计算流体力学作业

计算流体力学_作业一

要求：

认识CFD软件：学习本课程拟学习和使用的CFD软件ANSYS FLUENT，撰写一份报告，介绍所选CFD软件的功能、可选择的离散格式、湍流模型、求解方法等内容（具体内容可选择1~2项介绍）

学习CFD软件：选择一简单算例，完成建模计算，撰写报告，简述计算模型、计算方法和计算结果

报告格式：正文五号字，行距1.25倍，图大小适中。

一、FLUENT软件简介

CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。目前与FLUENT配合最好的标准网格软件是ICEM。

FLUENT系列软件包括通用的CFD软件FLUENT、POLY-FLOW、FIDAP，工程设计软件FloWizard、FLUENT for CATIAV5，TGrid、G/Turbo，CFD教学软件FlowLab，面向特定专业应用的ICEPAK、AIRPAK、MIXSIM软件等。FLUENT软件包含基于压力的分离求解器、基于压力的耦合求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器，多求解器技术使FLUENT软件可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。FLUENT软件包含非常丰富、经过工程确认的物理模型，可以模拟高超音速流场、转捩、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工等复杂机理的流动问题。

1.1 FLUENT软件优点

1）、稳定性好，FLUENT经过大量算例考核，同实验符合较好；

2）、适用范围广，FLUENT含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域；

3）、精度提高，可达二阶精度。

4 )、适用面广，软件包括各种优化物理模型，如计算流体流动和热传导模型 (包括自然对流、定常和非定常流动，层流，湍流，紊流，不可压缩和可压缩流动，周期流，旋转流及时间相关流等 ) ;辐射模型，相变模型，离散相变模型，多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。

5 )、高效省时。Fluent将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于

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物理问题本身的探索上。

1.2 FLUENT软件包组成部分 （1） 前处理器

Gambit用于网格的生成，它是具有超强组合建构能力的专用CFD前置处理器。FLUENT系列产品皆采用FLUENT公司自行研发的Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格。

（2）求解器

它是流体计算的核心，根据专业领域的不同，求解器主要分为以下几种类型： ? FLUENT 4.5：基于结构化网格的通用CFD求解器。 ? FLUENT 6.2.16：基于非结构化网格的通用CFD求解器。 ? Fidap：基于有限元方法，主要用于流固耦合的通用CFD求解器。 ? Polyflow：针对粘弹性流动的专用CFD求解器。 ? Mixsim：针对搅拌混合问题的专用CFD软件。 ? Icepak：专用的热控分析软件。 （3）后处理器

Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。另外，Tecplot也是一款比较专业的后处理器，可以把一些数据可视化，这对于数据处理要求比较高的用户来说是一个理想的选择。

1.3 用FLUENT求解问题的步骤 (1)确定几何形状，生成计算网格。 (2)输入并检查网格。 (3)选择求解器

(4)选择求解的方程：层流或湍流 (5)确定流体的材料物性。 (6)确定边界类型及其边界条件。 (7)条件计算控制参数。 (8)流场初始化。 (9)求解计算。

(10)保存结果，进行后处理等 1.4 FLUENT软件求解器的简介

FLUENT提供了分离式和耦合式两类求解器，而耦合式求解器又分为隐式和显示两种。在计算模型方面，FLUENT允许用户指定计算是稳态的还是非稳态的，计算模型在空间是普通的2D还是3D问题，还是轴对称问题等。在运行环境方面，FLUENT允许设置参考工作压力，还可以让用户决定是否考虑重力。

（1） 分离式求解器

分离式求解器是顺序地、逐一地求解各方程。也就是先在全部网格上解出一个方程后，再解另一个方程。由于控制方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛解之

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前，要经过多轮迭代。

（2） 耦合式求解器

耦合式求解器是同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分运输方程的耦合方程组，然后，再逐一地求解湍流等标量方程。由于控制方程是非线性的，且相互之间是耦合的，因此，在得到收敛解之前，要经过多次迭代。

在耦合式求解器中，可采用隐式或显示两种方案进行控制方程的线性化。当然，这里所谓的隐式和显示，只是针对耦合求解器中的耦合控制方程组（即由连续方程、动量方程、能量方程及组分运输方程组成的方程组）而言的，对于其他的独立方程（即湍流、辐射等方程），仍采用与分离式求解器相同的解法（即隐式方式）来求解。

图1 Solver对话框

1.5 湍流模型

FLUENT共提供了7种湍流模型：无粘、层流、Spalart-Allmaras单方程、k?ε双方程、Reynolds应力和大涡模拟模型。

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图2 Viscous Model对话框

（1） Inviscid模型 进行无粘计算 （2） Laminar模型

用层流的模型进行流动模拟。层流模拟同无粘模拟一样，不需要用户输入任何与计算模型有关的参数

（3） Spalart-Allmaras（1 eqn）模型

用Spalart-Allmaras单方程模型进行湍流计算。这是用于求解动力涡粘输运方程的相对简单的一种模型，它包含了一组最新发展的单方程模型，在这些方程里不必要去计算和局部剪切层厚度相关的长度尺寸。Spalart-Allmaras模型是专门用于求解航空领域的避免限制流动，对于受逆压力梯度作用的边界层流动，已取得很好的效果，在透平机械中的应用也越来越普遍。

（4） k-epsilon（2 eqn）模型

使用k?ε双方程模型进行湍流计算。k?ε双方程模型分为标准k?ε模型、RNG k?ε模型和Realizable k?ε模型3种。这类模型是目前粘性模拟使用最广泛的模型。

（5） k-omega（2 eqn）模型

使用k?ε双方程模型进行湍流计算。k?ε双方程模型分为标准k?ε模型和SST k?ε模型。标准k?ε模型基于Wilcox k?ε模型，在考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流特性的基础上修改而成。Wilcox k?ε模型在预测自由剪切流传播速率时，取得了很好的效果，成功应用于尾迹流、混合层流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射。因而，可以说该模型能够应用于壁面约束流动和自由剪切流动。SST k?ε模型是为了使标准k?ε模型在近壁面区有更好的精度和算法稳定性而发展起来的。因此，SST k?ε模型在许多时候比标准k?ε模型更有效。

（6） Reynolds Stress模型

使用Reynolds应力模型（RSM）进行湍流计算。在FLUENT中，Reynolds应力模型是最精细制作的湍流模型。它放弃了各项同性的涡粘假定，直接求解Reynolds应力方程。由

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于它比单方程和双方程模型更加严格地考虑了流线弯曲、旋涡、旋转和张力快速变化，它对于复杂流动总体上有更高的预测精度。总体来讲，Reynolds应力模型的计算量很大。当要考虑Reynolds应力的各向异性时，例如飓风流动、燃烧室高速旋转流、管道中二次流，必须用Reynolds应力模型。

（7） Large Eddy Simulation模型

使用大涡模拟（LES）模型进行湍流计算。该模型只对三维问题有效，是目前比较有潜力的湍流模型。

算例：

计算鼓风机内部速度场和压力场。

图3 鼓风机网格

算例的内部流动介质为空气，计算选择稳态的求解器，模型为湍流中的标准k?ε模型。壁面选择标准壁面模型。设置边界条件将wall-2和wall-3及其阴影区域设置为内部流动区域。为包含叶片的旋转流动区域设置运动坐标。进流条件为压力进口，总压200Pa。出流边界条压力出口，总压0。叶片边界条件：叶片随着所在区域随着单元区域旋转。求解方法SIMPLE算法，为提高计算精度，动量，湍动能和湍动能耗散率都选择二阶迎风格式。求解控制中的松弛因子选择默认参数。残差设置选择0.001。对流场进行初始化后准备计算，计算迭代步数为400，开始计算。迭代进行到167次后结果收敛。

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图4 鼓风机内部压力场

图4中，红色区域为高压区，绿色区域为低压区。

图5 鼓风机内部速度矢量图

图6 进出口处质量流量及流量差别

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9npg.html