FLUENT气泡流体中生成过程数值仿真模拟分析毕业设计代做
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基于FLUENT的气泡发生器的设计改进
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&&运用大型CFD商用软件FLUENT对自行设计的气泡发生器进行了气液两相流的流动仿真,根据仿真的结果对气泡发生器的结构进行了改进分析,这对于气泡发生器的设计具有一定的指导意义。
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ANSYS FLUENT官方培训教程【完整版】
ANSYS FLUENT 培训教材 第一节：CFD简介安世亚太科技（北京）有限公司A Pera Global Company ? PERA China什么是 CFD?? CFD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 C 质量守恒方程 C 动量守恒方程 C 能量守恒方程 C 组分守恒方程 C 体积力 C 等等 ? CFD 分析一般应用在以下阶段: C 概念设计 C 产品的详细设计 C 发现问题 C 改进设计 ? CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。A Pera Global Company ? PERA ChinaCFD如何工作??ANSYS CFD 求解器是基于有限体积法的C 计算域离散化为一系列控制体积 C 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Control Volume*Fluid region of pipe flow is discretized into a finite set of control volumes.Unsteady Convection Diffusion GenerationC 偏微分方程组离散化为代数方程组 C 用数值方法求解代数方程组以获取流场 解* FLUENT control volumes are cell-centered (i.e. they correspond directly with the mesh) while CFX control volumes are node-centeredA Pera Global Company ? PERA ChinaEquation Variable Continuity 1 X momentum u Y momentum v Z momentum w Energy hCFD 模拟概览Problem Identification1. 2. Define goals Identify domain?问题定义 1. 确定模拟的目的 2. 确定计算域 ?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 ?后处理过程 8. 查看计算结果 9. 修订模型Pre-Processing3. 4. 5. 6. Geometry Mesh Physics Solver SettingsUpdate Model 9.Solve7. Compute solutionPost Processing8. Examine resultsA Pera Global Company ? PERA China1. 定义模拟目的Problem Identification1. 2. Define goals Identify domain?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？ C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 FORTRAN ?计算精度要求到什么级别？ ?你希望多久能拿到结果？ ?CFD是否是合适的工具？A Pera Global Company ? PERA China2. 确定计算域Problem Identification1. 2. Define goals Identify domain?如何把一个完成的物理系统分割出 来？ ?计算域的起始和结束位置 C 在这些位置你能获得边界条件吗？ C 这些边界条件类型合适吗？ C 你能把边界延伸到有合适数据的位 置吗？ ?能简化为二维或者轴对称问题吗？Domain of Interest as Part of a Larger System (not modeled)Domain of interest isolated and meshed for CFD simulation.A Pera Global Company ? PERA China3. 创建几何模型Pre-Processing3. 4. 5. 6. Geometry Mesh Physics Solver Settings?你如何得到流体域的几何模型？ C 使用现有的CAD模型 ? 从固体域中抽取出流体域？ C 直接创建流体几何模型 ?你能简化几何吗？ C 去除可能引起复杂网格的不必要特征（倒 角、焊点等） C 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？ ?你需要切分模型以获得边界条件或者创建域 吗？A Pera Global Company ? PERA ChinaSolid model of a Headlight Assembly4. 设计和划分网格Pre-Processing3. 4. 5. 6. Geometry Meshing Physics Solver SettingsTriangleQuadrilateralTetrahedronHexahedronPyramidPrism/Wedge?计算域的各个部分都需要哪种程度的网格 密度？ C 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。 C 你能估计出大梯度的位置吗？ C 你需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？ ?哪种类型的网格是最合适的？ C 几何的复杂度如何？ C 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？ C 需要使用非一致边界条件吗？ ?你有足够的计算机资源吗？ C 需要多少个单元/节点？ C 需要使用多少个物理模型？A Pera Global Company ? PERA China四边形/六面体还是三角形/四面体网格?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 C 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 C 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/四面体网格?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 C 生成网格快速 C 流动一般不沿着网格方向 ?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 C 例如，用棱柱型网格捕捉边界层 C 比单独使用三角形/四面体网格更 有效Wedge (prism) mesh Tetrahedral meshA Pera Global Company ? PERA China多域（或混合）网格Model courtesy of ROI Engineering?多域或混合网格在不同的域使用不同 的网格类型，例如C 在风扇和热源处使用六面体网格 C 在其他地方使用四面体/棱柱体网格?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平衡手段 ?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。A Pera Global Company ? PERA China非一致网格?对复杂几何体，非一致网格很有用 C 分别划分每一个域，然后粘接 ?在其他情况下，也使用非一致网格界面技 术 C 不同坐标系之间 C 移动网格Non-conformal interface3D Film Cooling Coolant is injected into a duct from a plenum. The plenum is meshed with tetrahedral cells while the duct is meshed with hexahedral cells Compressor and Scroll The 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Pre-Processing3. 4. 5. 6. Geometry Mesh Physics Solver Settings?对给定的问题，你需要C 定义材料属性? 流体 ? 固体 ? 混合物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.C 选择合适的物理模型? 湍流，燃烧，多相流等。C 指定操作条件 C 指定边界条件 C 提供初始值 C 设置求解器控制参数 C 设置监测收敛参数A Pera Global Company ? PERA China求解Solve7. Compute solution?通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛 ?以下情况达到收敛： C 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这个差异C 达到全局守恒? 全局量的平衡C 感兴趣的量（如阻力、压降）达到稳定值? 监测感兴趣量的变化.A converged and meshindependent solution on a wellposed problem will provide useful engineering results!?收敛解的精度和以下因素有关： C 合适的物理模型，模型的精度 C 网格密度，网格无关性 C 数值误差A Pera Global Company ? PERA China查看结果9. Update ModelPost Processing8. Examine results?查看结果，抽取有用的数据 C 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？C 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.A Pera Global Company ? PERA China修订模型9. Update Model?这些物理模型是否合适？ C 流动是湍流的吗？ C 流动是非稳态的吗？ C 是否有压缩性效应？ C 是否有三维效应？ ?这些边界条件是否合适？ C 计算域是否足够大？ C 边界条件是否合适？ C 边界值是否是合理的？ ?网格是否是足够的？ C 加密网格能否提高精度？ C 网格是否有无关性？ C 是否需要提高网格捕捉几何的细节A Pera Global Company ? PERA ChinaPost Processing8. Examine resultsFLUENT 中的物理模型?流动和传热 C 动量、质量、能量方程 C 辐射 ?湍流 C 雷诺平均模型 (Spalart-Allmaras, kCε, kCω, 雷诺应力模型) C 大涡模拟 (LES) 和分离涡模拟 (DES) ?组分输运 ?体积反应 C Arrhenius 有限速率化学反应 C 湍流快速化学反应 ? 涡耗散, 非预混, 预混，局部预混 C 湍流有限速率反应 ? EDC, laminar flamelet, composition PDF transport C 表面化学反应Pressure Contours in Near-Ground FlightTemperature Contours for Kiln Burner RetrofitA Pera Global Company ? PERA ChinaFLUENT 中的物理模型?多相流模型 C 离散相模型 (DPM) C VOF C Mixtures C Eulerian-Eulerian and Euleriangranular C Liquid/Solid and cavitation phase change ?动网格 C Moving zones ? Single and multiple reference frames (MRF) ? Mixing plane model ? Sliding mesh model C Moving and deforming (dynamic) mesh (MDM) ?用户定义标量输运方程ThreePhase Inlet Gas outletContours of Oil Volume Fraction in a Three-Phase SeparatorWater outletOil outletPressure Contours in a Squirrel Cage Blower (Courtesy Ford Motor Co.)A Pera Global Company ? PERA ChinaWorkbench 2 中的FLUENT CFD?启动ANSYS Workbench ?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?右键点击 Geometry cell A2 然后选择 Import Geometry ?读入几何文件 (CAD 模型或者 DesignModeler .agdb 文件) ?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?右键点击 Mesh cell 然后选择 Edit.C Meshing 工具打开，并读入几何?选择MeshC 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?使用 Named selections定义边界 名字C 选择你想指定名字的面 C 右键选择 Create Named Selection. C 键入名字然后点击 OK.velocit y inlet?有时你需要指定流体域和固体域C 固体用来计算共轭传热A Pera Global Company ? PERA China设置并运行 FLUENT?编辑 Setup cell 来设置物理问题C 边界条件 C 求解器设置 C 求解 C 后处理?求解结束后，结果可以在FLUENT中的post里查看，或者输出到 CFD-Post 中查看C 等值线、矢量图 C 分布图 C 计算力和力矩 C 非稳态结果的动画A Pera Global Company ? PERA ChinaFLUENT 软件演示?启动 FLUENT （假设网格已经生成 好了）C 设置一个简单的问题 C 求解流体流动 C 后处理结果A Pera Global Company ? PERA China谢谢www.peraglobal.com.cnA Pera Global Company ? PERA ChinaANSYS 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 ChinaFLUENT 用户界面导航?FLUENT用户界面设计为项目树从上至下排列 ?在项目树中选择要设置的单元，输入窗口在中心打开 C General C Models C Materials C Boundary Conditions C Solver Settings C Initialization and Calculation C PostprocessingA Pera Global Company ? PERA China缩放网格，选择量纲?FLUENT读入网格文件后， 所有的维度默认是以米为单 位的 C 如果你的模型不是以米为 单位建立的，你需要缩放 C 网格缩放后需要确认一下 计算域的大小。 ?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 ?如果需要，可以使用混合的 量纲系统。 C FLUENT 默认使用国际单 位 SI C 在 Set Units 面板中，可以 使用任意的量纲。A Pera Global Company ? PERA ChinaDefineUnits…文本用户界面TUI?大多数GUI命令都有 对应的 TUI 命令 C 许多高级的命令 只能通过 TUI获 得 C 按回车键能显示 当前级的命令 C q 键进入上一级 ?FLUENT 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?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。 Display Mouse Buttons… ?缺省设置 C 2D 求解器 ? 左键平移 ? 中键缩放 ? 右键选择 C 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 ?流场探针功能 C 右键点击屏幕视图. ?在 Workbench中可以设置另外的鼠标功能A Pera Global Company ? PERA China材料属性?FLUENT 提供标准的材料 库，也允许用户创建自己的 材料。 ?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。 C 多相流（多种材料） C 燃烧（多种组分） C 传热（导热系数） C 辐射（发射率以及吸收 率） ?材料属性可以直接设定为温 度、压力的函数 C 和其他变量相关需要用 UDF设定。A Pera Global Company ? PERA China材料库?FLUENT 中的材料库 C 提供一系列预先定义的流 体、固体和混合物 C 如需要，可以拷贝材料并修 改其属性 ?客户定义的材料库 C 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 C 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?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 ?当计算浮力流时，操作温度 设定了参考温度 ?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?FLUENT 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 C 对大规模网格或者复杂物理问题尤其 有效 C FLUENT 是全并行的，能在大多数硬 件和软件平台上运行，如clusters 或 者多核机器上 ?并行FLUENT 可以使用命令启动，也可 以在启动面板中选择 C 例如，启动一个 n-CPU 并行进程， 用下面的命令 fluent 3d Ctn ?网格可以手工分区，或者用下面不同的 方法自动分区 C 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?本节课程介绍了CFD仿真中经常用到的许多基础功能 ?并行计算能减少计算时间，但只针对大规模网格时有效 ?后续课程会涉及到非稳态问题的求解设置 ?其他未涉及到的议题（见附录）C 网格构形的关系 C 在求解器中重新排序网格和编辑网格 C 多面体网格转换 C 基于求解器的网格自适应A Pera Global Company ? PERA China附录A Pera Global Company ? PERA ChinaFLUENT Journals?FLUENT 可以使用journal 文件以批处理方式 运行 ?journal 是包括TUI命令的文本文件 ?FLUENT TUI 允许命令的缩写，如 C ls 列表工作目录下的文件 C rcd 读入 case 和data 文件 C wcd 写 case 和 data 文件 C rc/wc 读/写 case 文件 C rd/wd 读/写 data 文件 C it 迭代 ?批处理文件中的TUI 命令可以在非交互模式下 自动运行 C TUI 命令 file/read-bc 和 file/write-bc 可以用来读写FLUENT 中的设置到一个文件中Sample Journal File; Read case file rc example.cas. Initialize the solution /solve/initialize/initialize- Calculate 50 iterations it 50 ; Write data file wd example50.dat. Calculate another 50 iterations it 50 ; Write another data file wd example100.dat. Exit FLUENT exit yesA Pera Global Company ? PERA China读入网格 C Zonesplate plate-shadow walloutletDefault-interior zone(s) can always be ignored.inletfluid (cell zone)?本例中，有两个域 (fluid-upstream and fluid-downstream). ?因此， FLUENT 把外壁面劈分为两个面 (wall and wall:001). ?FLUENT 也把中间的孔劈分为两个面 (plate and plate-shadow).A Pera Global Company ? PERA China网格构造信息?网格文件中存储了所有的网格信息。 Cell C 节点坐标 Center C 连接关系 C 域的定义 ?和几何定义类似，网格定义如下： C Node 边的交叉点 / 网格顶点 C Edge 面的边（由两个节点定义） C Face 单元的边界，由一组边定义 C Cell 域离散的控制体 C Zone 一系列节点、边、面或单元的集合 ?计算域由以上所有的信息组成 C 对纯流动问题，域只包括流体域 C 对共轭换热问题，或流固耦合问题，域还 会包含固体域 ?边界条件设置在面上 ?材料属性和源项设置在单元上NodeCell Face Boundary Face CellSimple 2D MeshNode Boundary Face Edge CellSimple 3D meshA Pera Global Company ? PERA China网格的重新排序和编辑?网格的重新排序能使得邻近的单元排在一起 C 提高内存读取效率，减少计算带宽 C 可以对整个域或者指定的域进行排序Grid Reorder Domain Grid Reorder ZonesC 网格每个分区的带宽可以打印出来供参考Grid Reorder Print Bandwidth?在网格菜单中，也可以对面/体做如下编辑： C 分割域、合并域 C 通过合并重合的面或节点来融合域 C 平移、旋转、镜像面或体域 C 拉伸面形成体域 C 替换体域或删除体域 C 激活体域或冻结体域A Pera Global Company ? PERA China多面体网格转换?FLUENT GUI 中可以把四面体或混合网格转换为 多面体网格 C 生成四面体网格然后在 FLUENT中转换为多 面体网格 C 优势 ? 提高网格质量 ? 减少单元数量 ? 用户可以控制转换过程 C 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Grid Polyhedra Convert DomainTet/Hybrid MeshPolyhedral Mesh?在网格菜单中有两种选择 C 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 C 只转换高度扭曲的网格为多面体网格Grid Polyhedra Convert Skewed CellsA Pera Global Company ? PERA China分布文件和求解结果插值?FLUENT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。 C 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。File File Write Read Profile… Profile…?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File Interpolate…?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。A Pera Global Company ? PERA China网格自适应?网格自适应是求解过程中根据需要加密 或粗化网格的技术。 C 把满足条件的网格标注并存储起 来。 C 如需要，可以显示或更改这些网格 C 点击 Adapt 对这些网格进行自适应 ?注册这些网格的过程为： C 所有变量的梯度或等值线 C 边界上的所有单元 C 指定形状里的所有单元 C 网格体积变化率 C 近壁面网格的y+ ?下面这些技巧可以帮助实现自适应 C 合并注册的适应区 C 显示适应函数的等值线 C 显示标注的适应网格 C 给出基于网格尺寸和数量的适应限 制A Pera Global Company ? PERA ChinaRefine Threshold should be set to 10% of the value reported in the Max field.自适应案例-超音速流场?对压力梯度大的区域自适应网格以更好的捕捉通过激波的压力突 变Large pressure gradient indicating a shock (poor resolution on coarse mesh)Initial Mesh (Generated by Preprocessor)Pressure Contours on Initial MeshA Pera Global Company ? PERA China自适应案例-超音速流场?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 shock. Adapted cells in locations of large pressure gradientsAdapted Mesh (Multiple Adaptions Based on Gradients of Pressure)Pressure Contours on Adapted MeshA Pera Global Company ? PERA China谢谢www.peraglobal.com.cnA Pera Global Company ? PERA ChinaANSYS 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?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C 指定进入流体域的质量流量、动量、能量等?定义边界条件包括:C 确定边界位置 C 提供边界上的信息?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 ?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C 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?流体域是一系列单元的集合，在 其上求解所有激活的方程 ?需要选择流体材料 C 对多组分或多相流，流体域包含 这些相的混合物 ?输入的选择项 C 多孔介质域 C 源项 C 层流域 C 固定值域 C 辐射域A Pera Global Company ? PERA China多孔介质?多孔介质是一种特殊的流体域 C 在 Fluid 面板中激活多孔介质域 C 通过用户输入的集总阻力系数来确 定流动方向的压降 ?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 C 堆积床 C 过滤纸 C 多孔板 C 流量分配器 C 管束 ?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?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 ?只需要输入材料名称 ?选择项允许输入体积热源 ?如果临近固体域的单元是旋转周 期边界，需要指定旋转轴 ?可以定义固体域的运动A Pera Global Company ? PERA China确定边界位置-例子?在本例中，入口条件有三个可能的位置: 1. 进气管的上游 ? 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 Fuel1 2 3Air1Combustor WallNozzle Manifold box? 由于进口边界对流场的影响很大，不建议使用A Pera Global Company ? PERA China一般的建议?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C 不是必须的，但这样能更好 的收敛Upper pressure boundary modified to ensure that flow always enters domain.?垂直边界的方向不应该有大的 梯度C 不正确的设置?减少近边界的网格扭曲度C 否则在计算早期会带来误差12A Pera Global Company ? PERA China边界条件类型?外部边界 C 通用? Pressure Inlet ? Pressure Outlet?内部边界C Fan C Interior C Porous Jump C Radiator C WallC 不可压缩流? Velocity Inlet ? Outflow (不建议用)C 压缩流? Mass Flow Inlet ? Pressure Far Field?域C Fluid C Solid C Porous mediawall orificeoutletC 其他? ? ? ? Wall Symmetry Axis PeriodicC 特定? Inlet / Outlet Vent ? Intake / Exhaust FanA Pera Global Company ? PERA Chinaplate plate-shadow inlet改变边界条件类型?域和域的类型在前处理阶段定 义 ?要改变边界条件类型：C 在 Zone 列表中选择域名。 C 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?在 BC 面板中设置 C 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 EditC 边界条件数据可以从一个面拷贝到其 他面?边界条件也可以通过 UDF和分布文件 定义. ?分布文件这样生成: C 从其他CFD模拟写一个分布文件 C 创建一个有格式的文本文件A Pera Global Company ? PERA China速度进口?指定速度 C 速度大小，垂直入口 C 方向分量 C 大小和方向 ?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 ?速度入口用于不可压流动，不建议用 于压缩流 ?速度大小可以是负值，意味着出口。A Pera Global Company ? PERA China压力进口?压力入口适用于压缩和不可压缩流C 压力入口被处理为从滞止点到入 口的无损失过渡 C FLUENT 计算静压和入口的速度 C 通过边界的流量随内部求解和指 定的流动方向而改变?需要的输入C 表总压 C 超音速 / 初始表压 C 入口流动方向 C 湍流量（如是湍流的话） C 总温 (如果有传热和/或压缩）A Pera Global Company ? PERA ChinaIncompressible:Compressible:流量入口?流量入口是为可压缩流设计的，但也可以 用于不可压流动 C 调整总压以适合流量入口 C 比压力入口更难收敛 ?要求的信息 C 质量流量或流率 C 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 C 总温 （在 Thermal 面板） ? 对不可压缩流取静温 C 指定方向A Pera Global Company ? PERA China压力出口?适用于压缩和不可压流动 C 如果流动在出口是超音速的，指定的压 力被忽略 C 在外流或非封闭区域流动，作为自由边 界条件 ?要求输入 C 表压C 流体流入环境的静压。 C 回流量 C 当有回流发生时，起到进口的 作用 ?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?粘性流动中，壁面采用无滑移边 界条件 C 可以指定剪切应力. ?热边界条件 C 有几种类型的热边界条件。 C 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）。 ?对湍流可以指定壁面粗糙度 C 基于局部流场的壁面剪切应力 和传热 ?壁面可以设置平移或旋转速度A Pera Global Company ? PERA China对称面和轴?对称面C 不需要输入 C 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 ? 必须仔细确定正确的对称面位置Symmetry Planes?轴C 轴对称问题的中心线 C 不需要输入 C 必须和X轴正向重合A Pera Global Company ? PERA ChinaAxis周期边界条件?用来减少全局网格量 ?流场和几何必须是旋转周期对称或平移 周期对称 C 旋转周期对称? 通过周期面的ΔP = 0 ? 在流体域中必须指定旋转轴Rotationally periodic planesC 平移周期对称? 通过周期面的ΔP必须有限 ? 模型是充分发展条件. ? 指定每个周期的平均 ΔP 或质量流量Flow?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-periodicA Pera Global Company ? PERA ChinaTranslationally periodic planes 2D Tube Heat Exchanger内部边界面?只在单元的面上定义:C 内部边界面的厚度为零 C 内部边界面上的变量可以突变?用来实现下面一些物理模型:C 风扇 C 散热器 C 多孔突变区域? 相比多孔介质模型更易收敛C 内部面A Pera Global Company ? PERA ChinaCase 设置的复制?要复制一个 case 设置:C 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 C 可以把二维case 的设置读入到三维 case中inlet-1 fluid outlet-2 inlet-2 outlet-2 outlet-1 2D Flow Domain (approximation)A Pera Global Company ? PERA Chinainlet-1inlet-2outlet-1 Actual 3D Flow Domain总结?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 ?实体域用来赋予流体或固体材料C 选择项包括多孔介质域、层流域、固定值域等?使用对称面和周期边界条件能减少计算量 ?未介绍的其他边界条件类型见附录 C 远场压力 C 排气扇 / 出风口 C 进风口 / 抽气扇 C 出口A Pera Global Company ? PERA China附录A Pera Global Company ? PERA China其他边界条件?压力远场条件 C 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 C 只有密度是用理想气体计算时可以使用压力远场条件 ?压力出口的目标质量流量选项（不能用于多相流） C 固定压力出口的流量（常数或UDF） C 用 TUI可以设置迭代方法 ?排气扇 / 出风口 C 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 ?进风口 / 抽气扇 C 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 ?对LES/DES模拟的进口边界，在湍流模型一节中介绍A Pera Global Company ? PERA ChinaOutflow?不需要压力或速度信息C 出口平面的数据由内部数据外插得到 C 边界上加入质量流量平衡?所有变量的法向梯度为零C 流体在边界为充分发展?outflow 边界针对不可压缩流动C 不能和压力进口同时使用（必须和速度进口一起使用） C 不能用于变密度的非稳态流动?有回流时收敛性很差.C 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?多出口流动可以使用压力出口或outflowC 压力出口 C 要求知道下游压力，FLUENT计算每个出口的流量比 例Velocity inlet (V, T0) OR Pressure inlet (p0, T0) Pressure outletC Outflow:Pressure outlet? 流量比例由 Flow Rate Weighting (FRW) 计算：? 出口间的静压变化，以匹配设定的流量分配Outflow (FRW1) Velocity inlet (V, T0) Outflow (FRW2)A Pera Global Company ? PERA China谢谢www.peraglobal.com.cnA Pera Global Company ? PERA ChinaANSYS 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?使用求解器（求解过程概览） C 设置求解器参数 C 收敛 ? 定义 ? 监测 ? 稳定性 ? 加速收敛 C 精度 ? 网格无关性 ? 网格自适应 C 非稳态流模拟（后续章节中介绍） ? 非稳态流问题设置 ? 非稳态流模型选择 C 总结 C 附录A Pera Global Company ? PERA China求解过程概览?求解参数 C 选择求解器 C 离散格式 ?初始条件 ?收敛 C 监测收敛过程 C 稳定性 ? 设置松弛因子 ? 设置 Courant number C 加速收敛 ?精度 C 网格无关性 C 自适应网格A Pera Global Company ? PERA ChinaSet the solution parametersInitialize the solutionEnable the solution monitors of interestCalculate a solutionModify solution parameters or gridCheck for convergence Yes NoCheck for accuracy Yes StopNo求解器选择?FLUENT中有两种求解器 C 压 力基和密度基。 ?压力基求解器以动量和压力为 基本变量 C 通过连续性方程导出压力和 速度的耦合算法 ?压力基求解器有两种算法 C 分离求解器 C 压力修正和动 量方程顺序求解。 C 耦合求解器 (PBCS) C压力和 动量方程同时求解Pressure-Based (segregated)Solve U-Momentum Solve V-Momentum Solve W-Momentum Solve Mass C Update Velocity Solve Mass & Momentum Solve Mass, Momentum, Energy, SpeciesPressure-Based Density-Based (coupled) (coupled)Solve Energy Solve Species Solve Turbulence Equation(s) Solve Other Transport Equations as requiredA Pera Global Company ? PERA China求解器选择?密度基耦合求解器C 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 C 通过状态方程得到压力 C 其他标量方程按照分离方式求解?DBCS 可以显式或隐式方式求解C 隐式 C 使用高斯赛德尔方法求解 所有变量 C 显式: 用多步龙格库塔显式时间积 分法。Enabling pressurebased coupled solver (PBCS)A Pera Global Company ? PERA China如何选择求解器?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 C 需要的内存少 C 求解过程灵活 ?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 C 不能用于多相流（欧拉）、周期质量流和 NITA C 比分离求解器多用1.5C2倍内存 ?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 C 例如: 伴有燃烧的高速可压缩流动，超高音速流动、激波干扰 ?隐式方法一般优于显式，因为其对时间步有严格的限制 ?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）?存储在单元中心的流场变量必须插值到控制体面上?对流项的插值方法有:C First-Order Upwind C 易收敛，一阶精度。 C Power Law C对低雷诺数流动 （ Recell & 5 ）比一阶格式更精确 C Second-Order Upwind C 尤其适用流动和网格方向不一致的四面体/三 角形网格，二阶精度，收敛慢 C Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL) C 对非结构网格，局部三阶精度，对二次流、旋转涡、力等 预测的更精确 C Quadratic Upwind Interpolation (QUICK) C 适用于四边形/六面体以及 混合网格，对旋转流动有用，在均匀网格上能达到三阶精度A Pera Global Company ? PERA China插值方法（梯度）?为了得到扩散通量、速度导数，以及高阶离散格式，都需要求解 变量的梯度?单元中心的变量梯度由以下三种方法得到:C Green-Gauss Cell-Based C 可能会引起伪扩散 C Green-Gauss Node-Based C 更精确，更少伪扩散，建议对三角 形/四面体网格采用 C Least-Squares Cell-Based C 建议对多面体网格采用，精度和属 性同Node-based?面上的梯度用多级泰勒级数展开求得A Pera Global Company ? PERA China压力的插值方法?使用分离算法时，计算面上压力的插值方法有:C Standard C 默认格式，对于近边界的沿面法向存在大压力梯度流 动，精度下降（如果存在压力突变，建议改用 PRESTO! ） C PRESTO! C 用于高度旋流，包括压力梯度突变（多孔介质，风 扇模型等）或者计算域存在大曲率的面 C Linear C 当其他格式导致收敛问题或非物理解时使用 C Second-Order C 用于压缩流，不适用多孔介质、风扇、压力突 变以及VOF/Mixture 多相流 C Body Force Weighted C 用于大体积力的情况，如高瑞利数自然 对流或高旋流A Pera Global Company ? PERA China压力速度耦合?压力基求解器通过连续性方程和动量方程导出压力方程或压力修 正方程 ?FLUENT中有四种耦合方式 C Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE)? 默认算法，稳健性好C SIMPLE-Consistent (SIMPLEC)? 对简单问题，收敛更快，如层流C Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO)? 对非稳态流动或者高扭曲度网格有用C Fractional Step Method (FSM) 对非稳态问题? 和 NITA 合用，类似 PISO.A Pera Global Company ? PERA China初始化?FLUENT 要求所有的求解变 量有初始值 C 更真实的初值能提高收敛稳 定性，加速收敛过程. C 有些情况需要一个好的初值?在特定区域对特定变量单独 赋值 C 自由射流（喷射区高速） C 燃烧问题 （高温激活反 应） C 单元标注（自适应）A Pera Global Company ? PERA ChinaFMG 初始化?Full MultiGrid (FMG) 能用来创建更好的初场。C FMG 初始化对包括大的压力梯度和速度梯度的复杂流动有用 C 在粗级别网格上求解一阶欧拉方程 C 可用于压力基或密度基求解器，但限于稳态问题?启动 FMG 初始化C 压力基求解器: /solve/init/fmg-initialization C 密度基求解器: 当选择密度基求解器后在 GUI里可见?FMG 在粗网格上用多重网格求解C 通过 TUI 命令来设置/solve/init/set-fmg-initializationA Pera Global Company ? PERA China检查Case?Case Check 功能发现一些常 见的错误设置和不一致性C 提供选择参数和模型的指导?用于可以直接应用或忽略这 些建议A Pera Global Company ? PERA China收敛性?计算收敛时应该满足:C 所有离散的守恒方程（动量、能量等）在所有的单元中满足指定 的误差或者结果随计算不再改变 C 全局的质量、动量、能量和标量达到平衡?使用残差历史曲线来监测收敛：C 一般地，残差下降三个量级表示至少达到定性的收敛，流场的主 要特征已经形成。 C 压力基求解器的能量残差应下降到10-6 C 组分残差应下降到10-5?监测定量的收敛:C 监测其他关键的物理量 C 确保全局的质量、能量、组分守恒。A Pera Global Company ? PERA China监测收敛-残差?残差图显示何时收敛达到指定标准All equations converged. 10-310-6A Pera Global Company ? PERA China监测收敛-力和面上的变量?除了残差外，也可以监测升力、阻力和 力矩系数 ?边界或其他定义的面上的导出变量或函 数（如面积分）A Pera Global Company ? PERA China检查全局通量守恒?除了监测残差和变量历史外，也可以检查全局热和质量平衡 ?净通量差值（Net Results）应该小于通过边界最小通量的1%A Pera Global Company ? PERA China残差与收敛?如果监测到求解已经收敛，但计算结果还在改变，或还有大的质 量/热量不平衡，这表示求解还未收敛 ?此时，你应该:C 减小残差标准或关闭监测残差的窗口 C 继续迭代直至计算收敛?在Convergence Criterion 窗口选择 None关闭监测 残差的窗口A Pera Global Company ? PERA China收敛遇到的困难?对一些病态问题，差质量的网格或不合适的求解设置，都 可能出现数值不稳定性C 表现为残差曲线上扬（发散）或不下降 C 发散意味守恒方程的不平衡增加 C 没收敛的结果会误导使用者?解决方法 C 确保问题是物理合理的 C 用一阶离散格式计算一个初场 C 对压力基求解器，减少发散方程的 松弛因子 C 对密度基求解器，减少Courant 数 C 重新生成网格或加密质量差的网格? 注意网格自适应不能提高扭曲度大 的网格质量A Pera Global Company ? PERA ChinaContinuity equation convergence trouble affects convergence of all equations.修改松弛因子?松弛因子用来稳定压力基求解器 的迭代过程 ?以缺省的松弛因子开始计算 ?减少动量方程的松弛因子经常有 助于收敛C 缺省值对大多数问题都适用， 需要时你可以改变这些值 C 合适的设置最好通过经验获得?对密度基求解器，对耦合方程组 外的方程，松弛因子同样有用A Pera Global Company ? PERA China修改 Courant 数?对密度基求解器，即使稳态问 题，也存在瞬态项C 用Courant 定义时间步长?对显式求解器:C 稳定性约束限制了最大Courant 数? 不能超过 2 （缺省为1） ? 有收敛困难时减少 Courant 数?对隐式求解器:C Courant 没有稳定性约束限制? 缺省值为 5.A Pera Global Company ? PERA China加速收敛?可以通过以下方法加速收敛:C 设置更好的初场? 从前次的计算结果开始（如需要，可以使用file/interpolation）C 渐次增加松弛因子或Courant数? 过高的值容易引起发散 ? 继续迭代是应保存case和date文件C 控制多重网格求解器设置 （一般不推荐）? 缺省设置一般足够稳定，不建议修改A Pera Global Company ? PERA China从已有结果开始计算?已有的计算结果可以作为初 场使用C 使用结果插值（如密网格 计算以粗网格结果为初值 开始） C 初始化后，新的迭代从目 前数据开始 C 一些建议:Actual Problem Heat Transfer Natural convection Initial Condition Isothermal Low Rayleigh numberCombustion / reacting Cold flow (no flow combustion) Turbulence Inviscid (Euler) solutionA Pera Global Company ? PERA China求解精度?收敛的结果不一定是正确的C 需要利用其他数据或物理知识对结果进行检查和评价 C 用二阶上风格式获得最终解 C 确保结果是网格无关的:? 用自适应加密网格或重新划分网格来研究网格无关性?如果流场结果看起来不合理:C 重新考虑物理模型和边界条件 C 检查网格质量，如必要，重新划分网格 C 重新考虑边界条件或域的位置，不充分的边界对结果精度影 响很大A Pera Global Company ? PERA China网格质量和求解精度?数值误差和网格梯度及网格面上插值相关 ?建议: C 使用高阶离散格式 (二阶上风, MUSCL) C 尽量让网格和流动方向一致减少伪扩散 C 加密网格 ? 足够的网格密度对求解有突变的流动非常有用 ? 随着网格尺寸减少，插值误差也减少 ? 对非均匀网格，尺寸变化不要太大 ? 均匀网格的截断误差小 ? FLUENT 提供基于网格尺寸梯度的自适应 ? 减小网格扭曲度和长细比 ? 一般地，避免使用长细比大于5的网格（边界层允许使用更大长细比的 网格） ? 优化四边形/六面体网格，使其更接近正交 ? 优化三边形/四面体网格，使其更接近等边A Pera Global Company ? PERA China网格无关解? 当加密网格，结果不再改变时，称为网格无关解。 ? 得到网格无关解的过程: 1. 生成一个新的、更密的网格C 回到网格阶段，手动调整网格 C 或者，用自适应.? 重要: 首先保存 case 和 data文件 ? 创建自适应网格，插值原结果到密网格上。FLUENT提供动态网格自适应， 会根据用户定义的标准自动改变网格2. 继续计算直至收敛。 3. 比较两次结果的解。 4. 如有必要，重复以上过程? 要对某一问题，使用不同网格时，可以使用 TUI 命令file/writebc 和 file/read-bc 来设置新问题。 C 通过插值能得到更好的初场A Pera Global Company ? PERA China总结?压力基和密度基求解器的计算过程是相同的 C 计算直至收敛 C 获得二阶精度的解（建议） C 加密网格重新计算直至得到网格无关解 ?两种求解器都提供了提高收敛和稳定性的工具 ?两种求解器都提供了检查和改善精度的工具 ?结果的精度取决于合适的物理模型和设定的边界条件A Pera Global Company ? PERA China谢谢www.peraglobal.com.cnA Pera Global Company ? PERA ChinaANSYS FLUENT 培训教材 第五节：湍流模型安世亚太科技（北京）有限公司A Pera Global Company ? PERA China湍流模型简介?湍流的特征 ?从NS方程到雷诺平均NS模型（RANS） ?雷诺应力和封闭问题 ?湍动能方程（k） ?涡粘模型 (EVM) ?雷诺应力模型 ?近壁面处理及网格要求 ?进口边界条件 ?总结: 湍流模型指南A Pera Global Company ? PERA China湍流的特征?湍流本质是非稳态的、三维的、非周期的漩涡运动（脉动）的， 湍流会加强混合、传热和剪切 ?时空域的瞬间脉动是随机的（不可预测的），但湍流脉动的统计 平均可量化为输运机理 ?所有的湍流中都存在大范围的长度尺度（涡尺度） ?对初场敏感A Pera Global Company ? PERA China湍流结构Small StructuresInjection of energyLarge StructuresDissipation of energyLarge-scale eddiesFlux of energyDissipating eddiesEnergy Cascade (after Richardson, 1922)A Pera Global Company ? PERA China如何判断是否为湍流外流where along a surface around an obstacleL ? x, d, dh, etc.内流Other factors such as freestream turbulence, surface conditions, blowing, suction, and other disturbances etc. may cause transition to turbulence at lower Reynolds numbers自然对流where (Prandtl number)A Pera Global Company ? PERA China(Rayleigh number)雷诺数的效果Re & 5 5-15 & Re & 40蠕动流（无分离）尾迹区有一对稳定涡40 & Re & 150层流涡街150 & Re & 3×105分离点前为层流边界层，尾迹为 湍流3×105 & Re & 3.5×106边界层转捩为湍流湍流涡街，但涡间距离更近Re & 3.5×106A 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From Su and Mungal in Durbin and Medic (2008)横风中的射流?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。A Pera Global Company ? PERA China雷诺平均方程和封闭问题?时间平均定义为?瞬时场拆分为平均量和脉动量之和，如?对NS方程进行平均，得到雷诺平均的NS方程 (RANS) :Reynolds stress tensor, RijA Pera Global Company ? PERA China雷诺应力张量?Rij 对称二阶应力; 由对动量方程的输运加速度项平均得来 ?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 ?RANS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?为了封闭 RANS 方程组，必须对雷诺应力张量进行模拟 C 涡粘模型 (EVM) C 基于 Boussinesq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）Eddy viscosityC 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A Pera Global Company ? PERA China涡粘模型?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C 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 C 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?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 ?湍动能k 启发了求解涡粘模型的物理机理A Pera Global Company ? PERA China涡粘模型?涡粘系数类似于动量扩散效应中的分子粘性 ?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。 ?涡粘模型是CFD中使用最广泛的湍流模型 ?涡粘模型的局限 C 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） C 涡粘模型和流体旋转引起的雷诺应力项不相关 C 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 ChinaFLUENT中的湍流模型一方程模型 Spalart-Allmaras 二方程模型 Standard kCε RNG kCε Realizable kCε Standard kCω SST kCω 4-Equation v2f * Reynolds Stress Model kCklCω Transition Model SST Transition Model Detached Eddy Simulation Large Eddy SimulationA Pera Global Company ? PERA ChinaRANS based modelsIncrease in Computational Cost Per Iteration*A separate license is requiredSpalart-Allmaras (S-A) 模型?SA模型求解修正涡粘系数的一个输运方程，计算量小C 修正后，涡粘系数在近壁面处容易求解?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 ?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 ?为气动领域设计的，包括封闭腔内流动C 可以很好计算有反向压力梯度的边界层流动 C 在旋转机械方面应用很广?局限性C 不可用于所有类型的复杂工程流动 C 不能预测各向同性湍流的耗散A Pera Global Company ? PERA China标准 kCε 模型?选择 ε 作为第二个模型方程， ε 方程是基于现象提出而非推导 得到的?耗散率和 k 以及湍流长度尺度相关:?结合 k 方程, 涡粘系数可以表示为:A Pera Global Company ? PERA China标准 kCε 模型SKE?SKE 是工业应用中最广泛使用的模型 C 模型参数通过试验数据校验过，如管流、平板流等 C 对大多数应用有很好的稳定性和合理的精度 C 包括适用于压缩性、浮力、燃烧等子模型 ?SKE 局限性: C 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。 C 难以准备模拟出射流的传播 C 对有大的应变区域（如近分离点），模拟的k 偏大A Pera Global Company ? PERA ChinaRealizable kCε和 RNG kCε 模型?Realizable kCε (RKE) 模型C 耗散率 (ε) 方程由旋涡脉动的均方差导出，这是和SKE的根本不 同 C 对雷诺应力项施加了几个可实现的条件 C 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?RNG kCε (RNG) 模型:C kCε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 C 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 kCω 和 SST kCω?标准 kCω (SKW)模型:C 在粘性子层中，使用稳定性更好的低雷诺数公式。 C kCω包含几个子模型：压缩性效应，转捩流动和剪切流修正 C 对反压力梯度流模拟的更好 C SKW 对自由来流条件更敏感 C 在气动和旋转机械领域应用较多?Shear Stress Transport kCω (SSTKW) 模型C SST kCω 模型混合了 和模型的优势，在近壁面处使用kCω模 型，而在边界层外采用 kCε 模型 C 包含了修正的湍流粘性公式，考虑了湍流剪切应力的效应 C 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)?回忆一下涡粘模型的局限性:C 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 C 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 C 当湍流是高度各向异性、有三维效应时表现较差?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C RSM适合于高度各向异性流，三维流等，但计算代价大 C 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Inner layerOuter layerViscous sublayerBuffer layer or blending regionUpper limit of log law region depends on Reynolds number Fully turbulent region (log law region)y is the normal distance from the wall.?近壁面处无量纲的速度分布图 ?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A Pera Global Company ? PERA China近壁面处理?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 ?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 ?对平衡湍流边界层，使用对数区定律能解决这个问题C 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 C 假设 k、ε、ω在边界层是平衡的 C 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 C 对能量和组分方程也建立了类似的对数定律 C 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 China近壁面网格要求?标准壁面函数，非平衡壁面函数:C y+ 值应介于 30 到 300C500之间 C 网格尺度递增系数应不大于 1.2?加强壁面函数的选择：C 结合了壁面定律和两层区域模型 C 适用于雷诺数流动和近壁面现象复杂的 流动 C 在边界层内层对kCε 模型修正 C 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 10C15 层网 格)outer layerinner layerA Pera Global Company ? PERA China近壁面网格尺寸预估?对平板流动，湍流摩擦系数的指数定律为：?壁面到第一层流体单元的中心点的距离 (Δy)可以通过估计壁面 剪切层的雷诺数来预估(Bulk Reynolds number)?类似的，对管流可以预估 Δy 为:(Hydraulic diameter)A Pera Global Company ? PERA China尺度化壁面函数?实际上，很多使用者难以保证 30 & y+ & 30C500 ?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 ?Scalable Wall Functions C 对 kCε 模型， 尺度化壁面函数假设壁面和粘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： kCω, 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） ?通过 TUI 命令来运行/define/models/viscous/near-wall-treatment/scalable-wallfunctionsA Pera Global Company ? PERA China近壁面处理总结?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 ?对 kCε 系列的湍流模型，建议使用尺度化壁面函数 ?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 了大压力梯度和分离流动的模拟精度 ?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?当湍流通过入口或出口（回流）进入流体域时，必须设置k, ε, 取决于选择哪个湍流模型。 ω及 ?有四种设置方法:C 直接输入 k, ε, ω, 或雷诺应力分量 C 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 ? 0.4δ99 ? 对下游流动: l ? 开口尺寸C 湍流强度和水力直径（主要适合内流） C 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?用四种不同的湍流模型模拟了绕过钝体平板的流动C 8,700 个四边形网格，在回流再附着区和前缘附近加密 C 非平衡边界层处理U0 xRReD ? 50,000DRecirculation zoneReattachment pointN. Djilali and I. S. Gartshore (1991), “Turbulent Flow Around a Bluff Rectangular Plate, Part I: Experimental Investigation,” JFE, Vol. 113, pp. 51C59.A Pera Global Company ? PERA China例一，钝体平板流Contours of Turbulent Kinetic Energy (m2/s2)0.70 0.63 0.56 0.49 0.42 0.35 0.28 0.21 0.14 0.07 0.00Standard kCεRNG kCεRealizable kCεReynolds StressA Pera Global Company ? PERA China例一，钝体平板流Predicted separation bubble:Standard kCε (SKE)Skin Friction Coefficient Cf × 1000Realizable kCε (RKE)SKE severely underpredicts the size of the separation bubble, while RKE predicts the size exactly.Experimentally observed reattachment point is at x / D = 4.7Distance Along Plate, x / DA Pera Global Company ? PERA China例二，旋风分离器?40,000个六面体网格 ?高阶上风格式Uin = 20 m/s0.1 m 0.12 m?使用 SKE, RNG, RKE and RSM 模型及标准壁面函数0.97 m0.2 m?代表性的高旋涡流 (Wmax = 1.8 Uin)A Pera Global Company ? PERA China例二，旋风分离器?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? 成功的选择湍流模型需要判断: C 流动现象 C 计算机资源 C 项目要求 ? 精度 ? 时间 C 近壁面处理的选择 ? 模拟进程 C 计算特征雷诺数，判断是否是湍流 C 如果存在转捩，考虑使用转捩模型 C 划分网格前，预估近壁面的y+ C 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 C 以 RKE (realizable k-ε) 开始，如果需要，改用 S-A, RNG, SKW, SST 或者 v2f C 对高度旋涡流动、三维、旋转流动，使用 RSM C 记住目前没有一个适用于所有流动的高级模型!A Pera Global Company ? PERA ChinaRANS 模型描述模型 Spalart C Allmaras Standard kCε RNG kCε Realizable kCε Standard kCω SST kCω 描述直接求解修正的湍流粘性的单方程模型，主要用于气动和封闭腔内流动，可以 选择包括湍动能产生项的应变率以提高对涡流的模拟精度 求解 k 和ε的基本两方程模型，模型系数通过试验拟合得到，适合完全湍流， 可以处理粘性加热、浮力、压缩性等物理现象 是标准 kCε模型的修正，方程和系数是分析得到，主要修正了 ε 方程以提高 强应变流动的模拟精度，附加的选项能帮助模拟旋涡流和低雷诺数流动 是标准 kCε模型的修正，可实现体现在施加数学约束，以服从提供模型性能的 目标 求解 k 和 ω的两方程模型，对封闭腔流动和低雷诺数流动有优势，可以选择包 括转捩、自由剪切、压缩流动 是标准 kCω模型的修正，通过使用混合函数，在近壁面处使用kCω 模型，其 他区域使用kCε模型。也限制了湍流粘性确保 τT ~ k，包括转捩和剪切流选 项，不包括压缩性选项 直接求解输运方程，克服了其他模型的各向同性粘性的缺陷，用于高旋流。对 可以选择适用剪切流的压力-应变的二次关系式flows.A Pera Global Company ? PERA ChinaReynolds StressRANS 模型总结模型 Spalart C Allmaras Standard kCε RNG kCε Realizable kCε Standard kCω 总结对大规模网格，计算较经济；对三维流、自由剪切流、强分离流模拟较差，适合 不太复杂的流动（准二维），如翼型、机翼、机身、导弹、船身等 稳定性好，尽管有缺陷，使用仍很广泛。对包括严重压力梯度、分离、强曲率流 模拟较差，适合初始迭代，预研阶段，参数研究 适合包括快速应变的复杂剪切流、中等旋涡流动、局部转捩流（如边界层分离、 钝体尾迹涡、大角度失速、房间通风等） 应用范围类似 RNG. 可能更精确和更易收敛 对封闭腔内边界层、自由剪切流、低雷诺数流模拟较好，适合有反向压力梯度和 分离的复杂边界层（外气动和旋转机械），可用于转捩流动。一般预测的分离点 过早。 优势类似于 kCω. 由于对壁面距离的敏感，不太适合自由剪切流 物理上是最可靠的RANS 模型，克服了涡粘模型的各向同性假设。需要更多的 CPU时间和内存，由于方程间强耦合性，收敛稍差。适合复杂三维流动，强旋 流等，如旋流燃烧器，旋风分离器等A Pera Global Company ? PERA ChinaSST kCω Reynolds Stress谢谢www.peraglobal.com.cnA Pera Global Company ? PERA ChinaANSYS 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?能量方程 ?壁面边界条件 ?共轭传热 ?薄壁和双面壁 ?自然对流 ?辐射模型 ?报告-输出A Pera Global Company ? PERA China能量方程?能量输运方程:UnsteadyConductionConductionSpecies DiffusionViscous DissipationEnthalpy Source/SinkC 单位质量的能量 E :C 对可压缩性流体，或者密度基求解器，总是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: C define/models/energy?A Pera Global Company ? PERA China固体域的能量方程?能计算固体域的导热 ?能量方程:C h 显焓:?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?五类热边界条件C 热流量 C 温度 C 对流 C 模拟外部环境的对流（用户定义换热系数） C 辐射 C 模拟外部环境的辐射（用户定义外部发射率和辐射温度） C 混合 C 对流和辐射边界的 结合.?壁面材料和厚度可以定义 ?为一维或壳导热计算A Pera Global Company ? PERA China共轭传热?CHT固体域的导热和流体域的对流换热耦合 ?在流体/固体交界面使用耦合边界条件GridVelocity VectorsTemperature ContoursCoolant Flow Past Heated RodsA Pera Global Company ? PERA China共轭传热例子Symmetry PlanesAir outletTop wall (externally cooled) h = 1.5 W/m2?K T∞ = 298 K Electronic Component (one half is modeled) k = 1.0 W/m?K Heat generation rate of 2 watts (each component)Air inlet V = 0.5 m/s T = 298 KCircuit board (externally cooled) k = 0.1 W/m?K h = 1.5 W/m2?K T∞ = 298 KA Pera Global Company ? PERA China问题设置-热源?在固体域加入热源模拟电子部件的生成热A Pera Global Company ? PERA China温度分布Air (fluid zone) Convection boundary 1.5 W/m2 K 298 K free stream tempTemp. (?F) 426 410 394 378 362 346 330 314 298Flow directionFront ViewBoard (solid zone) Flow directionElect. Component (solid zone) 2 Watts sourceConvection Boundary 1.5 W/m2 K 298 K free stream temp.Top View (image mirrored about symmetry plane)A Pera Global Company ? PERA China替代的模拟策略?可替代的策略为模拟壁面为一有厚度面 (Thin Wall model). ?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?对固体板划分网格C 在固体域求解能量方程l. C 板厚度需用网格离散 C 最精确的方法，但需要多计算网格 C 由于壁面两侧都有网格，总是应用耦合热边界条件Wall zone (with shadow) Fluid zoneSolid zoneWall thermal resistance directly accounted for in the E 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?薄壁方法C 人工模型模拟壁面热阻 C 壁面需要必要的数据输入（材料导热系数，厚度） C 只有对内部边界用耦合边界条件Wall zone (no shadow)Fluid zoneWall thermal resistance is calculated using 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?壳导热模型处理板内部的 导热 ?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 ?固体属性必须是常数，不 能和温度相关Static Temperature (cell value) Virtual conduction cellsA Pera Global Company ? PERA China自然对流?当流体加热后密度变化时，发生自然对流 ?流动是由密度差引起的重力驱动的?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 CBoussinesq 模型?Boussinesq 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C 适用于密度变化小的情况 (例如，温度在小范围内变化).?对许多自然对流问题，Boussinesq 假设有更好的收敛性C 常密度假设减少了非线性. C 密度变化较小时适合. C 不能和有化学反应的组分输运方程同时使用.?封闭空间的自然对流问题C 对稳态问题，必须使用 Boussinesq 模型. C 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?在操作条件面板中定义重力加 速度 ?定义密度模型 C 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 ρ0. ? 设置热膨胀系数 β.C 使用温度变化模型 (ideal gas, AungierRedlich-Kwong, polynomial):? 设置操作密度或 ? 让 FLUENT 从单元平均中计 算 ρ0A Pera Global Company ? PERA China辐射?当和对流及导热换热相比， 量级相当时，应该考虑辐射效应 C σ ， Stefan-Boltzmann常数, 5.67×10-8 W/(m2?K4) ?要考虑辐射，需求解辐射强度输运方程RTEs C 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 C 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 ?辐射强度, I(r,s),和方向及空间是相关的 ?FLUENT中有五个辐射模型 C 离散坐标模型 (DOM) C 离散传输辐射模型 (DTRM) C P1 模型 C Rosseland 模型l C Surface-to-Surface (S2S)A Pera Global Company ? PERA China选择辐射模型?指南：C 计算代价? P1 计算代价小，有合理的精度C 精度? DTRM 和 DOM 最精确.C 光学厚度? DTRM/DOM 适合光学厚度小的模型 (αL && 1) ? P1 适合光学厚度大的模型. ? S2S 适合零厚度模型C 散射? 只有 P1 和 DO能考虑散射C 颗粒辐射? P1 和 DOM 能考虑气体和颗粒间的辐射换热C 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 China太阳辐射模型?太阳辐射模型 C 太阳辐射能量的射线追踪算法， 和其他辐射模型兼容 C 允许并行计算（但射线追踪算法 不能并行） C 仅适用3D ?特点 C 太阳方向向量 C 太阳强度（方向，散射） C 使用理论最大或气象条件计算方 向和方向强度 C 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 C 粘性耗散?粘性耗散引起的能量源项:C 也称为粘性加热 C 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 C 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.C 当 Brinkman 数接近或超过1 时重要A Pera Global Company ? PERA China能量方程源项 C 组分扩散?多组分流中因为组分扩散引 起的能量源项：C 包括了由于组分扩散引起的 焓输运效应 C 密度基求解器总包含 C 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 C 源项?化学反应流中由于化学反应引起的能量源项C 所有组分的生成焓 C 所有组分的体积生成率?由于辐射引起的能量源项 ?相间能量源项:C 包括连续相和离散相间的传热 C DPM, 喷雾, 颗粒…A Pera Global Company ? PERA China薄壁中的温度分布?薄壁模型应用于法向导热，不生成实际的单元 ?壁面热边界条件应用于外层Static temperature (cell value) Thin wall (no mesh)Wall temperature (outer surface)Thermal boundary condition on wallWall temperature (inner surface)A Pera Global Company ? PERA China薄壁和两侧壁面?薄壁方法中，壁面厚度不需划分网格 ?在两个区域之间模拟薄层的材料 ?求解器施加热阻 ?x/k ?边界条件施加在外层面上Exterior wall (user-specified thickness) Outer surface (calculated) Inner surface (thermal boundary condition specified here) Fluid or solid cellsq1 or T1 q2 or T2Interior wall (user-specified thickness)Interior wall shadow (user-specified thickness)?xFluid or solid cellsk1k2Fluid or solid cellsThermal boundary conditions are supplied on the inner surface of a thin wallThermal boundary conditions are supplied on the inner surfaces of uncoupled wall/shadow pairsA Pera Global Company ? PERA China离散坐标模型?在有限的离散立体角度σs上求解辐射输运方程 :AbsorptionEmissionScattering?优势: C 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C 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?局限性: C 求解大数量坐标耗费CPU过多A Pera Global Company ? PERA China离散传输辐射模型 (DTRM)?主要的假设 C 特定范围角度的离开表面的辐射能用一束射线近似 ?使用射线跟踪技术，沿着每条射线积分辐射强度 ?优势:C 相对简单的模型 C 增加射线数量能提高精度 C 适用大范围的光学厚度?局限性:C 假设所有表面是漫射的. C 不包括散射. C 求解大数量的射线耗费CPU过多.A Pera Global Company ? PERA ChinaP-1 模型?主要假设 C 对RTE积分后，和方向不再相关，导出入射辐射的扩 散方程 ?优势: C 辐射传热方程更易求解，耗费资源少 C 包括散射效应? 颗粒、液滴和烟灰的影响C 对光学厚度大的应用（如燃烧）较合理?局限性: C 假设所有面都是漫射的 C 如果光学厚度小的话，可能导致精度损失（取决于几何的复杂 性） C 对局部热源或汇，预测的辐射热过高A Pera Global Company ? PERA ChinaSurface-to-Surface (S2S) 辐射模型?S2S辐射模型用于模拟介质不参与的辐射C 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 C S2S 是基于角系数的模型 C 假设没有介质参与?局限性:C S2S 模型假设所有面是散射的 C 假设是灰体辐射 C 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C 不能使用于周期性或对称边界条件A Pera Global Company ? PERA China输出 C ANSYS? 输出扩展名为 .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 /PREP7 ET,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 Nodes 或 Elements, 在 下拉窗口的Results中，选择包括节点A Pera Global Company ? PERA China输出C ANSYS?通过 GUI 或 TUI输出ANSYS 文件 /file/export/ansys file-name ?文件包括坐标、连接关系及下面 的标量： C Density, viscosity C X, Y, Z velocity, pressure, temperature C Turbulence kinetic energy, turbulence dissipation rate, turbulent viscosity, effective viscosity C Thermal conductivity (laminar, turbulent, effective) C 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 C ABAQUS?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 ?只对三维模型有效，并且是固体域或固体域的表面 ?流体域的传热系数不可写出 ?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?NASTRAN/PATRAN ?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) ?如果没有选择面的话，载荷只在边界 面上写出Suppor ted Versio n 6.3 10 n/ 2FormatAbaqus ANSYS ASCII CGNSA Pera Global Company ? PERA China报告 C Heat Flux?Heat flux 报告:C 建议检查热平衡以确 保计算收敛?输出 Heat Flux 数据:C 可以输出壁面的热通量数据 （包括辐射） file/export/custom-heat-flux zone-name nfaces x_f y_f : z_f A Q T_w T_c HTC C 文件格式 …A Pera Global Company ? PERA China报告 C 传热系数?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:C 只有湍流并且能量方程开关打开时有用A Pera Global Company ? PERA China谢谢www.peraglobal.com.cnA Pera Global Company ? PERA ChinaANSYS 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?FLUENT UDF简介 ?FLUENT 数据结构和宏 ?两个例子 ?UDF 支持A Pera Global Company ? PERA China简介?什么是UDF?C 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?为什么使用 UDFs?C 标准的界面不能编程模拟所有需求:? 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Segregated Userdefined ADJUST PBCS DBCSInitializeBegin LoopSolver? Source termsSolve U-Momentum Solve V-Momentum Solve W-MomentumSource terms Solve Mass, Momentum, Energy, SpeciesUser Defined INITIALIZE RepeatSolve Mass & MomentumSource termsSolve Mass C Update VelocityExit LoopCheck Convergence Update Properties User-Defined Properties User-Defined BCsSolve Energy Solve Species Solve Turbulence Equation(s) Solve Other Transport Equations as requiredSource termsA Pera Global Company ? PERA ChinaUDF 数据结构 (1)? 在UDF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Domain Domain Cell Cell Thread Boundary (face thread or zone) Fluid (cell thread or zone) Cells Faces face face Thread Thread? 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)A Pera Global Company ? PERA ChinaUDF 数据结构(2)?cell_t 声明了识别单元的整型数据类型 ?face_t声明了识别面的整型数据类型Type Variable Meaning of the declarationDomain Thread cell_t face_t Node*d; *t; *d is a pointer to domain thread t is a pointer to thread c is cell thread variable f is a face thread variable node is a pointer to a node.Fluid cell-thread (control-volume ensemble)Boundary face-thread (boundary-face ensemble)NodesInternal face-thread (internal-face ensemble) associated with cell-threadsA Pera Global Company ? PERA ChinaUDF中的循环宏?几个经常用到的循环宏为:C 对域d中所有单元thread循环: thread_loop_c(ct,d) { C 对域d中所有面thread循环: thread_loop_f(ft,d) { C 对thread t中所有单元循环： begin_c_loop(c, t) {…} end_c_loop (c,t) C 对面thread中所有面循环 begin_f_loop(f, f_thread) { … } end_f_loop(f, f_thread)A Pera Global Company ? PERA China} }d: a domain pointer ct, t: a cell thread pointer ft,f_thread: a face thread pointer c: a cell thread variable f: a face thread variable例子 C 抛物线分布的速度入口?在二维弯管入口施加抛物线分布的速度 ?x 方向的速度定义为?需要通过宏获得入口的中心点， 通过另外一个宏赋予速度条件A Pera Global Company ? PERA China第1步 C 准备源代码?DEFINE_PROFILE 宏允许定 义x_velocity函数 C 所有的UDFs 以 DEFINE_ 宏开始 C x_velocity 将在 GUI中 出现 C thread 和 nv DEFINE_PROFILE 宏的参 数， 分别用来识别域和变量 C begin_f_loop宏通过 thread指针，对所有的面f 循环 ? F_CENTROID宏赋单元位置向 量给 x[] ? F_PROFILE 宏在面 f上施加 速度分量 ?代码以文本文件保存 inlet_bc.cHeader file “udf.h” must be included at the top of the program by the #include command#include &udf.h& DEFINE_PROFILE(x_velocity,thread,nv) { float x[3]; /* an array for the coordinates */ face_ /* f is a face thread index */ begin_f_loop(f, thread) { F_CENTROID(x,f,thread); y = x[1]; F_PROFILE(f, thread, nv) = 20.*(1.y*y/(.)); } end_f_loop(f, thread) }A Pera Global Company ? PERA China第 2 步 C 解释或编译 UDF? 编译UDFDefine User-Defined Functions Compiled? 解释UDFDefine User-Defined Functions Interpreted? 把 UDF 源码加入到源文件列表中 ? 点击 Build进行编译和链接 ? 如果没有错误，点击Load读入库文件 ? 如需要，也可以卸载库文件/define/userdefined/functions/manage?把 UDF 源码加入到源文件列表中? 点击 Interpret ? FLUENT 窗口会出现语言 ? 如果没有错误，点击 CloseA Pera Global Company ? PERA China解释 vs. 编译?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 ?解释 vs. 编译C 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 C 不需要第三方编译器 ? 劣势 C 解释过程慢，且占用内存C 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?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C 在 FLUENT GUI中hook UDF?打开边界条件面板，选择你要施加UDF的边界 ?把 Constant 改为 udf x_velocity ?宏的名字为 DEFINE_PROFILE 中第一个参数A Pera Global Company ? PERA China第4步 C 运行?可以在运行窗口中改变速度分布的更新间隔（默认为1）C 这个设置控制了流场多久（迭代或时间步）更新一次?运行 calculationA Pera Global Company ? PERA China结果?左图为速度矢量图 ?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 Hooks?除了边界条件、源项、材料属性外， UDF 还可用于 C 初始化? 每次初始化执行一次DefineUser-DefinedFunction HooksC 求解调整? 每次迭代执行一次C 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C 用户定义表面反应或体积反应 C Case/ data 文件的读写? 读入顺序必须和写出顺序一致C Execute-on-Demand 功能? 不参与求解迭代A Pera Global Company ? PERA China例 2 C 定制初始化#include &udf.h“?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 K ?域指针通过变量传递到UDF ?thread_loop_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DEFINE_INIT(my_init_function, domain) { cell_ Thread * real xc[ND_ND]; thread_loop_c(ct,domain) { begin_c_loop (c,ct) { C_CENTROID(xc,c,ct); if (sqrt(ND_SUM(pow(xc[0]0.5,2.), pow(xc[1] - 0.5,2.), pow(xc[2] - 0.5,2.))) & 0.25) C_T(c,ct) = 600.; else C_T(c,ct) = 300.; } end_c_loop (c,ct) } }A Pera Global Company ? PERA ChinaDEFINE 宏?DEFINE 宏的例子DEFINE_ADJUST(name,domain); general purpose UDF called every iteration DEFINE_INIT(name,domain); UDF used to initialize field variables DEFINE_ON_DEMAND(name); an ‘execute-on-demand’ function DEFINE_RW_FILE(name,fp); customize reads/writes to case/data files DEFINE_PROFILE(name,thread,index); boundary profiles DEFINE_SOURCE(name,cell,thread,dS,index); equation source terms DEFINE_HEAT_FLUX(name,face,thread,c0,t0,cid,cir); heat flux DEFINE_PROPERTY(name,cell,thread); material properties DEFINE_DIFFUSIVITY(name,cell,thread,index); UDS and species diffusivities DEFINE_UDS_FLUX(name,face,thread,index); defines UDS flux terms DEFINE_UDS_UNSTEADY(name,cell,thread,index,apu,su); UDS transient terms DEFINE_SR_RATE(name,face,thread,r,mw,yi,rr); surface reaction rates DEFINE_VR_RATE(name,cell,thread,r,mw,yi,rr,rr_t); volumetric reaction rates DEFINE_SCAT_PHASE_FUNC(name,cell,face); scattering phase function for DOM DEFINE_DELTAT(name,domain); variable time step size for unsteady problems DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY(name,cell,thread); calculates turbulent viscosity DEFINE_TURB_PREMIX_SOURCE(name,cell,thread,turbflamespeed,source); turbulent flame speed DEFINE_NOX_RATE(name,cell,thread,nox); NOx production and destruction ratesA Pera Global Company ? PERA China几何和时间宏C_NNODES(c,t); Returns nodes/cell C_NFACES(c,t); Returns faces/cell F_NNODES(f,t); Returns nodes/face C_CENTROID(x,c,t); Returns coordinates of cell centroid in array x[] F_CENTROID(x,f,t); Returns coordinates of face centroid in array x[] F_AREA(A,f,t); Returns area vector in array A[] C_VOLUME(c,t); Returns cell volume C_VOLUME_2D(c,t); Returns cell volume (axisymmetric domain) real flow_time(); Returns actual time int time_ Returns time step number RP_Get_Real(“physical-time-step”); Returns time step sizeA Pera Global Company ? PERA China流场变量宏C_R(c,t); Density C_P(c,t); Pressure C_U(c,t); U-velocity C_V(c,t); V-velocity C_W(c,t); W-velocity C_T(c,t); Temperature C_H(c,t); Enthalpy C_K(c,t); Turbulent kinetic energy (k) C_D(c,t); Turbulent dissipation rate (ε) C_O(c,t); Specific dissipation of k (ω) C_YI(c,t,i); Species mass fraction C_UDSI(c,t,i); UDS scalars C_UDMI(c,t,i); UDM scalars C_DUDX(c,t); C_DUDY(c,t); C_DUDZ(c,t); Velocity derivative Velocity derivative Velocity derivative C_DVDX(c,t); C_DVDY(c,t); C_DVDZ(c,t); C_DWDX(c,t); C_DWDY(c,t); C_DWDZ(c,t); Velocity derivative Velocity derivative Velocity derivative Velocity derivative Velocity derivative Velocity derivativeC_MU_L(c,t); Laminar viscosity C_MU_T(c,t); Turbulent viscosity C_MU_EFF(c,t); Effective viscosity C_K_L(c,t); Laminar thermal conductivity C_K_T(c,t); Turbulent thermal conductivity C_K_EFF(c,t); Effective thermal conductivity C_CP(c,t); Specific heat C_RGAS(c,t); Gas constantA Pera Global Company ? PERA China流场变量宏C_R(c,t); D