRAN例题 ANSYS FLOTRAN习题,CFD,ANSYS FLOTRAN,3,流体力学基础,流体、固体CFD层流、湍流可压缩流、不可压缩流Reynolds数、Mach 数牛顿流体、非牛顿流体共轭传热分布阻力周期边界条件多组份输运自由表面移动壁面,4,流体力学基础,流体与固体固体：有固定的形状，在有限外力作
2、用下变形有限；流体：流有固定的形状，在有限外力作用下，变形无限不能抵抗剪切变形。 松驰时间 作用时间 流体 固体,5,流体力学基础,CFD Computational Fluid Dynamics, 计算流体动力学 层流与湍流层流：流动有层次、稳定湍流：流动紊乱，有涡漩结构，不稳定，有随机性 可压缩与不可压缩可压缩：流体的密度随着流动而改变。不可压缩：流体的密度不随流动而改变。,6,惯性与粘性之比，是层流与湍流的判别准则；流体速度除以声速，Ma1为超音速，是可压缩与不可压缩的判别准则，Ma0.7为可压缩。,Reynolds数、Mach 数,流体力学基础,7,流体力学基础,牛顿与非牛顿流体 牛顿
3、流体：流体中的剪切应力与垂直于流动方向的速度梯度呈线性比例关系， 如水、空气牛顿内摩擦定律非牛顿流体：流体中的剪切应力与速度梯度不呈线性关系如：血液、泥浆幂律流体、 Carreau流体、Bingham流体,8,流体力学基础,共轭传热求解域内既有流体，又有固体，且流固温度场耦合 方程病态，求解困难。 分布阻力不需要建立详细的几何模而模拟其对流动的影响。 周期性边界条件两个边界的边界条件完全相同，但未知,9,多组份传输流场只能进行单个动量方程的求解，流体只能有“一种”，如果是多种流体，将其作为一种流体的多个组份。 自由表面流体流动具有位置待定的自由面，自由面的边界条件：压力=外界压力，自由面上法向
4、速度为零。自由面的确定方法：可变形网格；体积流体（VOF）网格固定，求单元的体积组成VFRC，0表示空，1表示充满流体。 移动壁面壁面的位移、速度已知，求解域变化，网格可变形。,流体力学基础,10,流体力学基础 流体流动控制方程 CFD求解特点 CFD求解策略 ANSYS FLOTRAN功能 ANSYS FLOTRAN分析 ANSYS FLOTRAN例题 ANSYS FLOTRAN习题,目 录,11,流体流动控制方程,运动描述：固体Lagrang描述，物质坐标，追踪质点，位移流体Euler描述，空间坐标，控制体积，速度Euler加速度,12,质量守恒,流体流动控制方程,动量守恒,13,能量定恒
5、,流体流动控制方程,状态方程,未知数 6 方程数 6 可封闭求解,14,目 录,流体力学基础 流体流动控制方程 CFD求解特点 CFD求解策略 ANSYS FLOTRAN功能 ANSYS FLOTRAN分析 ANSYS FLOTRAN例题 ANSYS FLOTRAN习题,15,CFD求解特点,CFD求解特点,1 对流限制（网格Re 2)，要求网格密度大，计算规模大 2 每个节点有6个方程，计算量大，一般有采用联立求解，而是采用逐个方程顺序耦合求解。 3 流速对流动性质及求解方法影响大流动性质随流速变化：层 流 湍流 不可压 可压 亚音速 超音速 4 稳定性与收敛性,16,CFD求解特点,层流与
6、湍流Re ，动量方程中对流起主导作用，流动不稳定：对流项的处理， 湍流模型 对流项的处理 对流特性：上下游的影响不同。有限元采用对称的权函数（影响函数），不区分上下游，与物理不符。 对流项处理：细化网格（网格Re 2）迎风有限元：不对称权函数流线迎风（SUPG)）,17,CFD求解特点,湍流模型湍流速度、压力脉动，可表示为,18,时均化速度Reynolds时均化方程 脉动速度关联项 使得时均方程不封闭，用湍流模型来封闭 采用涡粘性假设湍流模型用来计算湍流粘性 湍流模型：零方程、 等。,CFD求解特点,19,CFD求解特点,不可压与可压：亚音速与超音速不可压：连续方程不含 ，耦合求解困难，可采用
7、罚函数法、拟可压法、压力校正法。 可压缩： 边界条件：亚音速抛物型方程，边界条件同不可压；超音速双曲型方程，下游不影响上游，所以只给上游的速度、总温。 激波 ：压力间断，激波捕获：细化网格，高分辩率算法：TVD、NND，FCT等。,20,CFD求解特点,CFD稳定性与收敛性 稳定性：数值计算（非线性）误差的积累，误差随计算次数的增加而增大，数值不稳定。 收敛性： 数值解趋近于真解。 稳定性分析方法：Fourier、Numann 稳定性CFL条件： 以此来确定时间步长 提高稳定性的措施 (1) 人工粘性 人为增大粘性(2) 松驰因子 修正迭代增量(3) 惯性松驰 主对角占优,21,目 录,流体力
8、学基础 流体流动控制方程 CFD求解特点 CFD求解策略 ANSYS FLOTRAN功能 ANSYS FLOTRAN分析 ANSYS FLOTRAN例题 ANSYS FLOTRAN习题,22,CFD求解策略,层流还是湍流？（Re)压缩性影响大不大？(Ma)是稳态还是瞬态？流动区域多大合适？（外流，自由流）网格是否合理，哪里网格需要加密？（边界层、激波）流动参数是否随温度变化？有无热分析？对流项处流、稳定性措施边界条件是否合理：,23,CFD求解策略,CFD边界条件： 粘性固壁：无滑移、无穿透 VOF（自由表面）：体积分数，湿状态 多组分：质量分数 共轭传热：热边界条件，流固界面自动处理结果是否
9、合理,24,目 录,流体力学基础 流体流动控制方程 CFD求解特点 CFD求解策略 ANSYS FLOTRAN功能 ANSYS FLOTRAN分析 ANSYS FLOTRAN例题 ANSYS FLOTRAN习题,25,*层流或湍流 *牛顿流体或非牛顿流体 *可压缩或不可压缩流 *热分析（传热或绝热） *与结构、热等的耦合场问题 *管流 *多组份输运 *自由表面（VOF） *声学,ANSYS FLOTRAN 功能,26,目 录,流体力学基础 流体流动控制方程 CFD求解特点 CFD求解策略 ANSYS FLOTRAN功能 ANSYS FLOTRAN分析 ANSYS FLOTRAN例题 ANSYS
10、 FLOTRAN习题,27,ANSYS FLOTRAN分析单元 FLUID141（二维） FLUID142（三维） ANSYS声流体单元：FLUID29 （二维）FLUID30 （三维） FLUID129 （二维）,FLUID130 （三维） ANSYS热流耦合管单元： FLUID66 （二维）FLUID116 （三维） ANSYS流体耦合单元： FLUID38（二维） ，FLUID81（三维） ANSYS包容流体单元 FLUID79 （二维） ，FLUID80 （三维）,ANSYS FLOTRAN分析,28,ANSYS FLOTRAN湍流模型标准 k- 模型（最常用的紊流模型、适用于大多数流
11、动）零方程紊流模型（适用于紊流强度不大的情况）RNG模型 Shih新 k- 模型 （适用于对旋转流场作分析） Girimaji 非线性模型（适用于对次旋涡、旋转流场作分析）Shih、Zhu、Lumley模型（适用于速度梯度较大的流场）,ANSYS FLOTRAN分析,29,ANSYS FLOTRAN非牛顿流体 幂率模型：适合于模拟聚合物、血液和橡胶等的流动 Carreau模型： 它剔除了幂率模型的某些不足。当流体实际上存在某种程度的剪切率，但仍然受约束为零/无限剪切率时，适用该模型 Bingham模型：适合于模拟泥浆和浆糊 用户可编程子程序UserVisLaw: 在选择粘性模型时有很大的灵活性
12、,ANSYS FLOTRAN分析,30,ANSYS FLOTRAN体积流体（VOF） 温表VOF用来进行自由表面分析。在VOF分析中，FLOTRAN求解附加的对流方程以确定流场中的体积组成（VFRC），每一个单元的VFRC值从0到1变化，0表示空或无效的单元，而1表示充满的或流体单元，VFRC值在0和1之间表示相应的单元是部分充满的或表面单元，自由表面可由VFRC场的分布确定。目前，VOF只能进行四边形单元对二维或轴对称分析。,ANSYS FLOTRAN分析,31,ANSYS FLOTRAN热分析在FLOTRAN热分析中，对流体需求解能量（温度）方程来确定温度，对非流体则需求解热传导方程。AN
13、SYS支持五种热边界条件 (1)温度 (2) 热通量 (3) 膜系数 (4) 辐射 (5)绝热 热流量或膜系数只能施加于固体或流体材料的外边界。 共轭传热：当流体与非流体物性参数相差几个数量级时，病态共轭传热。用PCRM求解器。,ANSYS FLOTRAN分析,32,ANSYS FLOTRAN多组份输运分析多组份输运功能在遵从求解单个动量方程这一限制前提下，能同时追踪流场中几种不同的流体。必须输入所有组份（最多为6）的质量扩散系数。混合类型：稀释混合复合混合复合气体,ANSYS FLOTRAN分析,33,ANSYS FLOTRAN对流项处理 MSU单调迎风 SUPG流线迎风,松驰因子 惯性松驰
14、 改进的惯性松驰 人工粘性 自由度限值 积分阶次,ANSYS FLOTRAN稳定性、收敛性工具,ANSYS FLOTRAN分析,34,ANSYS FLOTRAN求解器 TDMA 三对角矩阵法： 直接解法，采用标准的Gauss-Seidel迭代技术，适用于大多数流体未知量的求解，尤其适合于求解动量方程和紊流方程CRM 共扼残差法：半直接解法，所需内存小。 PCRM 预条件共扼残差法：半直接解法，适应于求解共扼传热等具有病态矩阵的问题。 PGMR 预条件广义最小残差法：半直接解法，收敛精度高，适应于求解共扼传热等具有病态矩阵的问题。,ANSYS FLOTRAN分析,35,ANSYS FLOTRAN
15、专用特征： 风扇模型 分布阻力注意事项 (1) FLOTRAN只允许有一种流体，且为第一种材料。(2) 慎用对称性,ANSYS FLOTRAN分析,36,目 录,流体力学基础 流体流动控制方程 CFD求解特点 CFD求解策略 ANSYS FLOTRAN功能 ANSYS FLOTRAN分析 ANSYS FLOTRAN例题 ANSYS FLOTRAN习题,37,1 方腔拖带流：层、内、定常、粘性、不可压流 2 圆柱绕流：层、外、非定常、粘性、不可压流 3 溃坝：自由表面 4 自然对流：热分析 5 突扩流：湍流 6 喷嘴：可压缩流 7 换热器：多组份 8 激波管：激波 9 室内声分析：声学 10 流道中的橡胶垫：流固耦合,ANSYS FLOTRAN例题,38,1 方腔拖带流,u=1,v=0,u=v=0,u=v=0,u=v=0,Re=1000,( ),ANSYS FLOTRAN例题方腔拖带流,39,ANSYS FLOTRAN例题方腔拖带流,40,ANSYS FLOTRAN例题方腔拖带流,41,ANSYS FLOTRAN例题方腔拖带流,
