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1、ANSYS-FLUENTANSYS-FLUENT培训教培训教材材( (完整版完整版) )A Pera Global Company PERA China什么是 CFD?nCFD是计算流体动力学（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nCFD 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nCFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。A Pera Global Company PERA
2、 ChinaCFD如何工作?nANSYS CFD 求解器是基于有限体积法的计算域离散化为一系列控制体积在这些控制体上求解质量、动量、能量、组分等的通用守恒方程偏微分方程组离散化为代数方程组用数值方法求解代数方程组以获取流场解Fluid region of pipe flow is discretized into a finite set of control volumes. Equation VariableContinuity1X momentumuY momentumvZ momentumwEnergyhControlVolume* FLUENT control volumes are
3、 cell-centered (i.e. they correspond directly with the mesh) while CFX control volumes are node-centeredUnsteadyConvectionDiffusionGenerationA Pera Global Company PERA ChinaCFD 模拟概览n问题定义1.确定模拟的目的2.确定计算域n前处理和求解过程3.创建代表计算域的几何实体4.设计并划分网格5.设置物理问题（物理模型、材料属性、域属性、边界条件 ）6.定义求解器 （数值格式、收敛控制 ）7.求解并监控n后处理过程8.查看
4、计算结果9.修订模型9.Update ModelA Pera Global Company PERA China1. 定义模拟目的n你希望得到什么样的结果（例如，压降，流量），你如何使用这些结果？你的模拟有哪些选择？你的分析应该包括哪些物理模型（例如，湍流，压缩性，辐射）？你需要做哪些假设和简化？你能做哪些假设和简化（如对称、周期性）？你需要自己定义模型吗？FLUENT使用UDF，CFX使用 User FORTRANn计算精度要求到什么级别？n你希望多久能拿到结果？nCFD是否是合适的工具？A Pera Global Company PERA China2. 确定计算域n如何把一个完成的物理系
5、统分割出来？n计算域的起始和结束位置在这些位置你能获得边界条件吗？这些边界条件类型合适吗？你能把边界延伸到有合适数据的位置吗？n能简化为二维或者轴对称问题吗？Domain of Interestas Part of a LargerSystem (not modeled)Domain of interestisolated and meshedfor CFD simulation.A Pera Global Company PERA China3. 创建几何模型n你如何得到流体域的几何模型？使用现有的CAD模型从固体域中抽取出流体域？直接创建流体几何模型n你能简化几何吗？去除可能引起复杂网格的
6、不必要特征（倒角、焊点等）使用对称或周期性？流场和边界条件是否都是对称或周期性的？n你需要切分模型以获得边界条件或者创建域吗？Solid model of a Headlight AssemblyA Pera Global Company PERA China4. 设计和划分网格n计算域的各个部分都需要哪种程度的网格密度？网格必须能捕捉感兴趣的几何特征，以及关心变量的梯度，如速度梯度、压力梯度、温度梯度等。你能估计出大梯度的位置吗？你需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？n哪种类型的网格是最合适的？几何的复杂度如何？你能使用四边形/六面体网格，或者三角形/四面体网格是否足够合适？需要使用非一致边界
7、条件吗？n你有足够的计算机资源吗？需要多少个单元/节点？需要使用多少个物理模型？PyramidPrism/WedgeHexahedronTriangleQuadrilateralTetrahedronA Pera Global Company PERA China四边形/六面体还是三角形/四面体网格n对沿着结构方向的流动，四边形/六面体网格和三角形/四面体网格相比，能用更少的单元/节点获得高精度的结果当网格和流动方向一致，四边形/六面体网格能减少数值扩散在创建网格阶段，四边形/六面体网格需要花费更多人力A Pera Global Company PERA China四边形/六面体还是三角形/四
8、面体网格Tetrahedral meshWedge (prism) meshn对复杂几何，四边形/六面体网格没有数值优势，你可以使用三角形/四面体网格或混合网格来节省划分网格的工作量生成网格快速流动一般不沿着网格方向n混合网格一般使用三角形/四面体网格，并在特定的域里使用其他类型的单元例如，用棱柱型网格捕捉边界层比单独使用三角形/四面体网格更有效A Pera Global Company PERA China多域（或混合）网格n多域或混合网格在不同的域使用不同的网格类型，例如 在风扇和热源处使用六面体网格在其他地方使用四面体/棱柱体网格n多域网格是求解精度、计算效率和生成网格工作量之间的很好的
9、平衡手段n当不同域直接的网格节点不一致时，需要使用非一致网格技术。Model courtesy of ROI EngineeringA Pera Global Company PERA China非一致网格n对复杂几何体，非一致网格很有用分别划分每一个域，然后粘接n在其他情况下，也使用非一致网格界面技术不同坐标系之间移动网格Non-conformalinterface3D Film CoolingCoolant is injected into a duct from a plenum. The plenum is meshed with tetrahedral cells while the
10、 duct is meshed with hexahedral cellsCompressor and ScrollThe compressor and scroll are joined through a non conformal interface. This serves to connect the hex and tet meshes and also allows a change in reference frameA Pera Global Company PERA China设置物理问题和求解器n对给定的问题，你需要定义材料属性流体 固体混合物选择合适的物理模型湍流，燃烧
11、，多相流等。指定操作条件指定边界条件提供初始值设置求解器控制参数设置监测收敛参数For complex problems solving a simplified or 2D problem will provide valuable experience with the models and solver settings for your problem in a short amount of time.A Pera Global Company PERA China求解n通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛n以下情况达到收敛：两次迭代的流场结果差异小到可以忽略监测残差趋势能帮助理解
12、这个差异达到全局守恒全局量的平衡感兴趣的量（如阻力、压降）达到稳定值监测感兴趣量的变化.n收敛解的精度和以下因素有关：合适的物理模型，模型的精度网格密度，网格无关性数值误差A converged and mesh-independent solution on a well-posed problem will provide useful engineering results!A Pera Global Company PERA China查看结果n查看结果，抽取有用的数据使用可视化的工具能回答以下问题:什么是全局的流动类型？是否有分离？激波、剪切层等在哪儿出现？关键的流动特征是否捕捉住了
13、？数值报告工具能给出以下量化结果：力、动量平均换热系数面积分、体积分量通量平衡Examine results to ensure property conservation and correct physical behavior. High residuals may be caused by just a few poor quality cells.9.Update ModelA Pera Global Company PERA China修订模型n这些物理模型是否合适？流动是湍流的吗？流动是非稳态的吗？是否有压缩性效应？是否有三维效应？n这些边界条件是否合适？计算域是否足够大？边界条
14、件是否合适？边界值是否是合理的？n网格是否是足够的？加密网格能否提高精度？网格是否有无关性？是否需要提高网格捕捉几何的细节9.Update ModelA Pera Global Company PERA ChinaFLUENT 中的物理模型n流动和传热动量、质量、能量方程辐射n湍流雷诺平均模型 (Spalart-Allmaras, k, k, 雷诺应力模型)大涡模拟 (LES) 和分离涡模拟 (DES)n组分输运n体积反应Arrhenius 有限速率化学反应湍流快速化学反应涡耗散, 非预混, 预混，局部预混湍流有限速率反应EDC, laminar flamelet, composition P
15、DF transport表面化学反应Pressure Contours in Near-Ground FlightTemperature Contours for Kiln Burner RetrofitA Pera Global Company PERA ChinaFLUENT 中的物理模型n多相流模型离散相模型 (DPM)VOFMixturesEulerian-Eulerian and Eulerian-granularLiquid/Solid and cavitation phase changen动网格Moving zonesSingle and multiple reference
16、frames (MRF)Mixing plane modelSliding mesh modelMoving and deforming (dynamic) mesh (MDM)n用户定义标量输运方程Pressure Contours in a Squirrel Cage Blower (Courtesy Ford Motor Co.)GasoutletOiloutletThree-PhaseInletWateroutletContours of Oil Volume Fractionin a Three-Phase SeparatorA Pera Global Company PERA Ch
17、inaWorkbench 2 中的FLUENT CFDn启动ANSYS Workbenchn在工具栏中拖动Fluid Flow (FLUENT) 到项目栏里A Pera Global Company PERA China读入几何n右键点击 Geometry cell A2 然后选择 Import Geometryn读入几何文件 (CAD 模型或者 DesignModeler .agdb 文件)n你也可以把 FLUENT 和已经存在的 DesignModeler 进程连接起来A Pera Global Company PERA China生成网格n右键点击 Mesh cell 然后选择 Edit
18、.Meshing 工具打开，并读入几何n选择Mesh注意因为网格是从FLUENT中打开的，所以默认优先选择的是 FLUENTA Pera Global Company PERA China定义边界和域n使用 Named selections定义边界名字选择你想指定名字的面右键选择 Create Named Selection.键入名字然后点击 OK.n有时你需要指定流体域和固体域固体用来计算共轭传热velocity inletA Pera Global Company PERA China设置并运行 FLUENTn编辑 Setup cell 来设置物理问题边界条件求解器设置求解后处理n求解结束
19、后，结果可以在FLUENT中的post里查看，或者输出到 CFD-Post 中查看等值线、矢量图分布图计算力和力矩非稳态结果的动画A Pera Global Company PERA ChinaFLUENT 软件演示n启动 FLUENT （假设网格已经生成好了）设置一个简单的问题求解流体流动后处理结果A Pera Global Company PERA ChinaANSYS FLUENT 培训教材第二节：求解器基础安世亚太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA ChinaFLUENT 用户界面导航nFLUENT用户界面设计为项目树从上至下排列n在项目树中选择要
20、设置的单元，输入窗口在中心打开GeneralModelsMaterialsBoundaryConditionsSolver SettingsInitialization andCalculationPostprocessingA Pera Global Company PERA China缩放网格，选择量纲nFLUENT读入网格文件后，所有的维度默认是以米为单位的如果你的模型不是以米为单位建立的，你需要缩放网格缩放后需要确认一下计算域的大小。n如果是在 Workbench下读入网格，不需要缩放。然而，量纲默认为 MKS 系统n如果需要，可以使用混合的量纲系统。FLUENT 默认使用国际单位 S
21、I 在 Set Units 面板中，可以使用任意的量纲。DefineUnitsA Pera Global Company PERA China文本用户界面TUIn大多数GUI命令都有对应的 TUI 命令许多高级的命令只能通过 TUI获得按回车键能显示当前级的命令q 键进入上一级nFLUENT 可以在后台运行或通过历史记录文件journal运行A Pera Global Company PERA China鼠标功能n鼠标功能和二维/三维求解器的选择有关，可以在求解器中设定。n缺省设置2D 求解器左键平移中键缩放右键选择3D 求解器左键旋转中键缩放中键点击确定中心点右键选择n流场探针功能右键点击屏
22、幕视图.n在 Workbench中可以设置另外的鼠标功能DisplayMouse ButtonsA Pera Global Company PERA China材料属性nFLUENT 提供标准的材料库，也允许用户创建自己的材料。n所选择的物理模型决定了哪些材料可用，以及必须设定这些材料的哪些属性。多相流（多种材料）燃烧（多种组分）传热（导热系数）辐射（发射率以及吸收率）n材料属性可以直接设定为温度、压力的函数和其他变量相关需要用UDF设定。A Pera Global Company PERA China材料库nFLUENT 中的材料库提供一系列预先定义的流体、固体和混合物如需要，可以拷贝材料并
23、修改其属性n客户定义的材料库 在现有的case中创建的新材料和反应机理，可以在以后的case中重复使用在 FLUENT中的材料面板里可以创建、使用、修改材料属性。A Pera Global Company PERA China操作条件n在参考压力位置设定的操作压力，是FLUENT在计算表压时的参考值n当计算浮力流时，操作温度设定了参考温度n操作密度是计算密度大范围变化流动问题的参考值A Pera Global Company PERA China并行计算nFLUENT 中的并行计算用来运行多个处理器，以减少计算时间，增加仿真效率对大规模网格或者复杂物理问题尤其有效FLUENT 是全并行的，能在
24、大多数硬件和软件平台上运行，如clusters 或者多核机器上n并行FLUENT 可以使用命令启动，也可以在启动面板中选择例如，启动一个 n-CPU 并行进程，用下面的命令fluent 3d tnn网格可以手工分区，或者用下面不同的方法自动分区非一致网格，滑移网格和壳导热区域需要逐个来分区A Pera Global Company PERA China总结n本节课程介绍了CFD仿真中经常用到的许多基础功能n并行计算能减少计算时间，但只针对大规模网格时有效n后续课程会涉及到非稳态问题的求解设置n其他未涉及到的议题（见附录）网格构形的关系在求解器中重新排序网格和编辑网格多面体网格转换基于求解器的网
25、格自适应A Pera Global Company PERA China附录A Pera Global Company PERA ChinaFLUENT JournalsnFLUENT 可以使用journal 文件以批处理方式运行njournal 是包括TUI命令的文本文件nFLUENT TUI 允许命令的缩写，如ls 列表工作目录下的文件 rcd 读入 case 和data 文件wcd 写 case 和 data 文件 rc/wc 读/写 case 文件rd/wd 读/写 data 文件it迭代n批处理文件中的TUI 命令可以在非交互模式下自动运行TUI 命令 file/read-bc 和
26、file/write-bc 可以用来读写FLUENT 中的设置到一个文件中; Read case filerc example.cas.gz; Initialize the solution/solve/initialize/initialize-flow; Calculate 50 iterationsit 50; Write data filewd example50.dat.gz; Calculate another 50 iterationsit 50; Write another data filewd example100.dat.gz; Exit FLUENTexityesSam
27、ple Journal FileA Pera Global Company PERA China读入网格 Zonesn本例中，有两个域 (fluid-upstream and fluid-downstream).n因此， FLUENT 把外壁面劈分为两个面 (wall and wall:001). nFLUENT 也把中间的孔劈分为两个面 (plate and plate-shadow).inletoutletwallplateplate-shadowfluid (cell zone)Default-interior zone(s)can always be ignored.A Pera Gl
28、obal Company PERA China网格构造信息n网格文件中存储了所有的网格信息。节点坐标连接关系域的定义n和几何定义类似，网格定义如下：Node 边的交叉点 / 网格顶点Edge 面的边（由两个节点定义）Face 单元的边界，由一组边定义Cell域离散的控制体Zone 一系列节点、边、面或单元的集合n计算域由以上所有的信息组成对纯流动问题，域只包括流体域对共轭换热问题，或流固耦合问题，域还会包含固体域n边界条件设置在面上n材料属性和源项设置在单元上Simple 3D meshSimple 2D MeshNodeBoundaryFaceCellCellCenterCell FaceN
29、odeBoundaryFaceCellEdgeA Pera Global Company PERA China网格的重新排序和编辑n网格的重新排序能使得邻近的单元排在一起提高内存读取效率，减少计算带宽可以对整个域或者指定的域进行排序网格每个分区的带宽可以打印出来供参考n在网格菜单中，也可以对面/体做如下编辑：分割域、合并域通过合并重合的面或节点来融合域平移、旋转、镜像面或体域拉伸面形成体域替换体域或删除体域激活体域或冻结体域GridReorderZonesGridReorderDomainGridReorderPrint BandwidthA Pera Global Company PERA
30、China多面体网格转换nFLUENT GUI 中可以把四面体或混合网格转换为多面体网格生成四面体网格然后在 FLUENT中转换为多面体网格优势 提高网格质量减少单元数量用户可以控制转换过程劣势 不支持自适应，不能再次转换不支持光顺、交换、合并和拉伸等网格编辑工具n在网格菜单中有两种选择转换除了六面体外所有的网格为多面体网格不能转换有悬挂节点的网格六面体核心的网格可以通过单独程序转换只转换高度扭曲的网格为多面体网格GridPolyhedraConvert Skewed CellsGridPolyhedraConvert DomainTet/Hybrid MeshPolyhedral MeshA
31、 Pera Global Company PERA China分布文件和求解结果插值nFLUENT允许通过分布文件和数据插值对选择的变量在面或体上插值。例如，试验数据或者其他FLUENT计算结果里的入口速度分布，或者粗网格的计算结果插值到密网格上。n分布文件是包含选择变量的点数据文件，可以通过FLUENT进程读/写n类似的，插值数据文件包括选择变量的离散数据，可以在FLUETN中读入和写出。FileProfileWriteFileProfileReadFileInterpolateA Pera Global Company PERA China网格自适应n网格自适应是求解过程中根据需要加密或粗
32、化网格的技术。把满足条件的网格标注并存储起来。如需要，可以显示或更改这些网格点击 Adapt 对这些网格进行自适应 n注册这些网格的过程为：所有变量的梯度或等值线边界上的所有单元 指定形状里的所有单元网格体积变化率近壁面网格的y+n下面这些技巧可以帮助实现自适应合并注册的适应区显示适应函数的等值线显示标注的适应网格给出基于网格尺寸和数量的适应限制Refine Threshold should be set to 10% of the value reported in the Max field.A Pera Global Company PERA China自适应案例-超音速流场n对压力梯度
33、大的区域自适应网格以更好的捕捉通过激波的压力突变Initial Mesh (Generated by Preprocessor)Pressure Contours on Initial MeshLarge pressure gradient indicating a shock (poor resolution on coarse mesh)A Pera Global Company PERA China自适应案例-超音速流场n基于求解结果的网格自适应允许更好的解析弓形激波和膨胀波Mesh adaption yields much better resolution of the bow sh
34、ock.Adapted cells in locations of large pressure gradientsAdapted Mesh (Multiple AdaptionsBased on Gradients of Pressure)Pressure Contours on Adapted MeshA Pera Global Company PERA ChinaANSYS FLUENT 培训教材第三节：边界条件安世亚太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China定义边界条件n要确定一个有唯一解的物理问题，必须指定边界上的流场变量指定进入流体域的质
35、量流量、动量、能量等n定义边界条件包括:确定边界位置提供边界上的信息n边界条件类型和所采用的物理模型决定了边界上需要的数据n你需要注意边界上的流体变量应该是已知的或可以合理预估的不好的边界条件对计算结果影响很大A Pera Global Company PERA China流体域n流体域是一系列单元的集合，在其上求解所有激活的方程n需要选择流体材料对多组分或多相流，流体域包含这些相的混合物n输入的选择项多孔介质域源项层流域固定值域辐射域A Pera Global Company PERA China多孔介质n多孔介质是一种特殊的流体域在 Fluid 面板中激活多孔介质域通过用户输入的集总阻力系
36、数来确定流动方向的压降n用来模拟通过多孔介质的流动，或者流过其他均匀阻力的物体堆积床过滤纸多孔板流量分配器管束n输入各方向的粘性系数和惯性阻力系数A Pera Global Company PERA China固体域n固体域是一组只求解导热问题而不求解流动方程的单元集合n只需要输入材料名称n选择项允许输入体积热源n如果临近固体域的单元是旋转周期边界，需要指定旋转轴n可以定义固体域的运动A Pera Global Company PERA ChinaFuelAirCombustor WallManifold box1Nozzle确定边界位置-例子n在本例中，入口条件有三个可能的位置:1.进气管的
37、上游可以用均匀分布条件考虑混合效应非预混反应模型需要更多单元2.喷嘴进口平面非预混反应模型需要精确的入口分布流动仍然是非预混的3. 喷嘴出口平面预混反应模型需要精确的分布由于进口边界对流场的影响很大，不建议使用123A Pera Global Company PERA China一般的建议n如果可能，边界的位置和形状能保证流体或者进入流体域，或者流出流体域不是必须的，但这样能更好的收敛n垂直边界的方向不应该有大的梯度不正确的设置n减少近边界的网格扭曲度否则在计算早期会带来误差21Upper pressure boundary modified to ensure that flow alway
38、s enters domain.A Pera Global Company PERA China边界条件类型n外部边界通用Pressure InletPressure Outlet不可压缩流Velocity InletOutflow (不建议用)压缩流Mass Flow InletPressure Far Field其他WallSymmetryAxisPeriodic特定Inlet / Outlet VentIntake / Exhaust Fann内部边界FanInteriorPorous JumpRadiatorWalln域FluidSolidPorous mediaorificeoutl
39、etinletplate plate-shadowwallA Pera Global Company PERA China改变边界条件类型n域和域的类型在前处理阶段定义n要改变边界条件类型：在 Zone 列表中选择域名。在 Type 下拉列表中选择希望的类型A Pera Global Company PERA China设定边界条件数据n在 BC 面板中设置设定指定边界的条件:在项目树中选择边界条件在 Zone 列表中选择边界名称点击 Edit边界条件数据可以从一个面拷贝到其他面n边界条件也可以通过 UDF和分布文件定义.n分布文件这样生成:从其他CFD模拟写一个分布文件创建一个有格式的文本文
40、件 A Pera Global Company PERA China速度进口n指定速度速度大小，垂直入口方向分量大小和方向n指定入口均匀速度分布。如用UDF或者分布文件，可以指定分布入口条件n速度入口用于不可压流动，不建议用于压缩流n速度大小可以是负值，意味着出口。A Pera Global Company PERA China压力进口n压力入口适用于压缩和不可压缩流压力入口被处理为从滞止点到入口的无损失过渡FLUENT 计算静压和入口的速度通过边界的流量随内部求解和指定的流动方向而改变n需要的输入表总压超音速 / 初始表压入口流动方向湍流量（如是湍流的话）总温 (如果有传热和/或压缩）Inc
41、ompressible:Compressible:A Pera Global Company PERA China流量入口n流量入口是为可压缩流设计的，但也可以用于不可压流动调整总压以适合流量入口比压力入口更难收敛n要求的信息质量流量或流率超音速/初始表压如果当地为超音速，取静压，如果是亚音速，忽略此项。如果初场由此边界设定的化，用于初场计算总温 （在 Thermal 面板）对不可压缩流取静温指定方向A Pera Global Company PERA China压力出口n适用于压缩和不可压流动如果流动在出口是超音速的，指定的压力被忽略在外流或非封闭区域流动，作为自由边界条件n要求输入表压 流
42、体流入环境的静压。回流量 当有回流发生时，起到进口的作用 n对理想气体（可压缩）流动，可以使用无反射出口边界条件 A Pera Global Company PERA China壁面边界条件n粘性流动中，壁面采用无滑移边界条件可以指定剪切应力.n热边界条件有几种类型的热边界条件。对一维或薄壳导热计算，可以指定壁面材料和厚度（细节会在传热课程介绍）。n对湍流可以指定壁面粗糙度基于局部流场的壁面剪切应力和传热n壁面可以设置平移或旋转速度A Pera Global Company PERA China对称面和轴n对称面不需要输入流场和几何都需要是对称的:对称面法向速度为零对称面所有变量法向梯度为零必
43、须仔细确定正确的对称面位置n轴轴对称问题的中心线不需要输入必须和X轴正向重合Symmetry PlanesAxisA Pera Global Company PERA China周期边界条件n用来减少全局网格量n流场和几何必须是旋转周期对称或平移周期对称旋转周期对称通过周期面的P = 0 在流体域中必须指定旋转轴平移周期对称通过周期面的P必须有限模型是充分发展条件.指定每个周期的平均 P 或质量流量n如果没有在网格阶段定义周期条件，可以在FLUENT TUI中用下面命令指定/mesh/modify-zones/make-periodicTranslationally periodic plan
44、es2D Tube Heat ExchangerFlowRotationallyperiodicplanesA Pera Global Company PERA China内部边界面n只在单元的面上定义:内部边界面的厚度为零内部边界面上的变量可以突变n用来实现下面一些物理模型:风扇散热器多孔突变区域相比多孔介质模型更易收敛内部面A Pera Global Company PERA ChinaCase 设置的复制n要复制一个 case 设置:通过TUI命令读写边界条件 /file/write-bc创建一个边界条件文件/file/read-bc读入一个边界条件文件可以把二维case 的设置读入到三
45、维 case中inlet-1inlet-2outlet-2outlet-1fluidinlet-1inlet-2outlet-2outlet-12D Flow Domain (approximation)Actual 3D Flow DomainA Pera Global Company PERA China总结n边界域用来控制求解时的外部和内部边界，有许多边界类型用来定义不同的边界信息n实体域用来赋予流体或固体材料选择项包括多孔介质域、层流域、固定值域等n使用对称面和周期边界条件能减少计算量n未介绍的其他边界条件类型见附录远场压力排气扇 / 出风口进风口 / 抽气扇出口A Pera Glob
46、al Company PERA China附录A Pera Global Company PERA China其他边界条件n压力远场条件用来模拟无穷远处的可压缩自由流，输入静压和自由流马赫数只有密度是用理想气体计算时可以使用压力远场条件n压力出口的目标质量流量选项（不能用于多相流）固定压力出口的流量（常数或UDF）用 TUI可以设置迭代方法n排气扇 / 出风口用指定的压升/压降系数以及环境压力和温度模拟排气扇或出风口的条件n进风口 / 抽气扇用指定的压降/压升系数以及环境压力和温度模拟进风口或进气扇的条件n对LES/DES模拟的进口边界，在湍流模型一节中介绍A Pera Global Comp
47、any PERA ChinaOutflown不需要压力或速度信息出口平面的数据由内部数据外插得到边界上加入质量流量平衡n所有变量的法向梯度为零流体在边界为充分发展noutflow 边界针对不可压缩流动不能和压力进口同时使用（必须和速度进口一起使用）不能用于变密度的非稳态流动n有回流时收敛性很差.最终解如有回流，不能使用此条件A Pera Global Company PERA China多出口模拟n多出口流动可以使用压力出口或outflow压力出口 要求知道下游压力，FLUENT计算每个出口的流量比例Outflow:流量比例由 Flow Rate Weighting (FRW) 计算：出口间的
48、静压变化，以匹配设定的流量分配 Velocity inlet (V, T0)ORPressure inlet (p0, T0)Pressure outletPressure outlet Velocity inlet (V, T0)Outflow (FRW2)Outflow (FRW1)A Pera Global Company PERA ChinaANSYS FLUENT 培训教材第四节：求解器设置安世亚太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China概要n使用求解器（求解过程概览）设置求解器参数收敛定义监测稳定性加速收敛精度网格无关性网格自适应非稳态流
49、模拟（后续章节中介绍）非稳态流问题设置非稳态流模型选择总结附录A Pera Global Company PERA China求解过程概览n求解参数选择求解器离散格式n初始条件n收敛监测收敛过程稳定性设置松弛因子设置 Courant number加速收敛n精度网格无关性自适应网格NoSet the solution parametersInitialize the solutionEnable the solution monitors of interestModify solution parameters or gridCalculate a solutionCheck for conv
50、ergenceCheck for accuracyStopYesYesNoA Pera Global Company PERA China求解器选择nFLUENT中有两种求解器 压力基和密度基。n压力基求解器以动量和压力为基本变量通过连续性方程导出压力和速度的耦合算法n压力基求解器有两种算法分离求解器 压力修正和动量方程顺序求解。耦合求解器 (PBCS) 压力和动量方程同时求解Pressure-Based(segregated)Density-Based(coupled)Solve Mass Continuity;Update VelocitySolve U-MomentumSolve V-M
51、omentumSolve W-MomentumPressure-Based(coupled)Solve Turbulence Equation(s)Solve SpeciesSolve EnergySolve Other Transport Equations as requiredSolve Mass& MomentumSolve Mass,Momentum,Energy,SpeciesA Pera Global Company PERA China求解器选择n密度基耦合求解器以矢量方式求解连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程通过状态方程得到压力其他标量方程按照分离方式求解nDBCS 可
52、以显式或隐式方式求解隐式 使用高斯赛德尔方法求解所有变量显式: 用多步龙格库塔显式时间积分法。Enabling pressure-based coupled solver (PBCS)A Pera Global Company PERA China如何选择求解器n压力基求解器应用范围覆盖从低压不可压缩流到高速压缩流需要的内存少求解过程灵活n压力基耦合求解器 (PBCS) 适用于大多数单相流，比分离求解器性能更好不能用于多相流（欧拉）、周期质量流和 NITA比分离求解器多用1.52倍内存n密度基耦合求解器 (DBCS)适用于密度、能量、动量、组分间强耦合的现象例如: 伴有燃烧的高速可压缩流动，超
53、高音速流动、激波干扰n隐式方法一般优于显式，因为其对时间步有严格的限制n显式方法一般用于流动时间尺度和声学时间尺度相当的情况（如高马赫激波的传播）A Pera Global Company PERA China离散化（插值方法）n存储在单元中心的流场变量必须插值到控制体面上n对流项的插值方法有:First-Order Upwind 易收敛，一阶精度。Power Law 对低雷诺数流动 （ Recell 3.51063105 Re 3.510640 Re 150150 Re 31055-15 Re 40 Re 5 湍流涡街，但涡间距离更近湍流涡街，但涡间距离更近边界层转捩为湍流边界层转捩为湍流
54、分离点前为层流边界层，尾迹为分离点前为层流边界层，尾迹为湍流湍流层流涡街层流涡街尾迹区有一对稳定涡尾迹区有一对稳定涡蠕动流（无分离）蠕动流（无分离）A Pera Global Company PERA China后台阶流瞬时速度分布 时间平均的速度分布 A Pera Global Company PERA China横风中的射流n左图是抓拍的瞬态羽流图，右图是延时的光滑掉细节（涡）的平均图。横风中的射流横风中的射流From Su and Mungal in Durbin and Medic (2008)A Pera Global Company PERA Chinan时间平均定义为 n瞬时场拆
55、分为平均量和脉动量之和，如n对NS方程进行平均，得到雷诺平均的NS方程 (RANS) :雷诺平均方程和封闭问题Reynolds stress tensor, RijA Pera Global Company PERA China雷诺应力张量nRij 对称二阶应力; 由对动量方程的输运加速度项平均得来n雷诺应力提供了湍流（随机脉动）输运的平均效应，是高度扩散的nRANS方程中的雷诺应力张量代表湍流脉动的混合和平均带来的光顺A Pera Global Company PERA China封闭问题n为了封闭 RANS 方程组，必须对雷诺应力张量进行模拟涡粘模型 (EVM) 基于 Boussinesq
56、假设，即雷诺应力正比于时均速度的应变，比例常数为涡粘系数（湍流粘性）雷诺应力模型 (RSM): 求解六个雷诺应力项（加上耗散率方程）的偏微分输运方程组Eddy viscosityA Pera Global Company PERA China涡粘模型n量纲分析表明，如果我们知道必要的几个尺度（如速度尺度、长度尺度），涡粘系数就可以确定出来例如，给定速度尺度和长度尺度，或速度尺度和时间尺度，涡粘系数就被确定，RANS方程也就封闭了只有非常简单的流动才能预测出这些尺度（如充分发展的管流或粘度计里的流动n对一般问题，我们需要导出偏微分输运方程组来计算涡粘系数n湍动能k 启发了求解涡粘模型的物理机理A
57、 Pera Global Company PERA China涡粘模型n涡粘系数类似于动量扩散效应中的分子粘性 n涡粘系数不是流体的属性，是一个湍流的特征量，随着流体流动的位置而改变。n涡粘模型是CFD中使用最广泛的湍流模型n涡粘模型的局限基于各向同性假设，而实际有许多流动现象是高度各向异性的（大曲率流动，强漩流，冲击流动等）涡粘模型和流体旋转引起的雷诺应力项不相关平均速度的应变张量导出的雷诺应力假设不总是有效的A Pera Global Company PERA ChinaFLUENT中的湍流模型RANS basedmodels一方程模型一方程模型 Spalart-Allmaras二方程模型
58、二方程模型 Standard k RNG k Realizable k Standard k SST k4-Equation v2f *Reynolds Stress Modelkkl Transition ModelSST Transition ModelDetached Eddy SimulationLarge Eddy Simulation Increase inComputational Cost Per Iteration*A separate license is requiredA Pera Global Company PERA ChinaSpalart-Allmaras (S
59、-A) 模型nSA模型求解修正涡粘系数的一个输运方程，计算量小修正后，涡粘系数在近壁面处容易求解n主要应用于气动/旋转机械等流动分离很小的领域，如绕过机翼的超音速/跨音速流动，边界层流动等n是一个相对新的一方程模型，不需求解和局部剪切层厚度相关的长度尺度n为气动领域设计的，包括封闭腔内流动可以很好计算有反向压力梯度的边界层流动在旋转机械方面应用很广n局限性不可用于所有类型的复杂工程流动不能预测各向同性湍流的耗散A Pera Global Company PERA China标准 k 模型n选择 作为第二个模型方程， 方程是基于现象提出而非推导得到的n耗散率和 k 以及湍流长度尺度相关:n结合
60、k 方程, 涡粘系数可以表示为:A Pera Global Company PERA China标准 k 模型SKEnSKE 是工业应用中最广泛使用的模型模型参数通过试验数据校验过，如管流、平板流等对大多数应用有很好的稳定性和合理的精度包括适用于压缩性、浮力、燃烧等子模型nSKE 局限性:对有大的压力梯度、强分离流、强旋流和大曲率流动，模拟精度不够。难以准备模拟出射流的传播对有大的应变区域（如近分离点），模拟的k 偏大A Pera Global Company PERA ChinaRealizable k和 RNG k 模型nRealizable k (RKE) 模型耗散率 () 方程由旋涡脉
61、动的均方差导出，这是和SKE的根本不同对雷诺应力项施加了几个可实现的条件 优势:精确预测平板和圆柱射流的传播对包括旋转、有大反压力梯度的边界层、分离、回流等现象有更好的预测结果nRNG k (RNG) 模型:k方程中的常数是通过重正规化群理论分析得到，而不是通过试验得到的，修正了耗散率方程在一些复杂的剪切流、有大应变率、旋涡、分离等流动问题比SKE 表现更好A Pera Global Company PERA China标准 k 和 SST kn标准 k (SKW)模型:在粘性子层中，使用稳定性更好的低雷诺数公式。 k包含几个子模型：压缩性效应，转捩流动和剪切流修正对反压力梯度流模拟的更好SK
62、W 对自由来流条件更敏感在气动和旋转机械领域应用较多nShear Stress Transport k (SSTKW) 模型SST k 模型混合了 和模型的优势，在近壁面处使用k模型，而在边界层外采用 k 模型包含了修正的湍流粘性公式，考虑了湍流剪切应力的效应SST 一般能更精确的模拟反压力梯度引起的分离点和分离区大小A Pera Global Company PERA China雷诺应力模型 (RSM)n回忆一下涡粘模型的局限性:应力-应变的线性关系导致在应力输运重要的情况下预测不准，如非平衡流动、分离流和回流等不能考虑由于流线曲度引起的额外应力作用，如旋转、大的偏转流动等当湍流是高度各向异
63、性、有三维效应时表现较差n为了克服上述缺点，通过平均速度脉动的乘积，导出六个独立的雷诺应力分量输运方程RSM适合于高度各向异性流，三维流等，但计算代价大目前 RSMs 并不总是优于涡粘模型A Pera Global Company PERA China边界层一致性定律n近壁面处无量纲的速度分布图n对平衡的湍流边界层来说，半对数曲线的线性段叫做边界层一致性定律，或对数边界层y is the normal distancefrom the wall.Outer layerUpper limit of loglaw region dependson Reynolds numberViscous su
64、blayerBufferlayer orblendingregionFully turbulent region(log law region)Inner layerA Pera Global Company PERA China近壁面处理n在近壁面处，湍流边界层很薄，求解变量的梯度很大，但精确计算边界层对仿真来说非常重要n可以使用很密的网格来解析边界层，但对工程应用来说，代价很大n对平衡湍流边界层，使用对数区定律能解决这个问题由对数定律得到的速度分布和壁面剪切应力，然后对临近壁面的网格单元设置应力条件假设 k、在边界层是平衡的用非平衡壁面函数来提高预测有高压力梯度、分离、回流和滞止流动的结果
65、对能量和组分方程也建立了类似的对数定律优势：壁面函数允许在近壁面使用相对粗的网格，减少计算代价A Pera Global Company PERA Chinainner layerouter layer近壁面网格要求n标准壁面函数，非平衡壁面函数:y+ 值应介于 30 到 300500之间网格尺度递增系数应不大于 1.2n加强壁面函数的选择：结合了壁面定律和两层区域模型适用于雷诺数流动和近壁面现象复杂的流动在边界层内层对k 模型修正一般要求近壁面网格能解析粘性子层(y+ 5, 以及边界层内层有 1015 层网格)A Pera Global Company PERA China近壁面网格尺寸预估
66、n对平板流动，湍流摩擦系数的指数定律为：n壁面到第一层流体单元的中心点的距离 (y)可以通过估计壁面剪切层的雷诺数来预估n类似的，对管流可以预估 y 为:(Bulk Reynolds number)(Hydraulic diameter)A Pera Global Company PERA China尺度化壁面函数n实际上，很多使用者难以保证 30 y+ 30500 n常规的壁面函数是精度的主要限制之一，壁面函数对近壁面网格尺寸很敏感，而且随着网格加密，精度不一定总是提高。同时，加强的壁面函数计算代价很高nScalable Wall Functions对 k 模型， 尺度化壁面函数假设壁面和粘
67、性子层的边界是一致的，因此，流体单元总是位于粘性子层之上，这样可以避免由于近壁面网格加密导致的不连续性 (注意： k, SST 和 S-A 模型的近壁面是自动处理的，不能使用尺度化壁面函数）n通过 TUI 命令来运行/define/models/viscous/near-wall-treatment/scalable-wall-functionsA Pera Global Company PERA China近壁面处理总结n对大多数工业CFD应用来说，壁面函数仍然是最合适的处理方法n对 k 系列的湍流模型，建议使用尺度化壁面函数n标准壁面函数对简单剪切流动模拟的很好，非平衡壁面函数提高了大压力
68、梯度和分离流动的模拟精度n加强壁面函数用于对数定律不适合的更复杂的流动（例如非平衡壁面剪切层或低雷诺数流动）A Pera Global Company PERA China进口边界条件n当湍流通过入口或出口（回流）进入流体域时，必须设置k, , 及 取决于选择哪个湍流模型。n有四种设置方法:直接输入 k, , , 或雷诺应力分量湍流强度和长度尺度长度尺度和大涡的尺度相关对边界层流动: l 0.499对下游流动: l 开口尺寸湍流强度和水力直径（主要适合内流）湍流强大和粘性比（主要适合外流）A Pera Global Company PERA China例一，钝体平板流n用四种不同的湍流模型模拟
69、了绕过钝体平板的流动8,700 个四边形网格，在回流再附着区和前缘附近加密非平衡边界层处理N. Djilali and I. S. Gartshore (1991), “Turbulent Flow Around a Bluff Rectangular Plate, Part I: Experimental Investigation,” JFE, Vol. 113, pp. 5159.Recirculation zoneReattachment pointA Pera Global Company PERA China例一，钝体平板流RNG kStandard kReynolds Stres
70、sRealizable kContours of Turbulent Kinetic Energy (m2/s2)0.000.070.140.210.280.350.420.490.560.630.70A Pera Global Company PERA ChinaExperimentally observed reattachment point is atx / D = 4.7Predicted separation bubble:例一，钝体平板流Standard k (SKE)SkinFrictionCoefficientCf 1000SKE severely underpredicts
71、 the size of the separation bubble, while RKE predicts the size exactly.Realizable k (RKE)Distance AlongPlate, x / DA Pera Global Company PERA China例二，旋风分离器n40,000个六面体网格n高阶上风格式n使用 SKE, RNG, RKE and RSM 模型及标准壁面函数n代表性的高旋涡流 (Wmax = 1.8 Uin)0.2 mUin = 20 m/s0.97 m0.1 m0.12 mA Pera Global Company PERA Ch
72、ina例二，旋风分离器n低于0.41米处的切向速度分布A Pera Global Company PERA China总结-湍流模型指南n成功的选择湍流模型需要判断:流动现象计算机资源项目要求精度时间近壁面处理的选择n模拟进程计算特征雷诺数，判断是否是湍流如果存在转捩，考虑使用转捩模型划分网格前，预估近壁面的y+除了低雷诺数流动和复杂近壁面现象（非平衡边界层）外，用壁面函数方法确定如何准备网格以 RKE (realizable k-) 开始，如果需要，改用 S-A, RNG, SKW, SST 或者 v2f对高度旋涡流动、三维、旋转流动，使用 RSM记住目前没有一个适用于所有流动的高级模型!A
73、 Pera Global Company PERA ChinaRANS 模型描述A Pera Global Company PERA ChinaRANS 模型总结A Pera Global Company PERA ChinaANSYS FLUENT 培训教材第六节：传热模型安世亚太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China概要n能量方程n壁面边界条件n共轭传热n薄壁和双面壁n自然对流n辐射模型n报告-输出A Pera Global Company PERA China能量方程n能量输运方程:单位质量的能量 E :对可压缩性流体，或者密度基求解器，总是
74、考虑压力做功和动能。对压力基求解器计算不可压流体，这些项被忽略，可以用下面的命令加入:define/models/energy? ConductionSpeciesDiffusionViscousDissipationConductionUnsteadyEnthalpy Source/SinkA Pera Global Company PERA China固体域的能量方程n能计算固体域的导热n能量方程:h 显焓:n固体域的各向异性导热系数（压力基求解器）A Pera Global Company PERA China壁面边界条件n五类热边界条件热流量温度对流 模拟外部环境的对流（用户定义换热系
75、数）辐射 模拟外部环境的辐射（用户定义外部发射率和辐射温度）混合 对流和辐射边界的 结合.n壁面材料和厚度可以定义n为一维或壳导热计算A Pera Global Company PERA China共轭传热nCHT固体域的导热和流体域的对流换热耦合n在流体/固体交界面使用耦合边界条件Coolant Flow Past Heated RodsGridVelocity VectorsTemperature ContoursA Pera Global Company PERA China共轭传热例子Circuit board (externally cooled)k = 0.1 W/mKh = 1.
76、5 W/m2KT = 298 KAir inletV = 0.5 m/sT = 298 KElectronic Component(one half is modeled)k = 1.0 W/mKHeat generation rate of 2 watts (each component)Top wall(externally cooled)h = 1.5 W/m2KT = 298 KSymmetryPlanesAir outletA Pera Global Company PERA China问题设置-热源n在固体域加入热源模拟电子部件的生成热A Pera Global Company P
77、ERA China温度分布FlowdirectionConvection Boundary1.5 W/m2 K298 K free stream temp.Convection boundary1.5 W/m2 K298 K free stream tempFront ViewTop View(image mirrored about symmetry plane)Elect. Component(solid zone)2 Watts sourceBoard(solid zone)Air (fluid zone)298426410394378362346330314Temp.(F)Flowdi
78、rectionA Pera Global Company PERA China替代的模拟策略n可替代的策略为模拟壁面为一有厚度面 (Thin Wall model).n这时，不需对固体域划分网格A Pera Global Company PERA China对固体板划分网格 vs. 薄壁方法n对固体板划分网格在固体域求解能量方程l.板厚度需用网格离散最精确的方法，但需要多计算网格由于壁面两侧都有网格，总是应用耦合热边界条件Fluid zoneSolid zoneWall zone(with shadow)Wall thermal resistance directly accounted fo
79、r in the Energy equation; Through-thickness temperature distribution is calculated.Bidirectional heat conduction is calculated.A Pera Global Company PERA China对固体板划分网格 vs. 薄壁方法n薄壁方法人工模型模拟壁面热阻壁面需要必要的数据输入（材料导热系数，厚度）只有对内部边界用耦合边界条件Fluid zoneWall zone(no shadow)Wall thermal resistance is calculated using
80、 artificial wall thickness and material type. Through-thickness temperature distribution is assumed to be linear.Conduction is only calculated in the wall-normal direction unless Shell Conduction is enabled.A Pera Global Company PERA China壳导热模型n壳导热模型处理板内部的导热n求解器创建额外的导热单元，但不能显示，也不能通过UDF获得n固体属性必须是常数，不
81、能和温度相关Static Temperature(cell value)Virtual conduction cellsA Pera Global Company PERA China自然对流n当流体加热后密度变化时，发生自然对流n流动是由密度差引起的重力驱动的n有重力存在时，动量方程的压力梯度和体积力项重写为：:其中A Pera Global Company PERA China自然对流 Boussinesq 模型nBoussinesq 模型假设流体密度是不变的，只是改变动量方程沿着重力方向的体积力适用于密度变化小的情况 (例如，温度在小范围内变化).n对许多自然对流问题，Boussines
82、q 假设有更好的收敛性常密度假设减少了非线性.密度变化较小时适合.不能和有化学反应的组分输运方程同时使用.n封闭空间的自然对流问题对稳态问题，必须使用 Boussinesq 模型.非稳态问题，可以使用 Boussinesq 模型或者理想气体模型A Pera Global Company PERA China自然对流的用户输入n在操作条件面板中定义重力加速度n定义密度模型Boussinesq 模型激活重力项.设置操作温度 T0.选择 Boussinesq 模型，输入密度值 0.设置热膨胀系数 .使用温度变化模型 (ideal gas, Aungier-Redlich-Kwong, polynom
83、ial):设置操作密度或让 FLUENT 从单元平均中计算 0 A Pera Global Company PERA China辐射n当和对流及导热换热相比， 量级相当时，应该考虑辐射效应 ， Stefan-Boltzmann常数, 5.6710-8 W/(m2K4)n要考虑辐射，需求解辐射强度输运方程RTEs当地流体对辐射能的吸收，以及边界对辐射的吸收，把RTEs 和能量方程耦合起来这些方程常常和流动方程分离求解，然而，他们也可以和流动耦合n辐射强度, I(r,s),和方向及空间是相关的nFLUENT中有五个辐射模型离散坐标模型 (DOM)离散传输辐射模型 (DTRM)P1 模型Rossel
84、and 模型lSurface-to-Surface (S2S)A Pera Global Company PERA China选择辐射模型n指南：计算代价P1 计算代价小，有合理的精度精度DTRM 和 DOM 最精确. 光学厚度DTRM/DOM 适合光学厚度小的模型 (L 1)P1 适合光学厚度大的模型.S2S 适合零厚度模型散射只有 P1 和 DO能考虑散射 颗粒辐射P1 和 DOM 能考虑气体和颗粒间的辐射换热局部热源适合用DTRM/DOM 带足够数量的射线/坐标计算A Pera Global Company PERA China附录A Pera Global Company PERA C
85、hina太阳辐射模型n太阳辐射模型太阳辐射能量的射线追踪算法，和其他辐射模型兼容允许并行计算（但射线追踪算法不能并行）仅适用3Dn特点太阳方向向量太阳强度（方向，散射）使用理论最大或气象条件计算方向和方向强度瞬态情况当方向向量是用太阳计算器算出的化，瞬态计算中太阳方向矢量会随时间改变设置 “time steps per solar load update”A Pera Global Company PERA China能量方程源项 粘性耗散n粘性耗散引起的能量源项:也称为粘性加热对粘性剪切力大的流体（如润滑油）和高速可压缩流动比较重要常常忽略缺省的压力基求解器不包括.密度基求解器一般包括.当
86、Brinkman 数接近或超过1时重要A Pera Global Company PERA China能量方程源项 组分扩散n多组分流中因为组分扩散引起的能量源项：包括了由于组分扩散引起的焓输运效应密度基求解器总包含在压力基求解器中可以不显示此项A Pera Global Company PERA China能量方程 源项n化学反应流中由于化学反应引起的能量源项所有组分的生成焓所有组分的体积生成率n由于辐射引起的能量源项n相间能量源项:包括连续相和离散相间的传热DPM, 喷雾, 颗粒A Pera Global Company PERA China薄壁中的温度分布n薄壁模型应用于法向导热，不生成
87、实际的单元n壁面热边界条件应用于外层Thermal boundary condition on wallStatic temperature(cell value)Thin wall(no mesh)Wall temperature(outer surface)Wall temperature(inner surface)A Pera Global Company PERA China薄壁和两侧壁面n薄壁方法中，壁面厚度不需划分网格n在两个区域之间模拟薄层的材料n求解器施加热阻 x/kn边界条件施加在外层面上Thermal boundary conditions are supplied on
88、 the inner surface of a thin wallExterior wall(user-specified thickness)Fluid or solid cellsOuter surface(calculated)Inner surface(thermal boundary condition specified here)Interior wall(user-specified thickness)Interior wall shadow(user-specified thickness)Thermal boundary conditions are supplied o
89、n the inner surfaces of uncoupled wall/shadow pairsFluid or solid cellsFluid or solid cellsA Pera Global Company PERA China离散坐标模型AbsorptionEmissionScatteringn在有限的离散立体角度s上求解辐射输运方程 :n优势:守恒方法能保证粗的离散方式上实现热平衡通过更密的离散方式能提高精度最综合性的模型:考虑了散射、半透明介质、镜面以及波长相关的灰体模型n局限性: 求解大数量坐标耗费CPU过多A Pera Global Company PERA Chi
90、na离散传输辐射模型 (DTRM)n主要的假设 特定范围角度的离开表面的辐射能用一束射线近似n使用射线跟踪技术，沿着每条射线积分辐射强度n优势:相对简单的模型增加射线数量能提高精度适用大范围的光学厚度n局限性:假设所有表面是漫射的. 不包括散射.求解大数量的射线耗费CPU过多.A Pera Global Company PERA ChinaP-1 模型n主要假设 对RTE积分后，和方向不再相关，导出入射辐射的扩散方程n优势:辐射传热方程更易求解，耗费资源少包括散射效应颗粒、液滴和烟灰的影响对光学厚度大的应用（如燃烧）较合理n局限性:假设所有面都是漫射的 如果光学厚度小的话，可能导致精度损失（取
91、决于几何的复杂性）对局部热源或汇，预测的辐射热过高A Pera Global Company PERA ChinaSurface-to-Surface (S2S) 辐射模型nS2S辐射模型用于模拟介质不参与的辐射例如，太空飞船的排热系统、太阳能搜集系统、辐射加热器、汽车发动机舱散热等S2S 是基于角系数的模型假设没有介质参与n局限性: S2S 模型假设所有面是散射的假设是灰体辐射随着表面数量的增加，存储和内存增加很快可以使用面族来减少内存使用面族不能和滑移网格及悬节点同时使用 不能使用于周期性或对称边界条件A Pera Global Company PERA China输出 ANSYSn输出扩
92、展名为 .rfl的 ANSYS 结果文件，读入到ANSYS的顺序为： 1.在 ANSYS中，到“ General Postproc Data”及“ File Options”，读入FLUENT生成的文件2.到“ Results Summary ”，点击第一行，能看到ANSYS_56_OUTPUT窗口显示的几何信息3.在 ANSYS 输入窗口，键入下面的命令: SET,FIRST/PREP7ET,1,142最后一个命令对应 FLOTRAN 3D 单元，如果你使用二维计算，应改为：ET,1,141. 4.在 ANSYS MULTIPHYSICS UTITLITY 菜单，选择 Plot 及 Node
93、s 或Elements, 在 下拉窗口的Results中，选择包括节点A Pera Global Company PERA China输出 ANSYS n通过 GUI 或 TUI输出ANSYS 文件 /file/export/ansys file-namen文件包括坐标、连接关系及下面 的标量：Density, viscosityX, Y, Z velocity, pressure, temperatureTurbulence kinetic energy, turbulence dissipation rate, turbulent viscosity, effective viscosit
94、yThermal conductivity (laminar, turbulent, effective)Total pressure and temperature, pressure coefficient, Mach number, stream function, heat flux, heat transfer coefficient, wall shear stress, specific heatA Pera Global Company PERA China输出 ABAQUSn输出文件（ file.aba）包括坐标、连接关系、选择的载荷、域组、速度、选择的标量等n只对三维模型有
95、效，并且是固体域或固体域的表面n流体域的传热系数不可写出 n下面命令对做流固交界面分析有用 file/export/abaqus file-name list-of-surfaces () yes|no list-of-scalars qA Pera Global Company PERA China输出其他格式 nNASTRAN/PATRANn对于 ABAQUS, NASTRAN, 和 PATRAN, 选择要写出的载荷 (Force, Temperature, and/or Heat Flux) 来分析结构应力 (fluid pressure or thermal) n如果没有选择面的话，载
96、荷只在边界面上写出 A Pera Global Company PERA China报告 Heat Flux nHeat flux 报告:建议检查热平衡以确 保计算收敛n输出 Heat Flux 数据:可以输出壁面的热通量数据 （包括辐射）file/export/custom-heat-flux 文件格式: zone-name nfacesx_f y_f z_f A Q T_w T_c HTCA Pera Global Company PERA China报告 传热系数n基于壁面函数的传热系数其中 cP 为比热, kP 是点P处湍动能, T* 无量纲温度:只有湍流并且能量方程开关打开时有用 A
97、 Pera Global Company PERA ChinaANSYS FLUENT 培训教材第七节：UDF安世亚太科技（北京）有限公司A Pera Global Company PERA China概要nFLUENT UDF简介nFLUENT 数据结构和宏n两个例子nUDF 支持A Pera Global Company PERA China简介n什么是UDF?UDF 是用户自己用C语言写的一个函数，可以和FLUENT动态链接 标准C 函数三角函数，指数，控制块，Do循环，文件读入/输出等预定义宏允许获得流场变量，材料属性，单元几何信息及其他n为什么使用 UDFs?标准的界面不能编程模拟所
98、有需求:定制边界条件，源项，反应速率，材料属性等定制物理模型用户提供的模型方程调整函数执行和需求函数初始化A Pera Global Company PERA China可以使用UDF的位置User-Defined PropertiesUser-Defined BCsUser Defined INITIALIZESegregatedPBCSExit LoopRepeatCheck Convergence Update Properties Solve Turbulence Equation(s)Solve SpeciesSolve EnergyInitializeBegin LoopDBCSS
99、olve Other Transport Equations as requiredSolver?Solve Mass Continuity;Update VelocitySolve U-MomentumSolve V-MomentumSolve W-MomentumSolve Mass& MomentumSolve Mass,Momentum,Energy,SpeciesUser-defined ADJUSTSource termsSource termsSource termsSourcetermsA Pera Global Company PERA ChinaUDF 数据结构 (1)在U
100、DF中，体域和面域通过Thread数据类型获得Thread 是 FLUENT 定义的数据类型为了在thread (zone)中获得数据，我们需要提供正确的指针，并使用循环宏获得thread中的每个成员(cell or face)Fluid (cell thread or zone)Boundary (face thread or zone)DomainCellDomainCellsCell Threadface face ThreadThreadFacesA Pera Global Company PERA ChinaUDF 数据结构(2)ncell_t 声明了识别单元的整型数据类型nface
101、_t声明了识别面的整型数据类型TypeTypeVariableVariableMeaning of the declarationMeaning of the declarationDomain*d;d is a pointer to domain threadThread *t; t is a pointer to thread cell_t c; c is cell thread variableface_t f; f is a face thread variableNode *node;node is a pointer to a node.Boundary face-thread(b
102、oundary-face ensemble)Fluid cell-thread(control-volume ensemble)Internal face-thread(internal-face ensemble)associated with cell-threadsNodesA Pera Global Company PERA ChinaUDF中的循环宏n几个经常用到的循环宏为:对域d中所有单元thread循环:thread_loop_c(ct,d) 对域d中所有面thread循环:thread_loop_f(ft,d) 对thread t中所有单元循环：begin_c_loop(c,
103、t) end_c_loop (c,t) 对面thread中所有面循环begin_f_loop(f, f_thread) end_f_loop(f, f_thread)d: a domain pointer ct, t: a cell thread pointerft,f_thread: a face thread pointerc: a cell thread variablef: a face thread variableA Pera Global Company PERA China例子 抛物线分布的速度入口n在二维弯管入口施加抛物线分布的速度nx 方向的速度定义为n需要通过宏获得入口的
104、中心点， 通过另外一个宏赋予速度条件A Pera Global Company PERA China 第1步 准备源代码nDEFINE_PROFILE 宏允许定义x_velocity函数所有的UDFs 以 DEFINE_ 宏开始x_velocity 将在 GUI中出现thread 和 nv DEFINE_PROFILE 宏的参数，分别用来识别域和变量begin_f_loop宏通过thread指针，对所有的面f循环n F_CENTROID宏赋单元位置向量给 xn F_PROFILE 宏在面 f上施加速度分量n代码以文本文件保存inlet_bc.c#include udf.hDEFINE_PROF
105、ILE(x_velocity,thread,nv) float x3; /* an array for the coordinates */ float y; face_t f; /* f is a face thread index */ begin_f_loop(f, thread) F_CENTROID(x,f,thread); y = x1; F_PROFILE(f, thread, nv) = 20.*(1.- y*y/(.0745*.0745); end_f_loop(f, thread)Header file “udf.h” must be included at the top
106、of the program by the #include commandA Pera Global Company PERA China第 2 步 解释或编译 UDFn编译UDFn把 UDF 源码加入到源文件列表中n点击 Build进行编译和链接n如果没有错误，点击Load读入库文件n如需要，也可以卸载库文件/define/user-defined/functions/managen解释UDFn把 UDF 源码加入到源文件列表中n点击 InterpretnFLUENT 窗口会出现语言n如果没有错误，点击 CloseDefineUser-DefinedFunctionsCompiledDef
107、ineUser-DefinedFunctionsInterpretedA Pera Global Company PERA China解释 vs. 编译n用户函数可以在运行时读入并解释，也可以编译形成共享库文件并和FLUENT链接n解释 vs. 编译解释解释器是占用内存的一个大型程序通过逐行即时执行代码优势 不需要第三方编译器劣势 解释过程慢，且占用内存编译UDF 代码一次转换为机器语言运行效率高.创建共享库，和其他求解器链接克服解释器的缺陷n只有在没安装C编译器时使用解释方式A Pera Global Company PERA China第3 步 在 FLUENT GUI中hook UDFn
108、打开边界条件面板，选择你要施加UDF的边界n把 Constant 改为 udf x_velocityn宏的名字为 DEFINE_PROFILE 中第一个参数A Pera Global Company PERA China第4步 运行n可以在运行窗口中改变速度分布的更新间隔（默认为1）这个设置控制了流场多久（迭代或时间步）更新一次n运行 calculation A Pera Global Company PERA China结果n左图为速度矢量图n右图为入口的速度矢量图，注意速度分布是抛物线型的A Pera Global Company PERA China其他 UDF Hooksn除了边界条件
109、、源项、材料属性外，UDF 还可用于初始化每次初始化执行一次求解调整每次迭代执行一次壁面热流量以传热系数方式定义流体侧的扩散和辐射热流量应用于所有壁面用户定义表面反应或体积反应Case/ data 文件的读写读入顺序必须和写出顺序一致Execute-on-Demand 功能不参与求解迭代DefineUser-DefinedFunction HooksA Pera Global Company PERA China例 2 定制初始化n在球内设定初始温度600 K 球中心点位于 (0.5, 0.5, 0.5), 半径为 0.25, 其余区域为300 Kn域指针通过变量传递到UDFnthread_l
110、oop_c 宏用来获得所有单元threads (zones), begin_c_loop 宏获得每个单元thread中的单元 #include udf.h“ DEFINE_INIT(my_init_function, domain) cell_t c; Thread *ct; real xcND_ND; thread_loop_c(ct,domain) begin_c_loop (c,ct) C_CENTROID(xc,c,ct); if (sqrt(ND_SUM(pow(xc0-0.5,2.), pow(xc1 - 0.5,2.), pow(xc2 - 0.5,2.) Programs AN
111、SYS 12.0 ANSYS CFD-Postn也可以在 CFX-Solver Manager 或 CFX Launcher中启动A Pera Global Company PERA ChinaGUI 布局Outline tab (“model tree”)Details viewAdditional tabs (various tools)Various Viewers (3D, Chart, )A Pera Global Company PERA China1.确定位置。数据会在这个位置抽取出来，各种图形也在这个位置产生2.如需要，创建变量/表达式3.i) 在位置上生成定量的数据ii) 在
112、位置上生成定性的数据4.生成报告CFD-Post 一般流程A Pera Global Company PERA China创建位置n在 Insert 菜单或工具栏中创建位置n创建好的位置显示在Outline 树中控制显示的按钮控制显示的按钮双击位置对象可以编辑双击位置对象可以编辑右键点击对象可以复制或删除右键点击对象可以复制或删除A Pera Global Company PERA China创建位置n域，子域，边界和网格区域都是位置边界和网格区域可以编辑、用变量着色网格区域从网格中提供所有内部或外部的二维/三维区域n用户创建的位置都罗列在User Locations and Plots菜单下
113、n报告中含有的项目列表A Pera Global Company PERA Chinan面(Planes)XY Plane, Point and Normal, etc.在求解域里，可以创建圆或矩形n点(Point)XYZ: 坐标系创建. 通过鼠标拾取节点数(Node Number): 一些求解器错误产生的节点数信息最大/最小变量: 标明最大/最小变量出现的地方n点云(Point Cloud)创建多个点位置类型A Pera Global Company PERA China位置类型nLines两点之间的直线经常用于XY图表制作nPolylines也常用语图表制作从文件中读入点采用边界相交线从c
114、ontour plot抽取的线A Pera Global Company PERA China位置类型n体(Volumes)以 Surface构建以选择的所有面构建而成用于网格检查等值体(Isovolume)基于变量A Pera Global Company PERA China位置类型n等值面某指定变量的面nIso ClipIso Clip采用复制已有的location，并一个或多个标准进行约束例如，对出口边界条件将速度值界定在= 10 m/s和 New 创建新的变量n用户自定义变量有三种方法n通过表达式定义变量，可以定义为其他变量的函数首先需要在Expressions 按钮处创建表达式.n
115、Frozen Copy 用于Case的比较nGradient 方法用于计算任何存在的标量变量的梯度生成新的向量变量A Pera Global Company PERA Chinan目标: Plot VelRatio = 0.7的等值面 这里1.在在 Expressions 按钮处，创建按钮处，创建VelRatio表达式表达式:2.在在Variables按钮处，通过表达式创建新变量按钮处，通过表达式创建新变量VelRatio using Method = Expression用户自定义变量举例A Pera Global Company PERA China3.通过变量的方式创建通过变量的方式创建
116、Isosurface ，定义，定义VelRatio =0.7用户自定义变量举例目标目标: Plot VelRatio = 0.7的等值面的等值面 这里这里A Pera Global Company PERA China表达式按钮nExpressions按钮显示全部存在的表达式，也可以创建新的表达式在表达式上点击右键 Newn对新的表达式，在Definition下进行细节定义右击，将显示Functions, Variables 等等，可用于构建表达式nPlot按钮可用于对表达式进行XY的图示必须限定一个表达式的范围，而另外一个表达式为定值A Pera Global Company PERA Ch
117、inan函数计算器Function Calculator抽取计算结果的工程数据具体的函数功能，请查看帮助文档这些函数也可用于创建表达式n宏计算器Macro Calculator计算预先定义好的宏自定义宏n网格计算器Mesh Calculator网格质量计算器按钮A Pera Global Company PERA China选择机械后处理nTurbo 按钮包含透平机械计算的后处理工具. 详见附件B 自动生成turbo图表Blade loading chartA Pera Global Company PERA Chinan创建表格和图表生成表格(Tables)和图表(Charts)A Pera
118、 Global Company PERA China表格n在工具栏选择tables按钮，或Insert Table3D视图将转化到table视图n在Tables里可以显示数据和表达式 nTables可以自动的添加到report中n表格单元可以是表达式或者文本以“=“ 开始表达式用于当变量和/或位置变化时的计算和更新1. Create Table2. Create Text Cells3. Create Expression Cells4. Use drop-down menus to assist expression creationA Pera Global Company PERA Ch
119、inan沿着线/曲线显示出两个变量之间的关系首先需要创建线/曲线多义线, 边界交线, 等高线等nCharts可以自动的添加到Report里nChart Points图表点不需要在空间上均匀分布数据点常常指线/曲线与网格面的交点n可以在一个图表里图示多个线图表A Pera Global Company PERA China1. Create Curves2. Create Chart3. Select Chart Type4. Create Data Series (Lines)图表5. Select X and Y Axis variablesA Pera Global Company PER
120、A China图表: 类型nCharts的三个类型:XY基于 line XY Transient or Sequence基于 point：表达式 (通常是时间) 与一个变量典型的用于显示变量在某点的的瞬态变化计算结果数据必须是瞬态结果文件Histogram能建立各种数据类型的柱状图X轴变量为离散量，Y轴为频率A Pera Global Company PERA China图表: 数据系列和轴n每种数据对应于一个位置(line, point, 等.) ，且对于于一个图表里的曲线n采用X 和Y 轴键设置轴上的变量n其余键为变量显示方面的设置Add new data seriesA Pera Glo
121、bal Company PERA China快速傅立叶变换nFFT 可以将原始的压力信号转化为频率信号Original SignalFFT of Signal Showing Dominant FrequencyA Pera Global Company PERA ChinanCFD-Post具有报告生成工具，允许通过定制报告的方式进行快速的报告生成n报告模版：基于结果文件的类型，可以自动选择报告模版在Report 右键进行模版选择也可以自己创建模版或修改已存在的模版比如加入公司的logo, 加入Charts, Tables, Plots等到报告A Pera Global Company PE
122、RA China报告n通过勾选方式，控制报告里显示的内容n各显示内容可通过双击的方式进行编辑nTables和Charts 可以自动加入到报告里. 其它的项目需要通过手动的方法添加进去.右键 插入新的项目n在项目上右键点击，选择项目的上下移动A Pera Global Company PERA China报告: 图片n所有图片将列在视图窗左上角的下拉菜单中n可以改变视图的角度、大小等等所有改变都会自动保存A Pera Global Company PERA China报告: 图片n创建图片的时候, 有一个选项为： Make copies of objects这个选项没有勾选上，仅仅图片里显示的内
123、容存储于figure中所以当全局目标改变，该图片也会发生改变用于需要图片自动更新的情况该选项勾选上，图片里当前的内容存储在figure中，并显示在目录树上全局改变，不会导致figure的改变A Pera Global Company PERA China报告n点击Report Viewer 按钮，显示report内容nReport的内容改变后，需要点击Refresh进行更新n将Report内容保存为HTML或 Text格式可以将所有2D图片显示为3D图片A Pera Global Company PERA Chinan时间步选择器瞬态计算结果的现实值为最后时刻的结果, 可以在时间步选择器中选择
124、不同的时间步n动画创建创建MPEGsn快速编辑器对每个项目提供快速的初值改变n探测器视窗中拾取点，显示变量的值其他工具Timestep Animation Quick Probe Selector EditorA Pera Global Company PERA China动画n创建动画的模式： Quick和Keyframen在Quick动画模式下，仅需选取对象、点击Play 键即可主要的变量作为创建动画的对象有限的控制nKeyframe 模式提供了大量的控制创建当前状态的一个影像储存于Keyframe创建一系列的影像储存于Keyframes ，代表一系列的不同状态视图方向, 显示的对象, 时
125、间步的选择, 任何其他的东西都可以不一样动画的创建至少需要两个Keyframes (一个作为开始一个作为结束)每个Keyframe之间加入 # of Frames数目A Pera Global Company PERA China典型的动画帧1.利用时间步选择器（Timestep Selector） 调整到第一个时间步2.创建必要的显示对象3.创建第一个Keyframe4.导入最后一个 timestep5.必要时，改变现实对象6.创建第二个Keyframe7.选择第一个Keyframe ，并设置 # of Frames# of Frames指在第一个和第二个Keyframes如果有100 ti
126、mesteps, 设置# of Frames=98，将有100 个frames (98 +第一个和最后一个) ，意味着1frame/1timestep8.设置Movie选项9.回到第一个Keyframe 并点击Play该例子中，第一个和第二个Keyframes采用不同的视图位置和面的透明度. 在Keyframes之间的改变通过插值的方法逐渐改变A Pera Global Company PERA China多文件模式n同时对多个文件进行后处理:导入文件时，可以选择多个结果文件导入多结构结果文件 (.mres) ，选用 Load complete history as Separate Case
127、s或导入其它的结果文件同时勾选 Keep current cases loaded每个文件都分别显示在目录树和视图窗口 Sync cameras所有视图同步移动所有视图同步移动 Sync objects所有指定所有指定Locations 和和Plots保持一致保持一致A Pera Global Company PERA China结果比较n导入多个结果文件后，可以选择需要比较的case自动生成不同的变量和plotsk-e eSSTDifference PlotA Pera Global Company PERA China3D Viewer 文件n在CFX Viewer(3D)状态下保存图片
128、(格式为.cvf )n在单一视图窗口的情况下，可以旋转、平移、局部放大视图等操作也可以将3D视图文件内嵌如PowerPoints和HTML文件ZoomA Pera Global Company PERA ChinaFLUENT 结果nCFD-Post以上所有的特征都可以用于 FLUENT case和data文件n支持所有的网格类型多面体网格Polyhedral, 非保形网格non-conformal, adapted, .2D FLUENT网格抽取为薄的3D区域2D 轴对称网格转化为3D 楔形网格区域n限制:在标准的.dat文件中可能不包括一些数据目前非流场数据, 如粒子的位置和轨迹不能在CF
129、D-Post显示 在CFD-Post不能显示模型的设置信息CFD-Post没有并行能力Polyhedral mesh case2D to Thin 3DA Pera Global Company PERA ChinanCFD-Post 能读入输出的文件包括:Results FilesCFX .res / .mres, ANSYS .rst, FLUENT.datMesh FilesCFX .def / .mdef, ANSYS .cmdb, FLUENT .cas, ImportPolyline .csv, User Surface .csv, ANSYS surface .cdbExport
130、Profile Data .csv, General Formatted Results .csv,ANSYS load file .csvRecorded Session Files (.cse)State Files (.cst)Macros (.cse)相关文件A Pera Global Company PERA Chinan结果ANSYSCFD-PostCFD-Post可以读入可以读入ANSYSANSYS结果，如温结果，如温度度, , 速度速度, , 加速度加速度, , 磁力磁力, , 应力应力, , 张张力力, , 和网格变形和网格变形n读入Locations: .csvLocati
131、ons: .csv文件文件( (包含点数据，用于定义包含点数据，用于定义多义线或面多义线或面) )ANSYS Surface Mesh (.cdb): ANSYS Surface Mesh (.cdb): 用于输出面上的用于输出面上的数据，用作数据，用作ANSYSANSYS的边界条件的边界条件n输出Profile Boundary Data: Profile Boundary Data: 在在CFX-PreCFX-Pre中定义初值中定义初值通常格式的结果文件通常格式的结果文件ANSYS Load Data: ANSYS Load Data: 作为作为ANSYSANSYS的输入的输入.cdb.cdb文件文件相关文件A Pera Global Company PERA ChinanSessionSession文件用于快速的自动复制后处理文件用于快速的自动复制后处理Session采用采用CCL录制录制nState保存所有对象的一个状态保存所有对象的一个状态用于以相同状态处理不同对象用于以相同状态处理不同对象不限于特定文件不限于特定文件但最好是文件的组成有相同的名称但最好是文件的组成有相同的名称相关文件A Pera Global Company PERA China谢谢A Pera Global Company PERA China结束结束
