第2章fluent的计算步骤资料

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1、FLUENT6.1 全攻略 1 第二章 FLUENT 的计算步骤 本章通过一个稍微复杂一些的算例再次演示 FLUENT 的求解过程。这个算例的内容是 计算一个二维弯管中的湍流流动和热传导过程，在这个算例中可以看到 FLUENT 计算的标 准流程，其中包括： （1）如何读入网格文件。 （2）如何使用混合的单位制定义几何模型和物质属性。 （3）如何设定边界条件和和物质属性。 （4）如何初始化计算并用残差曲线监视计算进程。 （5）如何用分离求解器计算流场。 （6）如何用 FLUENT 的图形显示功能检查流场。 （7）如何用二阶精度离散格式获得更高精度的流场。 （8）以温度梯度为基准调整网格以提高对温

2、度场的计算精度。 2.1 问题概述 图 2-1 弯管流动图示 如图 2-1 所示，温度为 26的冷流体流过弯管，温度为 40的热流体从转弯处流入， FLUENT6.1 全攻略 2 并与主流中的冷流体混合。管道的尺寸如图 2-1 所示，单位为英寸，而边界条件和流体材 料性质则采用国际单位制。入口处的雷诺数为 2.03 x 10 5，因此必须使用湍流模型。 2.2 处理网格 网格处理包括网格的输入、检查、光顺、比例转换和显示等操作，下面分别进行介绍。 2.2.1 读入网格文件 首先启动 FLUENT 的 2D 版，然后读入网格文件： File - Read - Case. 这个算例的网格文件可以在

3、 FLUENT6.1 为用户提供的文档光盘中找到，路径是： cdrom:fluent6.1helptutfileselbowelbow.msh 2.2.2 检查网格 执行下列菜单操作，进行网格检查： Grid - Check 此时控制台窗口中会显示与网格有关的信息，包括网格空间范围、体积信息、表面积 信息、节点信息等等。网格中存在的任何错误都会出现在这个信息报告中，其中最需要检 查的是网格单元的体积不能为负值，否则计算将无法继续下去。 图 2-2 Smooth/Swap Grid（光顺/转换网格）面板 FLUENT6.1 全攻略 3 2.2.3 光顺并转换网格 执行下列菜单操作，打开 Smoo

4、th/Swap（网格光顺和转换）面板： Grid - Smooth/Swap. 光顺网格可以提高网格质量， 提高计算精度。 在启动光顺/转换网格面板后， 点击 Smooth （光顺）按钮，然后再点击 Swap（转换）按钮，控制台上将报告被转换网格的数量。反复 点击 Smooth（光顺）按钮和 Swap（转换）按钮，直到报告中被转换（Swap）的网格数量 降低为零，则网格光顺处理过程结束。 2.2.4 按比例调整网格 执行下列菜单操作，打开 Scale Grid（按比例调整网格）面板： Grid - Scale. 图 2-3 Scale Grid（按比例转换网格）面板 在 Units Conve

5、rsion（单位转换）下面的 Grid Was Created In 列表中选择 in（英寸）作 为网格创建数据单位。 点击 Scale（比例）按钮进行比例计算。注意在计算域范围（Domain Extents）中，网 格的单位显示仍然是国际单位制中的 m（米） 。 点击 Change Length Units（改变长度单位）按钮，可以将英寸变为长度单位，同时可 以从面板下方计算域范围中看到 x、y 坐标的最大值改变为 64 英寸。 FLUENT6.1 全攻略 4 图 2-4 Grid Display（网格显示）面板 图 2-5 网格显示 FLUENT6.1 全攻略 5 2.2.5 显示网格 执

6、行下列菜单操作，打开 Grid Display（网格显示）面板，如图 2-4 所示： Display - Grid. 选择所有表面，然后点击 Display（显示）按钮，FLUENT 随即打开一个新的显示窗口 显示网格，如图 2-5 所示。 用右键点击图形显示窗口中的一个边界，则与这个边界相关的信息就会显示在控制台 窗口中。在网格区域很多时，用这种方法可以比较方便地分辨各个区域。 2.3 计算模型 图 2-6 Solver（求解器）面板 FLUENT6.1 全攻略 6 2.3.1 设置求解器参数 执行下列菜单操作，打开 Solver（求解器）面板： Define - Models-Solver

7、. 求解器的缺省设置如图 2-6 所示，本算例中可以保持这些缺省参数设置。 图 2-7 粘性模型面板 2.3.2 选择湍流模型 执行下列菜单操作，打开 Vicous（粘性）面板，如图 2-7 所示： FLUENT6.1 全攻略 7 Define-Models-Viscous. 在 Model 列表中选择 k-epsilon (2 eqn)，即k两方程模型。点击 OK 按钮接受系统 对k模型的缺省设置，包括标准模型设置、壁面函数设置和湍流模型常数的设置等等。 2.3.3 启用能量方程计算 执行下列菜单操作，打开 Energy（能量）面板，并激活能量计算，如图 2-8 所示： Define-Mod

8、els-Energy. 图 2-8 能量方程面板 2.4 定义材料性质 创建一种新的物质，命名为 water（水） ，并设置相关参数。 首先执行下列菜单操作，打开 Materials（材料）面板，如图 2-9 所示： Define - Materials. 在 Name （名称） 中键入材料名称 water （水） ， 然后设定水的各种物理性质， 其中 Density （密度）为 1000kg/m3， Cp（定压比热）为 4216J/kg-K，thermal conductivity（导热系数） 为 0.677W/m-K，viscosity（粘度）为 8x10-4kg/m-s。最后点击 Cha

9、nge/Create（修改或创建） 按钮完成创建过程。在 FLUENT 提示是否用新的材料数据覆盖 air 的数据时，点击 NO 按 钮予以否认。 实际上 FLUENT 的材料性质数据库中已经存在水的数据，因此也可以简单地将相关数 据直接从 Database（数据库）中调入，如果个别数据与前面的数据有出入，可以直接在面 板上进行修改。 设置完毕后，关闭 Materials（材料）面板。 FLUENT6.1 全攻略 8 图 2-9 Materials（材料）面板 2.5 定义边界条件 执行下列菜单命令，打开边界条件面板，如图 2-10 所示： Define - Boundary Conditio

10、ns. 2.5.1 设定流体条件 在 Zone（区域）列表中选择 fluid-9，Type（类型）列表中相应地反白显示为 fluid（流 体） 。 FLUENT6.1 全攻略 9 图 2-10 边界条件面板 图 2-11 Fluid（流体）面板 FLUENT6.1 全攻略 10 点击 Set.（设置）按钮打开 Fluid（流体）面板，如图 2-11 所示。在 Material Name（材 料名称）列表中选择 water（水） ，点击 OK 按钮结束设置过程。 2.5.2 设置速度入口边界条件。 （1）设置 velocity-inlet-5 上的边界条件。 在 Zone（区域）列表中选择 ve

11、locity-inlet-5，然后点击 Set.（设置）按钮，进入速度 入口设置面板，如图 2-12 所示。 图 2-12 Velocity Inlet（速度入口）面板 在 Velocity Specification Method（速度定义方法）中，选择 Components（分量形式） 定义速度，然后将 X-Velocity（X 向速度分量）设为 0.2m/s。将 Temperature（温度）设为 293K。在 Turbulence Specification Method（湍流定义方法）中，选择 Intensity and Hydraulic Diameter（强度和水力直径）定义湍流

12、，然后将 Turbulence Intensity（湍流强度）设为 5， 将 Hydraulic Diameter（水力直径）设为 32in。点击 OK 按钮结束对 velocity-inlet-5 的设置。 （2）设置 velocity-inlet-6 上的边界条件，方法同上，相关参数如下：Y-Velocity（Y 向 速度分量）为 1.0m/s，temperature（温度）为 313K，Turbulence Intensity（湍流强度）为 5 ，Hydraulic Diameter（水力直径）为 8in（英寸） 。 FLUENT6.1 全攻略 11 2.5.3 设置压强出口边界条件 p

13、ressure-outlet-7 上的压强出口边界条件的相关参数为：表压 0 pascal，回流总温为 300 K， Backflow Direction Specification Method （回流方向定义方法） 为 Normal to Boundary （垂 直于边界） ，Turbulence Specification Method（湍流定义方法）为 Intensity and Hydraulic Diameter（湍流强度与水力直径） ，Backflow Turbulence Intensity（回流湍流强度）为 5， Backflow Hydraulic Diameter（回流水

14、力直径）为 32in。 图 2-13 Pressure Outlet（压强出口）面板 2.5.4 壁面条件设置 壁面 wall-4 的边界条件保持缺省设置， 其中 Heat Flux （热流通量） 的值为 0。 壁面 wall-8 也保持缺省设置。 2.6 求解过程 参数设置完毕并检查无误后，既可以开始流场计算。流场计算的流程如下： FLUENT6.1 全攻略 12 2.6.1 初始化 执行下列菜单操作打开 Solution Intialization（求解初始化）面板，如图 2-14 所示： Solve-Initialize-Initialize. 图 2-14 Solution Initi

15、alization（初始化解）面板 在 Compute From（计算起始于）列表中选择 velocity-inlet-5，然后在 Y Velocity（Y 向 速度分量）中加入 0.2m/sec，点击 Init（初始化）按钮开始初始化，最后点击 Close（关闭） 按钮关闭初始化面板。 2.6.2 设置残差监视器 执行下列菜单操作，打开 Residual Monitors（残差监视器）面板： Solve-Monitors-Residual. 在 Options（选项）下选择 Plot（绘图） ，点击 OK 按钮关闭面板。 2.6.3 保存算例文件 执行下列菜单操作保存算例文件： FLUENT

16、6.1 全攻略 13 File-Write-Case. 不用改动 Write Binary Files（写二进制文件）的缺省设置，这样算例文件可以用二进 制格式记录在硬盘上。 图 2-15 Residual Monitors（残差监视器）面板 2.6.4 打开迭代面板 执行下列菜单操作，打开 Iterate（迭代）面板： Solve - Iterate. 将 Number of Iterations（迭代次数）设为 100，点击 Iterate（迭代）按钮开始计算。在 开始计算时残差监视器将同时被打开。 2.6.5 监视收敛过程 图 2-16 是计算进行到第 60 步时残差曲线的走势。因为没有普适的收敛判断标准，所 FLUENT6.1 全攻略 14 以在观察残差曲线时，不要仅仅监视残差曲线下降的数量级，最好同时能够监视相关流场 变量的变化情况。 图 2-16 残差监视器 简单地说，可以用三种方法判断计算是否已经收敛： （1）观察残差曲线。 可以在残差监视器面板中设置 Convergence Criterion（收敛判据） ，比如设为 10-3，则 残差