實(shí)驗(yàn)課件流體力學(xué)

1、FLUENT流體仿真實(shí)驗(yàn),教師： 馬 慶 芬,機(jī)電工程學(xué)院,主要內(nèi)容,,計(jì)算流體力學(xué)簡介,,,1,,FLUENT軟件簡介及基本操作,,,2,,GAMBIT基本操作,,,3,計(jì)算流體力學(xué)簡介,（一）   什么是計(jì)算流體力學(xué),1.以電子計(jì)算機(jī)作為模擬手段，運(yùn)用一定的計(jì)算技術(shù)尋求流體力學(xué)各種復(fù)雜問題的離散化數(shù)值解。,★數(shù)值解而不是解析解,★計(jì)算理論和計(jì)算技術(shù)起關(guān)鍵作用,★與計(jì)算機(jī)的發(fā)展緊密相關(guān),計(jì)算流體力學(xué)簡介,2．計(jì)算流

2、體力學(xué)、理論流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)是流體力學(xué)研究工作的三種主要手段――既互相獨(dú)立又相輔相成,▲ 理論分析具有普遍性――各種影響因素清晰可見、為實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究提供依據(jù),▲實(shí)驗(yàn)研究仍是研究工作的基石，數(shù)值研究的許多方面都密切依賴于實(shí)驗(yàn)研究：實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)；計(jì)算結(jié)果需由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以建立計(jì)算模型等等,▲數(shù)值模擬是特殊意義下的實(shí)驗(yàn)，也稱數(shù)值實(shí)驗(yàn),計(jì)算流體力學(xué)簡介,（二）   計(jì)算流體力學(xué)要素,數(shù)學(xué)模型離

3、散方法計(jì)算網(wǎng)格(也有無網(wǎng)格方法，但尚未成熟)求解方法計(jì)算結(jié)果的后處理Verification & Validation,計(jì)算流體力學(xué)簡介,（三）   計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用,航空航天、汽車設(shè)計(jì)、船舶、環(huán)境、生物制藥、化學(xué)處理、石油天然氣、發(fā)電系統(tǒng)、電子半導(dǎo)體、渦輪機(jī)械、制冷、材料、冶金、能源、聚合物加工、玻璃加工、體育、環(huán)境等領(lǐng)域。,計(jì)算流體力學(xué)簡介,(四）計(jì)算流體力學(xué)研究工作的方向,◆與計(jì)算理論、計(jì)算技術(shù)

4、的發(fā)展相關(guān)聯(lián)的研究方向：（基本方程與計(jì)算物理，計(jì)算力學(xué)發(fā)展、圖形學(xué)、網(wǎng)格技術(shù)等）,,★基本方程性質(zhì)、簡化、改型等,★座標(biāo)變換理論,▲網(wǎng)格技術(shù),▲分區(qū)處理技術(shù)、并行處理與計(jì)算技術(shù),計(jì)算流體力學(xué)簡介,◆與離散數(shù)學(xué)的理論研究相關(guān)連的研究方向；,▲離散化與精度分析理論,▲穩(wěn)定性分析理論，特別是邊界條件數(shù)值處理的穩(wěn)定性分析理論,▲守恒性及其數(shù)值分析中的守恒性理論,▲數(shù)值分析的收斂性理論,計(jì)算流體力學(xué)簡介,◆ 解決眾多相關(guān)學(xué)科的的科研工作和工程實(shí)際

5、提出的與流體力學(xué)問題有關(guān)的各類復(fù)雜的問題,◆ 在一些相關(guān)學(xué)科的邊緣上尋求新的發(fā)展點(diǎn),◇機(jī)械、航天航空、氣象、海洋、船舶、車輛、石油、化工、環(huán)境（包括氣動噪音控制）、建筑、土木、水利、核能等等,▲與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展相關(guān)的一些領(lǐng)域,▲交通流、信息流、生物流等的數(shù)值模擬,計(jì)算流體力學(xué)簡介,（五） 計(jì)算流體力學(xué)研究工作的優(yōu)勢、存在的問題和困難,1．優(yōu)勢：,☆“數(shù)值實(shí)驗(yàn)”比“物理實(shí)驗(yàn)”具有更大的自由度和靈活性，例如“自由”地選取各種參數(shù)等,☆“

6、數(shù)值實(shí)驗(yàn)”可以進(jìn)行“物理實(shí)驗(yàn)”不可能或很難進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)；例如：天體內(nèi)部地溫度場數(shù)值模擬，可控?zé)岷朔磻?yīng)地數(shù)值模擬,☆“數(shù)值實(shí)驗(yàn)”的經(jīng)濟(jì)效益極為顯著，而且將越來越顯著,計(jì)算流體力學(xué)簡介,2．問題與不足,△流動機(jī)理不明的問題，數(shù)值工作無法進(jìn)行；計(jì)算結(jié)果依賴于數(shù)值模型,△數(shù)值工作自身仍然有許多理論問題有待解決,△離散化不僅引起定量的誤差，同時也會引起定性的誤差，所以數(shù)值工作仍然離不開實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,離散誤差迭代誤差舍入誤差,主要內(nèi)容,,計(jì)算流體力

7、學(xué)簡介,,,1,,FLUENT軟件簡介及基本操作,,,2,,GAMBIT基本操作,,,3,FLUENT軟件簡介,FLUENT是用于計(jì)算復(fù)雜幾何條件下流動和傳熱問題的程序； 它提供的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，把計(jì)算相對復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)問題變得容易和輕松； 可以生成的網(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格；三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格； 可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格。這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力對于精確求解有較大梯度的流場如自由剪切流和邊界層問題有很實(shí)

8、際的作用。同時，可以節(jié)約計(jì)算時間。,（一）   FLUENT軟件概述,FLUENT軟件簡介,（二）   程序的結(jié)構(gòu),FLUENT程序軟件包應(yīng)該包括以下幾個部分：1   FLUENT解法器2   prePDF，用于模擬PDF燃燒過程3   GAMBIT，網(wǎng)格生成4  TGrid，額外的處理器，用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。5  

9、 Filters(Translators)，轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計(jì)算?？梢越涌诘某绦虬ǎ篈NSYS, I-DEAS, NASTRAN,PATRAN等。,FLUENT軟件簡介,,,基本程序結(jié)構(gòu)示意圖,,,FLUENT軟件簡介,（三）   程序的用途,1，  采用三角形、四邊形、四面體、六面體及其混合網(wǎng)格計(jì)算二維和三位流動問題；計(jì)算過程中，網(wǎng)格可以自適應(yīng)。2，  可壓縮與不可

10、壓縮流動問題；3，  穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動問題；4，  無粘流，層流及湍流問題；5，  牛頓流體及非牛頓流體；6，  對流換熱問題（包括自然對流和混合對流）；7，  導(dǎo)熱與對流換熱耦合問題；8，  輻射換熱；9，  慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動問題模擬；10，多運(yùn)動坐標(biāo)系下的流動問題；11，化學(xué)組分混合與反應(yīng)；12，可以處理熱量、質(zhì)量、動量和化學(xué)組

11、分的源項(xiàng)；13，用Lagrangian 軌道模型模擬稀疏相（顆粒，水滴，氣泡等）；14，多孔介質(zhì)流動；15，一維風(fēng)扇、熱交換器性能計(jì)算；16，兩相流問題；17，復(fù)雜表面形狀下的自由面流動；,FLUENT軟件簡介,,二維網(wǎng)格,三維網(wǎng)格,FLUENT軟件簡介,分壓器內(nèi)部壓力波運(yùn)動規(guī)律,分壓器內(nèi)部接觸面運(yùn)動規(guī)律,FLUENT軟件簡介,,,,1.16,1.2×105Pa,293K,馬赫數(shù),靜壓,靜溫,232K,FLUENT軟

12、件簡介,Ma,ac,J,ΔT,FLUENT軟件簡介,（四）   程序求解問題操作步驟,1，  確定幾何形狀，生成計(jì)算網(wǎng)格（可用GAMBIT）；2，  選擇2D或3D來模擬計(jì)算；3，  輸入網(wǎng)格；4，  檢查網(wǎng)格；5，  選擇解法器；6，  選擇求解的方程：層流或湍流（或無粘流）；7，  確定流體物性；8，  指定邊界條件；

13、9，  條件計(jì)算控制參數(shù)；10， 流場初始化；11， 計(jì)算；12， 檢查結(jié)果；13， 保存結(jié)果，后處理等。,主要內(nèi)容,,計(jì)算流體力學(xué)簡介,,,1,,FLUENT軟件簡介及基本操作,,,2,,GAMBIT基本操作,,,3,Gambit基本操作,Gambit繪制圖形及劃分網(wǎng)格步驟,1，  根據(jù)所需幾何形狀建立點(diǎn)；2，  連接各點(diǎn)得到所需幾何形狀輪廓（閉合）；3，  利用閉合線段生成面；4

14、，  對線段進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對邊網(wǎng)格數(shù)應(yīng)相等，且最后留一條邊不劃分網(wǎng)格；5，  形成面網(wǎng)格；6，  設(shè)置邊界條件，對于管道流動需要設(shè)置入口、出口及對稱軸邊界；7，  保存文件，格式為 .dps；8，  輸出網(wǎng)格文件，格式為.msh文件；,第二次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,工程流體力學(xué)觀摩及FLUENT入門,一   實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解流體的重要物理性質(zhì)及其體現(xiàn)形式；2 更深入了

15、解流體靜力學(xué)基本原理、測壓原理及浮力定律等靜力學(xué)基本知識；3 掌握流體運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)基本原理，從實(shí)踐上理解伯努利方程及其應(yīng)用，了解粘性流體流態(tài)的判別方法。二   實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 觀摩“流體基本物理性質(zhì)”錄像：粘性、壓縮性、膨脹性及表面張力。2 觀摩“流體靜力學(xué)原理”錄像：測壓原理、壓力傳遞原理和浮力定律、相對靜止流體運(yùn)動規(guī)律。,第二次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,工程流體力學(xué)觀摩及FLUENT入門,二   實(shí)驗(yàn)內(nèi)

16、容3 觀摩“流體運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)”錄像：流線與跡線、伯努利方程、雷諾實(shí)驗(yàn)、流體流態(tài)實(shí)驗(yàn)、泄流、流譜顯示、射流反推力。4 通過老師講解，了解計(jì)算流體力學(xué)發(fā)展概況，了解FLUENT和GAMBIT軟件的基本操作，并自行上機(jī)練習(xí)。三   實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析在三種觀摩實(shí)驗(yàn)里各任選一個以上實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述，要求與所學(xué)理論知識相聯(lián)系。,第二次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,圓管層流與湍流速度分布,一   實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 數(shù)值

17、驗(yàn)證圓管層流與湍流的速度分布情況；2 比較層流與湍流速度分布的差異，并掌握產(chǎn)生這種差異的原因。二   實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 管道尺寸： 直徑： d=10mm；長度：L=400mm2 管道流動條件：(1) 入口流速為：0.2m/s(2) 入口流速為：20m/s,第二次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,圓管層流與湍流速度分布,三   實(shí)驗(yàn)要求1 計(jì)算兩種入口流速下，流動穩(wěn)定的管道截面處(管長3/5)的流動平均雷諾數(shù)，并

18、判斷流動狀態(tài)；2 繪制管道內(nèi)的速度分布等值線圖；3 繪制穩(wěn)定流動截面處的速度沿著徑向分布的曲線圖。四   實(shí)驗(yàn)步驟1 建立工作目錄；2 Gambit建立網(wǎng)格模型：按坐標(biāo)或平移方式建立點(diǎn)——建立閉合輪廓線——建立面——畫線網(wǎng)格（留一邊不畫）——保存文件到自建目錄(save as)——輸出.msh文件(export-mesh),第二次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,圓管層流與湍流速度分布,四   實(shí)驗(yàn)步驟3

19、FLUENT導(dǎo)入及模型計(jì)算(1) 打開FLUENT：2d；(2) 導(dǎo)入.msh文件：file—read—case(3) 設(shè)置模型：Define-models-solver-Axisymmetric(4) 設(shè)置材料： 采用默認(rèn)air(5) 設(shè)置邊界條件：define-boundary conditions-in-set-velocity: 分別為0.2和20m/s(6) 設(shè)置監(jiān)視器：solve-monitor-plot打鉤(

20、7) 流場初始化：solve-initilize（以入口參數(shù)初始化）(8) 計(jì)算并觀察收斂：! 1882 solution is converged(9) 保存文件：file-write-case&data-工作目錄-文件名,第二次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,圓管層流與湍流速度分布,五   實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析(1) 輸出速度等值線分布圖：Display-counters-velocity magnitude(2) 輸出穩(wěn)定

21、流動截面上速度分布曲線： 建立面（管長3/5處截面）：surface-line/rake-輸入end point坐標(biāo)值 畫出分布圖：plot-XYplot-x(0)y(1)-選中建立面及velocity-plot 比較層流與湍流速度分布曲線，說明區(qū)別及原因(3) 計(jì)算建立面上的平均速度，然后計(jì)算雷諾數(shù)，判斷所處流態(tài)；Report-surface integrals-repot type:area weighted

22、average-velocity magnitude-選中建立面-compute-得到計(jì)算平均速度,第三次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,管內(nèi)流動局部損失（突擴(kuò)和突縮）,一   實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 驗(yàn)證不可壓縮流體在變截面管道中的連續(xù)性方程；2 通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)觀察局部損失形成原因；3 對管內(nèi)流動過程的沿程損失及局部阻力損失進(jìn)行定性了解。二   實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 串聯(lián)管道尺寸： 直徑： d=10mm；長度：L=150mm

23、 直徑： d=20mm；長度：L=150mm 直徑： d=10mm；長度：L=150mm2 管道流動條件：入口流速為：10m/s,第三次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,三   實(shí)驗(yàn)要求1 繪制管道突擴(kuò)部分旋渦放大圖，簡述旋渦產(chǎn)生的原理；2 繪制管道突縮部分速度矢量圖，并說明最小截面出現(xiàn)在突縮管道后的原因；3 繪

24、制管道軸線上靜壓分布，說明各段靜壓的趨勢及產(chǎn)生的原因。四   實(shí)驗(yàn)步驟1 建立工作目錄；2 Gambit建立網(wǎng)格模型：按坐標(biāo)或平移方式建立點(diǎn)——建立閉合輪廓線——建立面——畫線網(wǎng)格（留一邊不畫），采用局部加密網(wǎng)格——保存文件到自建目錄(save as)——輸出.msh文件(export-mesh),管內(nèi)流動局部損失（突擴(kuò)和突縮）,第三次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,四   實(shí)驗(yàn)步驟3 FLUENT導(dǎo)入及模型

25、計(jì)算(1) 打開FLUENT：2d；(2) 導(dǎo)入.msh文件：file—read—case(3) 設(shè)置模型：Define-models-solver-Axisymmetric(4) 設(shè)置材料： 采用默認(rèn)air(5) 設(shè)置邊界條件：define-boundary conditions-in-set-velocity:為0.2m/s(6) 設(shè)置監(jiān)視器：solve-monitor-plot打鉤(7) 流場初始化：solve-in

26、itilize（以入口參數(shù)初始化）(8) 計(jì)算并觀察收斂：! 1882 solution is converged(9) 保存文件：file-write-case&data-工作目錄-文件名,管內(nèi)流動局部損失（突擴(kuò)和突縮）,第三次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,五   實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析(1) 輸出速度等值線分布圖：Display-counters-velocity magnitude，然后得到突擴(kuò)部分（產(chǎn)生旋渦部分）的放大圖