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(jiǎn)介,,,1,,FLUENT軟件簡(jiǎn)介及基本操作,,,2,,GAMBIT基本操作,,,3,計(jì)算流體力學(xué)簡(jiǎn)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(wèn)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(jiǎn)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(jiàn)、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(lài)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(chēng)數(shù)值實(shí)驗(yàn),計(jì)算流體力學(xué)簡(jiǎn)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(wú)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(jiǎn)介,（三）   計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用,航空航天、汽車(chē)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(wèn)題有關(guān)的各類(lèi)復(fù)雜的問(wèn)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(chē)輛、石油、化工、環(huán)境（包括氣動(dòng)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(jiǎn)介,（五） 計(jì)算流體力學(xué)研究工作的優(yōu)勢(shì)、存在的問(wèn)題和困難,1．優(yōu)勢(shì)：,☆“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(chǎng)數(shù)值模擬，可控?zé)岷朔磻?yīng)地?cái)?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(lái)越顯著,計(jì)算流體力學(xué)簡(jiǎn)介,2．問(wèn)題與不足,△流動(dòng)機(jī)理不明的問(wèn)題，數(shù)值工作無(wú)法進(jìn)行；計(jì)算結(jié)果依賴(lài)于數(shù)值模型,△數(shù)值工作自身仍然有許多理論問(wèn)題有待解決,△離散化不僅引起定量的誤差，同時(shí)也會(huì)引起定性的誤差，所以數(shù)值工作仍然離不開(kāi)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(jiǎn)介,,,1,,FLUENT軟件簡(jiǎn)介及基本操作,,,2,,GAMBIT基本操作,,,3,FLUENT軟件簡(jiǎn)介,FLUENT是用于計(jì)算復(fù)雜幾何條件下流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的程序； 它提供的無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，把計(jì)算相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)問(wèn)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(duì)于精確求解有較大梯度的流場(chǎng)如自由剪切流和邊界層問(wèn)題有很實(shí)

8、際的作用。同時(shí)，可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。,（一）   FLUENT軟件概述,FLUENT軟件簡(jiǎn)介,（二）   程序的結(jié)構(gòu),FLUENT程序軟件包應(yīng)該包括以下幾個(gè)部分：1   FLUENT解法器2   prePDF，用于模擬PDF燃燒過(guò)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(jiǎn)介,,,基本程序結(jié)構(gòu)示意圖,,,FLUENT軟件簡(jiǎn)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(dòng)問(wèn)題；計(jì)算過(guò)程中，網(wǎng)格可以自適應(yīng)。2，  可壓縮與不可

10、壓縮流動(dòng)問(wèn)題；3，  穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問(wèn)題；4，  無(wú)粘流，層流及湍流問(wèn)題；5，  牛頓流體及非牛頓流體；6，  對(duì)流換熱問(wèn)題（包括自然對(duì)流和混合對(duì)流）；7，  導(dǎo)熱與對(duì)流換熱耦合問(wèn)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(dòng)問(wèn)題模擬；10，多運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的流動(dòng)問(wèn)題；11，化學(xué)組分混合與反應(yīng)；12，可以處理熱量、質(zhì)量、動(dòng)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(dòng)；15，一維風(fēng)扇、熱交換器性能計(jì)算；16，兩相流問(wèn)題；17，復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng)；,FLUENT軟件簡(jiǎn)介,,二維網(wǎng)格,三維網(wǎng)格,FLUENT軟件簡(jiǎn)介,分壓器內(nèi)部壓力波運(yùn)動(dòng)規(guī)律,分壓器內(nèi)部接觸面運(yùn)動(dòng)規(guī)律,FLUENT軟件簡(jiǎn)介,,,,1.16,1.2×105Pa,293K,馬赫數(shù),靜壓,靜溫,232K,FLUENT軟

12、件簡(jiǎn)介,Ma,ac,J,ΔT,FLUENT軟件簡(jiǎn)介,（四）   程序求解問(wèn)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(lái)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(wú)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(chǎng)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(jiǎn)介,,,1,,FLUENT軟件簡(jiǎn)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(duì)線段進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)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(duì)于管道流動(dòng)需要設(shè)置入口、出口及對(duì)稱(chēng)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(mén),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(cè)壓原理及浮力定律等靜力學(xué)基本知識(shí)；3 掌握流體運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)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(cè)壓原理、壓力傳遞原理和浮力定律、相對(duì)靜止流體運(yùn)動(dòng)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(mén),二   實(shí)驗(yàn)內(nèi)

16、容3 觀摩“流體運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)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(guò)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(gè)以上實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述，要求與所學(xué)理論知識(shí)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(zhǎng)度：L=400mm2 管道流動(dòng)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(dòng)穩(wěn)定的管道截面處(管長(zhǎng)3/5)的流動(dòng)平均雷諾數(shù)，并

18、判斷流動(dòng)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(dòng)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(huà)線網(wǎng)格（留一邊不畫(huà)）——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(kāi)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(chǎng)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(dòng)截面上速度分布曲線： 建立面（管長(zhǎng)3/5處截面）：surface-line/rake-輸入end point坐標(biāo)值 畫(huà)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(shuō)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(dòng)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(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)觀察局部損失形成原因；3 對(duì)管內(nèi)流動(dòng)過(guò)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(zhǎng)度：L=150mm

23、 直徑： d=20mm；長(zhǎng)度：L=150mm 直徑： d=10mm；長(zhǎng)度：L=150mm2 管道流動(dòng)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(jiǎn)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(shuō)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(shuō)明各段靜壓的趨勢(shì)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(huà)線網(wǎng)格（留一邊不畫(huà)），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(dòng)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(kāi)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(chǎng)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(dòng)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