基于FLUENT的波浪数值仿真及其对出水物体的作用研究
基于FLUENT的波浪数值仿真及其对出水物体的作用研究
姜涛裴金亮唐岱能源学院
指导教师：陈浮
一、课题研究目的
物体出水运动是一个涉及气液两相问题的三维非定常过程。在这一过程中，物体的边界条件发生剧烈变化，同时波浪的存在，对物体边界流场的压力、流线分布也起到十分重要的影响。因此，分析波浪力对于研究水面运动体和出水物体所受应力十分关键。目前解决该问题的研究手段主要有物理模型实验与数值模拟等。物理模型实验主要是通过在波浪水槽中进行的实验来研究波浪，采用PIV实验对流场进行跟踪；数值模拟则是通过建立数值模型，通过GAMBIT、FLUENT等CFD软件来进行离散计算。数值模拟可以节约人力、物力、财力和时间，而且数值模拟可重复性好，条件易于控制，比实验更灵活，此外在海洋结构物的分析和设计中，一般来说，解析解只适用与简单几何形状或线性波浪问题，因而数值解法更有普遍意义。如果能够对高阶非线性波进行计算模拟，那么就可以用数值波浪水槽模拟各种条件下、特别是极端波况下的波浪运动特性。所以此项目将采取以数值计算为主，微型实验为辅助的方式开展。项目分析结果将对解决水下导弹发射等实际工程问题起到参考借鉴作用。
二、课题背景
用计算机模拟取代或部分取代海岸与海洋工程模型试验的设想近些年正逐渐成为现实.与物理模型试验相比,数值模拟不仅成本低,可以避免比尺效应,而且在工况选择以及复杂流场的分析处理等方面也具有明显的优越性.关于数值波浪水池的想法由来已久[1],其实质是构建一个数值模拟平台,在该平台上赋予通常实验室中的波浪水池所具有的功能.
基于势流理论和应用边界元方法构建数值波水池的工作已有不少尝试.目前发展了以时域高阶边界元方法求解完全非线性的势流方程,例如,Kim等和Grilli等的工作.然而,结构物附近由于粘性作用而导致的各种复杂流动状况毕竟不能用势流理论来反映.此外,边界元方法在处理复杂自由水面时难免失效.
自Harlow等提出MAC方法和Hirt等提出VOF方法以来,带自由表面粘性不可压缩流体运动的数值计算技术得到了迅速的发展.在此基础上构建数值波浪水槽的工作也受到了重视.Wang基于VOF方法建立了二维数值波浪水槽并应用所建立的数值波浪水槽开展了波浪对近海平台底部冲击过程的研究.最近,日本一研究小组推出了一个二维的CADMAS-SURF系统,其核心技术是VOF方法.较早将VOF方法推广到三维带自由表面粘性流体运动的是Torrey等. Wang和Su应用改进的VOF方法进行了圆柱容器内液体晃动问题的三维数模
在海洋工程问题中，波浪力是作用在工程结构上的最主要的外力之一。为合理地设计处于波浪环境中的结构物，保证其安全、有效地运行，需要正确预报其波浪荷载。另一方面，水下打捞和导弹水下发射等一系列军民项目工程也都受到波浪力的影响。因此，建立波浪的三维数值模型分析计算便具有了很重要的意义对于波浪与物体的相互作用，人们已经进行了长期的研究。目前，线性水动力理论已相当成熟，并以其简单、实用而为工程界采用。然而，波浪与物体相互作用的本质是时域上的非线性问题，实际波浪和物体的运动也是非线性的。线性理论忽略了实际波浪问题的一些重要的特征，使得很多现象无法解释。许多海洋工程事故的发生都与非线性因素有关，结构物的破坏往往发生在连续几个大波的极端状况下。工程实践促使人们将研究的注意力集中到波浪与物体相互作用的非线性特性上。
本课题便基于CFD技术的相关理论，建立存在海风、海流等外界因素下的波浪流体数值模型，为其他工程提供参考
三、课题研究主要内容
1、绪论：课题的研究背景及意义、国内外在该方向的研究现状综述、课题的主要研究内容；
2、数值模拟方法：求解器、差分格式、湍流模型、VOF模型、UDF 模型、波浪流动特点等介绍；
3、不同波长、波速、水深条件下二维非线性波数值模拟及分析，对波浪的特点及不同波浪参数对波浪品
质的影响进行探讨；
4、三维非线性的数值模拟及对运载器出水姿态的影响研究；
四、结论（成果介绍）
波浪的数值模拟过程包括了对造波边界的设置、VOF模型的应用以及数值计算过程中时间步控制等诸多问题。一方面在模拟过程中要保证数值波浪的品质，从而在充分发展的波浪计算域中能够正确分析其对运载器的影响。另一方面计算网格又不能过多，否则对于现行计算来说，计算工作量将是巨大的，时间也会很长。本文所模拟的波浪是二阶STOKES波，主要是因为二阶STOKES波比线性波的精度更高、存在质点漂移现象，与实际海浪更为接近。
本章将通过设置速度入口的方式进行造波，并验证方法的可行性。在二维计算模型中，将在水深分别为5米和50米的两种工况下对波长9米、波高1米、周期2.4秒的二阶STOKES波进行数值模拟。分析水深对波浪生成的影响。其中，主要通过5米水深方案来分析数值波浪的波形参数、压力分布、速度分布以及波浪衰减。在二维波浪的基础之上，本文将在三维区域探讨二阶STOKES波的数值模拟方法及其可行性。其中应用的边界条件有：速度入口、自由出流、壁面以及对称边界。
度入口边界条件：用于定义流动速度和流动入口的流动属性相关的标量。这一边界条件适用于不可压缩流，如果用于可压缩流会导致非物理结果，这是因为它允许驻点条件浮动。
自由出流边界条件：该边界条件用于模拟前无法知道出口速度或者压力的情况;出口流动符合完全发展条件，出口处，除了压力之外，其他参量梯度为0。
壁面边界条件：对于粘性流动问题，FLUENT默认的设置是壁面无滑移条件但也可指定壁面切向速度分量，给出壁面切应力，从而模拟壁面滑移。
对称边界条件：对称边界条件应用于计算的物理区域是对称的情况。在对称轴或者对称平面上，没有对流通量，因此垂直于对称轴或者对称平面的速度分量为0。在对称轴和对称平面上，没有扩散通量，即垂直方向上的速度为0。
1、二维区域5米水深波浪模拟分析
在二维区域、5米水深的条件下进行二阶STOKES波的数值模拟。模拟过程中要考虑重力的影响，同时考虑了流体的粘性，所以数值波浪在传播过程中将会逐渐衰减。在该方案中，将着重分析数值波形与理论波形的匹配、参数变化、流场情况以及质点运动轨迹等。
方案设计
考虑所要模拟波浪的波形参数，建立20m 10m的二维计算区域。采用结构化网格进行区域划分。所模拟的二维波浪参数为：波高1米，波长9米，周期为2.4秒，水深为5米。
模型的网格划分
在网格划分的过程中，本模型采用结构化网格。对于规则区域结构化网格的质量很高，并且比非结构化网格的数量要少。对于本模型，结构化网格可以保证网格与流体速度方向一致，这种模型在计算过程中更易于收敛。
图1-1 计算区域网格划分图
图1-2 计算区域局部网格放大图
在计算区域中最小单元格面积是0.08 ，最大单元格面积是0.14 。总网格数量是17500。
模型的边界条件及参数设置
速
自度入口
由出流
壁面
壁面
图1-3 计算区域局边界条件设置图
将左侧边界设置为速度入口，右侧边界设置为自由出流边界。由于计算域上部的气流运动对造波过程的影响较小，所以可以将上边界设置为壁面。这虽然与实际情况中的无限宽广自由大气不符，但在计算域较大的情况下可以近似代替。其中上半部分深色区域为气相，下半部分浅色区域为液相。
表1-1 流场计算物性参数表
STOKES 波的速度势函数编写相应的UDF 文件，从而控制造波源处的速度变化。同时要通过二阶STOKES 波的波面方程控制速度入口的有效高度。保证造波震荡的准确性。
造波过程中涉及到气液交接面即自由表面的处理问题，本模型选择VOF 模型作为处理该问题的方法，并且考虑流体的重力。
计算过程中时间步控制在0.0001-0.0005之间，否则计算时间将会是巨大的。
数值波浪模拟结果及分析
图1-4是13.6秒时刻的波形图。从图中可以看到计算域中包含有两个波形，这与9米波长、20米计算域这一计算条件是相一致的。
2m 2m
图1-4 13.6秒时刻波形图
图1-5 13.6秒时刻数值、理论波形曲线
在图1-5中，虚线所代表的数值模拟结果与实线所代表的理论波形较为吻合。在4.3米和13.5米处处形成波峰，两者之间距离与造波时给定的9米波长一致。理论上，在求解波面方程的过程中是忽略粘性的作用的，在本模型中考虑了实际流体的粘性，所以数值波高较理论波高有一定的衰减。同时可看出，波峰较为尖突，波谷较为平坦，并且波峰偏离初始平衡位置的距离要大于波谷偏离平衡位置的距离。这是符合理论上的二阶STOKES波波形的。
X=4m
X=8m
X=12m
X=16m
图1-6 不同X位置处波形时变曲线图
如上图1-6所示，为水平方向不同位置处的波形随时间变化曲线。在X=4m位置处t=1.1秒时刻开始形成波形，其时间间隔接近半个周期。随着时间的进一步延长，波形逐渐趋于稳定，及波形充分发展。对比X=8m、X=12m、X=16m处的波形图可以发现，距离速度入口越远其波形的发展时间越长，形成稳定波形也就越缓慢。从初始时刻，速度入口进行周期性的变化，但由于流体并非刚性体，所以造波源的运动规律需要一定时间才能够传播到相应的位置，加之流体在运动过程中受粘性作用，其波能也在不断衰减的过程中，所以会出现当波场传播到相应位置处时，波形十分微小的现象。造波源进经过一定时间的周期变化，当波场各位置处所获得的能量与耗散掉的能量达到平衡时，波场中便会形成稳定波形。
图1-7 不同X 位置处波形时变曲线比较
图1-7表示的是水平方向不同位置处的充分发展波形的比较。在粘性耗散影响下，距速度入口较远的X=16m 处，其波高最小。为了进一步分析波高沿程衰减的情况，沿水平方向等距的取10个观测点。在每一点跟踪其波峰和波谷的位置，并记录其周期，如表1-2所示。在X=0m 即造波源处的波高为0.984米，与设计波高相比误差仅为1.6%。随着波浪的传播，波高逐渐衰减，在X ＝18m 处波高衰减达62.5%。图1-8是波高沿程衰减曲线。
表1-2 数值波形参数表
图1-8 波高沿程衰减
同样在表1-2中显示，随着波高的沿程衰减波浪周期并没有明显的变化。从理论上分析二阶STOKES
波的周期是波长和水深的函数，与波高无关。这一点可以从色散方程 中看出。
2
()2gT L th kh π
=
(a) (b)
图1-9 水平、垂直方向理论速度分布
(a) (b)
(c) (d)
图1-10 入口水平速度分布
(a) (b)
(c) (d)
图1-11 入口垂直速度分布
图1-9、图1-10分别表征的是速度入口的理论速度分布和实际模拟结果的速度分布。在图1-9中每条曲线代表着某一时刻理论入口速度随水深的变化情况，其速度分布是周期性变化的。通过在流场中测量入口截面在不同时刻的速度分布，可以绘制出图1-10和1-11。在图1-10和1-11中，速度随水深逐步增大，当达到自由表面以上的气体位置处时，速度迅速减小为零。同时从水平和垂直速度图中可以看出其周期性的变化规律。这与理论给定的速度分布情况是一致的，从而验证了本文所应用的造波方法的合理性，以及给定的入口速度能够准确的体现在流场中。
图1-12 流线分布
图1-13 单一波峰流线分布
图1-12和1-13所显示的是不同位置处的流线分布。图1-12是经过直线Y=5的所有流谱。图1-13是单一波峰处的流谱。在波面运动的影响之下，波峰处形成速度涡。
为了验证二阶STOKES波的质点运动轨迹为类椭圆形状，本文在(4.5,4.25)、(4.5,4.35)、(4.5,4.75)三个位置处设置初速度为零的示踪粒子，跟踪其运动轨迹如图1-14所示。可以明显看出，各粒子经过相同时间的运动，轨迹为不封闭的类椭圆曲线。这主要是由二阶STOKES波水平速度在进行泰勒展开后出现常数项引起的。而不同位置注入示踪粒子，其运动轨迹也不相同。初始位置水深越深，质点的移动速度就越小。这一结果同样与理论分析保持了较高的一致性。从而得出本方案所模拟的二阶STOKES波不仅在波形上符合理论，其内部质点运动所体现的漂移力也同样与理论吻合。
图1-14 质点运动轨迹
图1-15 压力分布图
图1-16 入口压力分布曲线
图1-15、1-16显示的是全流场压力分布图和入口界面的处压力分布曲线。在压力分布图中，压力分层分布，相对于大气压强水底最高压强层为48000pa。符合5米水深的压强分布规律。
2、二维区域50米水深波浪模拟分析
本模型将在50米水深模拟二阶STOKES 波，并分析其波形、压力分布、流线等流场特征。
方案设计
考虑所要模拟波浪的波形参数，建立40m 60m 的二维计算区域。采用结构化网格进行区域划分。所模拟的二维波浪参数为：波高1米，波长9米，周期为2.4秒，水深为50米。
模型的网格划分
图2-1 计算区域网格划分图 图2-2计算区域局部网格放大图
在计算区域中最小单元格面积是0.26 ，最大单元格面积是0.3 。总网格数量是30000。
模型的边界条件及参数设置
图2-3 计算区域局边界条件设置图
将左侧边界设置为速度入口，右侧边界设置为自由出流边界。由于计算域上部的气流运动对造波过程的影响较小，所以可以将上边界设置为壁面。
表2-1 流场计算物性参数表
2
m 2
m
数值波浪模拟结果及分析
图2-4是33秒时刻的相图，在此时刻，波形充分发展。整个计算区域较大，所以该图上的波形并不明显。但从图2-5中可以看出，数值波浪与理论波形匹配效果较好。由于计算区域的加大，波浪在传播过程中，伴有明显的衰减。前两个波长中，波形理想，随后波高迅速降低。
在整个计算区域中共出现了4.5个波形，这符合40米区域、9米波长理论上所应存在的波浪数目。
图2-4 33秒时刻波形图
图2-5 33秒时刻数值、理论波形曲线
在本模型中，水深大幅增加，在图2-5中的波形匹配依然较好。证明在水深增加的情况下，本文所用的造波方法同样可以得到高品质的波浪。从图2-6和图2-7中，可以看出，虽然水深大幅增加，但有效造波速度依然处于自由表面位置处。在形成波形的的区域带中，速度明显增大，在水深44米以下的部分，速度基本为零。当然，在大区域计算域中，耗散与衰减将会变得明显，但对于波浪的生成影响不大。
(a) (b)
图2-6水平方向理论、模拟速度分布
(a) (b)
图2-7 垂直方向理论、模拟速度分布
(a)
(b)
y-vel (m/s)
d (m )
-1.5
-1
-0.5
00.5
1
1.5
x-vel (m/s)
d (m )
图2-9 压力分布图和入口压力分布曲线
(a) (b)
图2-10 水平和处置方向速度分布
50米水深的二阶STOKES 波模拟过程与5米水深的情况相比，波形同样与理论较为吻合。造波边界所产生的入射流体速度并没有因为水深的增加而产生数值上的较大变化。其速度有效区域相应提高，始终保持在自由表面位置处，在波幅宽度的带状区域内作周期性变化。在图2-10中，可以看到，波面处的速度无论方向如何，其绝对值在流场中较大，为明显的高速区。
3、三维区域5米水深波浪模拟分析
通过以上二维区域的二阶STOKES波的模拟，可以验证本文所提出的造波方法是可行的。数值波浪无论从波形上还是内部流场的运动规律方面来看，都使与理论分析相一致的。因此，在二维基础之上，本文将二阶STOKES波的模拟拓展到三维区域。在三维区域内模拟二阶SOKES波具有重要意义，因为单纯的波浪模拟其应用价值较小，只有将运载器或海工建筑的受力与波浪力进行耦合计算，才对生产实践产生指导意义。
方案设计
建立50m?10m?10m的二维计算区域。采用结构化网格进行区域划分。所模拟的二维波浪参数为：波高1.2米，波长12米，周期为2.8秒，水深为5米。
模型的网格划分
图3-1 计算区域网格划分图
m，最大单元格在此模型中仍然采用结构化的正方体网格。在计算区域中最小单元格面积是0.021 3
m。总网格数量是183804。将计算域扩展到三维区域，计算网格数量大幅增加，所以对于面积是0.031 3
计算机的要求也相应提高。如果对波形品质要求较高，还需要在波面区域加密网格。三维计算过程中时间步为0.001-0.0001秒。
模型的边界条件及参数
图3-2 计算区域初始相图
三维区域的边界条件设置与二维基本相同，左侧为速度入口，右侧为自由出流边界条件，上下边界均为壁面，新增的垂直Z轴的两个面设置为对称面。
表3-1 流场计算物性参数表
数值波浪模拟结果及分析
图3-3 17.86秒时刻波形图
在本模型中讨论的仍然是规则的单一波，并没有考虑Z方向的速度变化，三维区域波浪实际是二维波浪在空间区域的平推。尽管如此，波浪对流场内物体的作用分析过程仍然是无法用二维波浪模型代替的。图3-3的波形连续平滑，与给定波浪参数一致。
图3-417.86秒时刻压力
图3-517.86秒时刻水平速度分布
图3-617.86秒时刻处置速度分布
三维区域的压力分布与二维情况一致，均为分层分布。水底最大压力与理论值相一致。从速度图上可以看出，自由表面位置处速度值较大，形成四个高速区域。这四个高速区域便是波峰位置，另外流场中存在四个波形也与50米计算域和12米波长这一参数匹配。
三维计算区域的模拟为下一步进行波浪力与运载器耦合计算提供条件。三维区域更为接近实际，可以在流场中分析运载器在Z方向的受力，这在二维模型中是无法做到的。通过上述分析，可知三维区域波浪的品质符合要求，与理论波形匹配。
4、波浪对运载器出水过程的的影响
导弹潜射简介
潜射导弹因其兼有潜艇的隐蔽性好、机动范围大、生存能力强的特点和导弹的射程远、打击精度高、破坏性强的优点，自导弹诞生初期，潜射导弹的发展就备受关注，并逐渐成为现在核威慑和实施二次核打击的中坚力量[12]。而配备常规战斗部的潜射导弹能实施敌防区外军事打击，对敌境内的各种军事目标实施“结构破坏”战，支援陆上或登陆作战。
导弹水下发射要经历筒内弹道、水下弹道、出水弹道、空中弹道几个阶段，其中前三个阶段是水下导弹武器发射的关键。水下发射时，由于水的密度是空气密度的800倍，力学环境与空气中有很大不同，水的浮力、阻力、粘滞力将呈现水下独有的特点[13]。随着水深的变化，尾喷管的背压不断发生着变化，从而也使得推力呈现出不稳定的工况。同时导弹受各种海洋潮流、水深引起的静压载荷、动压载荷、艇速、发射方式的影响，水下弹道不易控制，甚至会直接导致导弹结构的破坏。潜射导弹的研制工作从上世纪五十年代中期开始，但因导弹的水下发射技术难度大，目前只有俄罗斯、美国、法国等少数几个国家拥有较成熟的潜载导弹发射技术。在出水过程中，弹体在极短的时间内经过气液交接面，此过程中，导弹受力发生剧烈变化，力学环境极其不稳定。尤其再受到波浪力的作用，弹体将会受到很大的偏转力矩。如果不能正确分析波浪波浪力对其影响，导弹很可能在出水过程中偏离预定轨道。所以分析波浪对其影响显得尤为关键[14]。
方案设计
按导弹在水中所处的状态分主要有裸式导弹(无运载器)、浸湿导弹(注水运载器或称发射舱)和干式导弹(水密运载器)三种。本文所选择的模拟方案为裸式导弹。此外本章基于理论方法研究的目的，所采用的模型以实际弹形为基础进行等比缩小。在这一过程中，主要分析其受力变化情况，并验证模拟方案的可行性。
通过建立20m?10m?5m的立方体区域来模拟弹体出水位置周围的水域，水深为5米，在水下1米处安置弹体。造波参数为：波高1米，波长7米，周期为2.1秒。为了分析波浪力对导弹出水的影响，本模型在前9秒不考虑弹体的自由运动即将其设置为固定刚体。在这一过程中调整参数，优化波浪品质，直致整个自由表面的波形得到充分发展。
网格划分及边界条件设置
对本模型进行网格划分应避免网格数量过多，整个计算域范围大，所以仅在弹体周围和自由表面处作带状加密。
边界条件的设置与三维区域的边界条件相同，同时将弹体设置为刚体壁面。
网格划分
图4-1 计算区域网格剖面图
弹体在运动过程中涉及到动网格技术，由于在本模型中不考虑艇速，即弹体是在静止状态下由固定推
力推升出水，所以四面体网格区域在水平方向适当减小。从而达到减少网格数量的目的。网格重构区域两侧的采用结构化网格，为保证良好波形，在中间区域进行加密。
在计算区域中最小单元格面积是7
3.2710-? 3m ，最大单元格面积是3
7.4410-?3m ，总网格数量是
630924。对于这一数量级的网格，目前的计算机性能是可以接受的。
边界条件设置
图4-2 计算区域初始相图
左侧边界设置为速度入口，右侧边界设置为自由出流，上下边界均为壁面，垂直于Z 轴的前后两个边界设置为对称面。流场中的弹体为壁面边界。导弹质量为35kg,推力为400N ，初速度为0。
弹体出水模拟结果及分析 出水过程全流场分析
(a) t=0.354 s
(b) t=0.504 s
(c) t=0.634 s
(d) t=0.734 s
图4-3 导弹出水过程图
图4-3显示的是弹体从启动到出水的分时图，从图中可以看到，弹体在出水过程中受到波浪力作用，产生一定角度的偏转。导弹出水时刻偏转角度与和方向与波浪的相位是密切相关的。波浪运动是周期性的过程，所以不同周期时刻的波形对弹体的影响是有很大不同的。在二阶STOKES波浪模型中，由于始终存在漂移速度，所以沿X轴正方向的运动趋势较为明显。
弹体压力分析
(a) t=0.289 s
(b) t=0.329
(c) t=0.554
(d) t=0.784
图4-4 弹体相、压力图
在图4-4中，显示了导弹在出水过程中四个不同时刻的相图与压力图，其中压力是以大气压为基准的相对压力。图(a)中的弹体完全浸没在水中，其压力沿弹体从上至下递增，弹头的高压区主要是由于导弹运动过程中与液体相对运动所形成的阻压。随着导弹继续运动，其前部区域压力逐渐降低。在图(c)中可见，弹体上半部出水后压力降至为大气压，由于空气阻力小，所以其头部的压力变化并不明显。当弹体完全出水后，其表面压力与大气压力相同。在图4-4中可以清楚的看到这一点。
弹体运动参数分析
(a) (b)
(c)
图4-5 X 轴位移、转角、力
X 轴方向的弹体运动参数如图4-5所示，由于受到波浪力作用，弹体质心在X 方向产生位移。在0.5至0.6秒期间，水平方向的流体力达到最大，这一段时间内，质心在X 方向的移动的速度也最大。在(a)图中可以看到，曲线在0.5至0.6秒期间斜率最大。
(a) (b)
Fluent雾化喷嘴数值仿真研究
F l u e n t雾化喷嘴数值 仿真研究 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
Fluent雾化喷嘴数值仿真研究 FLUENT提供五种雾化模型： ?平口喷嘴雾化(plain-orificeatomizer) ?压力－旋流雾化(pressure-swirlatomizer) ?转杯雾化模型(flat-fanatomizer) ?气体辅助雾化(air-blast/air-assistedatomizer) ?气泡雾化(effervescent/flashingatomizer) 所有的模型都是用喷嘴的物理及尺寸参数（例如喷口直径、质量流率）来计算初始颗粒尺寸、速度、位置。对于实际的喷嘴模拟来说，无论是颗粒的喷射角度还是其喷出时间都是随机分布的。但对FLUENT的非雾化喷射入口来说，液滴都是在初始时刻以一个固定的轨道喷射出去（到流场中去）。喷雾模型中使用随机选择模型得到液滴的随机分布。随机选择轨道表明初始液滴的喷射方向是随机的。所有的喷嘴模型中都要设第初始喷射角（范围），颗粒通过随机的方法在这个范围内得到一个初始喷射方向。这种方法提高了由喷射占主导地位流动的计算精度。在喷嘴附近，液滴在计算网格内的分布趋向于更加均匀，这样，通过气相作用于液滴上的曳力就加强了气相－液滴之间的耦合作用。 平口喷嘴雾化(plain-orificeatomizer)模型 平口喷嘴是最常见也是最简单的一种雾化器。但对于其内部与外部的流动机制却很复杂。液体在喷嘴内部得到加速，然后喷出，形成液滴。这个看似简单的过程实际却及其复杂。平口喷嘴可分为三个不同的工作区：单相区、空穴区、以及回流区（flipped。不同工作区的转变是个突然的过程，并且产生截然不同的喷雾状态。喷嘴内部区域决定了流体在喷嘴处的速度、初始颗粒尺寸、以及液滴分散角。每种喷雾机制如下图示（图1、2、3）： 图1单相流雾化喷嘴流动（液体完全充满喷头内部） 图2空穴喷嘴流动（喷头倒角处产生了空穴） 图3返流型喷嘴流动（在喷头内，下游气体包裹了液体喷射区） 压力－旋流雾化喷嘴模型 另一种重要的喷嘴类型就是压力－旋流雾化喷嘴。气体透平工业的人把它称作单相喷嘴（simplexatomizer）。这种喷嘴，然后流体通过一个称作旋流片的喷头被加速后，进入中心旋流室。在旋流室内，旋转的液体被挤压到固壁，在流体中心形成空气柱，然后，液体以不稳定的薄膜状态从喷口喷出，破碎成丝状物及液滴。在气体透平、燃油炉、直接喷射点火式汽车内燃机的液体燃料燃烧中，压力－旋流雾化喷嘴使用很广泛。液体从内部流到完全雾化的过程可分为三个步骤：液膜形成、液膜破碎及雾滴形成。这个过程的示意图如下： 图4喷嘴内部流动转变为喷雾状态的理论步骤 转杯雾化模型（TheFlat-FanAtomizerModel） 转杯雾化喷嘴与压力－旋流雾化喷嘴很类似，只是它形成了液膜层，而不是旋流。液体从宽而薄的喷口出来后形成平面液膜，继而破碎成液滴。一般认为，它的雾化机理与压力－旋流雾化喷嘴类似。一些学者认为转杯雾化喷嘴（由冲击射流雾化而来）的雾化机理与平面液膜的雾化类似。在这种情况下，转杯雾化模型可以应用。只有在三维的情况下才可以使用这个模型。图5是一个转杯的三维示意图。此模型假定扇叶由一个虚点延长而成。用户必须设定虚点的位置，虚点就是扇叶的侧边的延长线的交点。用户还必须设定扇叶的弧边所对应的中心点。为了确定喷射的方向，FLUENT将由虚点和中心点的位置来确定一个向量。用户还必须设定扇叶弧的半顶角、喷口宽度（垂直方向）以及液体的质量流率。 图5平板扇叶喷嘴顶视图与侧视图 空气辅助雾化模型
FLUENT多孔介质数值模拟设置
FLUENT多孔介质数值模拟设置 多孔介质条件 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。 多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用（而不是完全的多孔介质模型），这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。 多孔介质模型的限制 如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。 流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT不会正确的描述通过介质的过渡时间。 多孔介质对于湍流的影响只是近似的。详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。 多孔介质的动量方程 多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项 (Darcy)，另一个是内部损失项： 其中S_i是i向(x, y, or z)动量源项，D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。 对于简单的均匀多孔介质： 其中a是渗透性，C_2时内部阻力因子，简单的指定D和C分别为对角阵1/a 和C_2其它项为零。 FLUENT还允许模拟的源项为速度的幂率： 其中C_0和C_1为自定义经验系数。 注意：在幂律模型中，压降是各向同性的，C_0的单位为国际标准单位。 多孔介质的Darcy定律 通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C_2可以考虑为零。忽略对流加速以及扩散，多孔介质模型简化为Darcy定律： 在多孔介质区域三个坐标方向的压降为：
fluent炉膛仿真教程文档
炉膛仿真过程及其其中的问题 一、（Gambit）几何建模部分 1.大体尺寸 在本次设计中，（实际标高-5=图中的标高）锅炉的尺寸为：锅炉高度为26890mm，宽度为7570mm，深度为7570mm。 燃烧器的高度为2.105m，最底层的燃烧器低端距冷灰斗距离为2.1775m。 采用四角切圆（顺时针切圆，假想切圆直径0.8m）的均等配风燃烧方式。其中一次风2层，二次风3层。由低到高燃烧器风口布置依次为二、一、二、一、二。燃烧器宽度为0.4m，一次风口高度0.2405m，二次风口高度0.352/0.315m，风口间距为0.21/0.12/0.155m。
2.简化处理 将水冷壁简化成一个恒温平面； 将燃烧器简化成一个平面，各次风口为平面中的一个矩形区域，作为速度入口； 忽略屏式过热器，将折焰角上方与水平烟道相连结的平面作为出口（outflow）。 3.几何建模过程及网格划分 为了方便锅炉的网格划分，我们将整个计算域划分为5个区域：冷灰斗下端至燃烧区域下端、燃烧区域、燃烧区上端至折焰角下端、折焰角区域、折焰角上端至炉膛出口。 3.1点线面的生成 几何建模的方法通常可以是自下而上的，即先生成体的各个点（通过坐标确定位置）；将生成的点依次连接成线；将线围成体的各个面；最后将面组合成一个实体。 当然建模时也可以通过设置实体（面）的长宽高（长宽）直接生成。 3.2实体分割 块的划分方法如下： 先产生一个面，并将该面平移至该实体要切割的位置，split volume选卡中，split with
选择face（real），然后选中要切割的实体（对应split volume中的volume）以及用来切割这个体的面（对应face栏）（注意：在切割时需要选中Connected，保证切割产生的两个体之间的面是公共面，而不是两个重合的面。因为公共面可以通过物质和能量，而重合的面不加定义时是wall），最后点击APPL Y确定。 根据这种方法，我们可以在Z方向将燃烧区分为很多层，方便以后设置一、二次风入口的边界条件。同时，在xy平面内燃烧区被分为8份，如图所示： 3.3网格划分
基于Fluent的三通管数值模拟及分析
第40卷第2期 当 代 化 工 Vol.40，No. 2 2011年2月 Contemporary Chemical Industry February，2011 收稿日期： 2010-08-17 作者简介： 魏显达（1983-），男，硕士，黑龙江北安人，2007年毕业于大庆石油学院电子信息工程，研究方向：塔顶流出系统的腐蚀与防 基于 Fluent 的三通管数值模拟及分析 魏显达，王为民， 徐建普 （辽宁石油化工大学石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001） 摘 要：Fluent 软件作为流体力学中通用性较强的一种商业CFD 软件应用范围很广。通过利用Fluent 计算流体动力学（CFD）的软件，对石油工业系统中常见的三通管内部流体进行了模拟分析，得到了三通管内在流体流动时的速度、压力和温度场分布图，为石油管道中的流体输送提供了理论依据。 关 键 词：Fluent；三通管；模拟分析；分布图 中图分类号： TQ 018 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2011）02-0165-03 Numerical Simulation and Analysis of Fluid in Three-way Connection Pipe Based on Fluent Software WEI Xian-da ，WANG Wei-min ，XU Jian-pu (Institute of Petroleum and gas engineering , Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China ） Abstract : As a commercial CFD software with good universality, the Fluent software has been used extensively. In this paper, Simulation analysis on fluid in the three-way connection pipe of the oil industry was carried out by the software of fluid mechanics computation .Then distribution graphs of velocity , pressure and temperature of fluid in the three-way pipe were gained ，which can offer theoretical basis on fluid transportation in the petroleum pipeline. Key words : Fluent three-way ；Connection pipe ；Simulation analysis ；Distribution graphs Fluent 是目前国际上比较流行的商用CFD 软件包，在美国的市场占有率为60%，广泛应用于流体、热传热和各种化学反应等有关工业。软件包括前处理器（利用Gambit 进行物理建模、网格划分和划定边界层条件）、求解器（根据专业条件不同，采用不同的求解器，并规定物性、外部工作环境和进行数值迭代）和后处理器（把一些数据可视化，满足用户的特定要求）。 三通管在石油工业中应用广泛，采用传统的设计开发方法，存在经济成本高，研发周期长等缺陷，耗费大量的人力、物力 [1-2] 。应用CFD 软件，能够在 相对较短的设计周期内，较低的成本运行下，准确模拟流动具体过程，如速度场、压力场和温度场等的时变特性等。CFD 技术已经成为不可缺少的设计手段。 本文利用Fluent 的超强数值计算和分析能力对三通管道内原油流动时的速度、压强和温度场进行了数值模拟和分析，为石油管道中的流体输送提供了可靠的理论依据。 1 数学模型的建立和分析 输油管道管中，原油在三通管内的流动属于湍流，简化方程管道内的流体流动满足质量守恒、动量守恒、能量守恒、状态方程等。 连续性方程（连续性方程式质量守恒定律在流体力学中的表现形式）在直角坐标系下表示为（（1）方程） [3-5] ： 0)()()(=??+??+??+??z y x t z y x νννρρρρ （1） 式中：V x ，V y ，V z 是速度矢量ν在x 、y 和z 轴方向的分量，t 是时间，ρ是密度。 最常用的湍流求解模型是标准k -ε湍流模型。它需要求解湍动能k ((2)方程)和耗散率ε((3)方程)，具体如下所示： Y G G x x M b k i t i k t k ?+++??+??=ρεσμρ μ)[(d d （2） K K k t C G C G C x x b K i t i εμρεσμερεεε2 231)(])[(d d ?++??+??= （3）
应用FLUENT进行射流流场的数值模拟
应用FLUENT进行射流流场的数值模拟 谢峻石何枫 清华大学工程力学系 一．引言 射流是流体运动的一种重要类型，射流的研究涉及到许多领域，如热力学、航空航天学、气象学、环境学、燃烧学、航空声学等。在机械制造与加工的过程中，就经常利用压缩空气喷枪喷射出高速射流进行除尘、除水、冷却、雾化、剥离、引射等。在工业生产中，改善气枪喷嘴的设计，提高气枪的工作效率对于节约能源具有重大的意义。 FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。本文的工作就是将FLUENT应用于喷嘴射流流场的数值模拟，使我们更加深刻地理解问题产生的机理、为实验研究提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用.。 二．控制方程与湍流模式 非定常可压缩的射流满足如下的N-S方程： （1） 上式中，是控制体，是控制体边界面，W是求解变量，F是无粘通量，G是粘性通量，H是源项。
采用二阶精度的有限体积法对控制方程进行空间离散，时间离散采用Gauss-Seidel隐式迭代。 FLUENT软件包中提供了S-A(Spalart-Allmaras)，K-（包括标准K-、RNG K-和Realizable K-），Reynolds Stress等多种湍流模式，本文在大量数值实验的基础上，亚音速射流选择RNG K-湍流模式，超音速射流选择S-A湍流模式。 三．算例分析 （一）二维轴对称亚声速自由射流 计算了一个出口直径为3mm的轴对称收缩喷嘴的亚声速射流流场，压比为1.45。外流场的计算域为20D×5D（见图1）。 图1 计算域及网格示意图 图2显示的是速度分布，图3、图4分别显示了轴线上的速度分布以及截面上的速度分布计算值与实验值的比较。从图中可以看出，亚声速自由射流轴线上的速度核心区的长度约为5～6D，计算值与实验值吻合的比较一致，证明RNG k-湍流模式适合于轴对称亚音速自由射流的数值模拟。
Fluent数值模拟步骤
Fluent数值模拟的主要步骤 使用Gambit划分网格的工作： 首先建立几何模型，再进行网格划分，最后定义边界条件。 Gambit中采用的单位是mm，Fluent默认的长度是m。 Fluent数值模拟的主要步骤： （1）根据具体问题选择2D或3D求解器进行数值模拟； （2）导入网格(File-Read-Case)，然后选择由Gambit导出的msh文件。 （3）检查网格(Grid-Check)，如果网格最小体积为负值，就要重新进行网格划分。（4）选择计算模型(Define-Models-Solver)。（6） （5）确定流体的物理性质(Define-Materials)。 （6）定义操作环境(Define-Operating Conditions)。 （7）指定边界条件(Define-Boundary Conditions )。 （8）求解方法的设置及其控制（Solve-Control-Solution）。 （9）流场初始化（Solve-Initialize）。 （10）打开残插图（Solve-Monitors-Residual）可动态显示残差，然后保存当前的Case和Data文件（File-Writer-Case&Data）。 （11）迭代求解（Solve-Iterate）。 （12）检查结果。 （13）保存结果（File-Writer-Case&Data），后处理等。 在运行Fluent软件包时，会经常遇到以下形式的文件： .jou文件：日志文档，可以编辑运行。 .dbs文件：Gambit工作文件，若想修改网格，可以打开这个文件进行再编辑。 .msh文件：Gambit输出的网格文件。 .cas文件：是.msh文件经过Fluent处理后得到的文件。 .dat文件：Fluent计算数据结果的数据文件。 三维定常速度场的计算实例操作步骤 对于三维管道的速度场的数值模拟，首先利用Gambit画出计算区域，并且对边界条件进行相应的指定，然后导出Mesh文件。接着，将Mesh文件导入到Fluent求解器中，再经过一些设置就得到形影的Case文件，再利用Fluent求解器进行求解。最后，可以将Fluent 求解的结果导入到Tecplot中，并对感兴趣的结果进行进一步的处理。
fluent模拟基本步骤及注意事项
二维模拟： 一、模拟类型： 1、 大区域空间速度场模拟 计算区域大小设置：迎风面是建筑长度的3倍，背风面是建筑长度的12倍，两侧面是建筑宽度的3倍，高度是建筑高度的4倍。 根据相似理论：l C -几何比例尺 速度比例尺：2 10l C C =υ 风量比例尺：2520l l Q C C C C =?=υ 热量比例尺： 250l T Q C C C Cq =?=? 2、 建筑户型温度场、速度场模拟 二、基本操作步骤及注意事项： A gambit 建模 1、 建模： 方法一：直接在GAMBIT 建模； 方法二：CAD 导入gambit ； 1） 在CAD 中用PL 线将户型的基本构造画出来，创建为面域； 2） 输入命令acisoutver ，把‘70’修改为‘30’。 3） “文件”——“输出”——sat 文件 4） 在gambit 中导入Acis 文件 注意：在用PL 线构画户型时，在进口和出口边界（窗户、内户门），要各边界端点连续画线。 2、 划分网格： Interval Size ：50 3、 设置边界条件 内部开口边界（门）设置为internal ，房间相邻墙壁设置为Wall 4、 保存文件，并输出mesh 文件 B 导入fluent 计算： 1、 导入mesh 文件 2、 检查网格 3、 设置单位 gambit 里可以缩小建筑比例建模，在fluent 中设置单位恢复原模型。 4、 选择计算模型 5、 设置材料类型 6、 设置边界条件 7、 设置模拟控制条件 8、 边界初始化
9、设置监视窗口 10、设置迭代次数进行计算 11、结果显示 12、保存文件 三、需解决问题： 1、湍流强度等计算； 2、层流湍流界定问题； 3、壁面湿度设置问题； 四、待提高部分： 1、户型流场模拟时，墙壁考虑采用双钱； 2、南京理工校区原始模型（不简化）模拟； 3、三维模型模拟； 五、
实体入水FLUENT模拟过程_包括划分网格方法
实体入水模拟过程 3.2.1利用GAMBIT建立计算模型 1）启动GAMBIT，打开对话框如图3.2.1选择工作目录为D:\GAMBIT working。 图 3.2.1 2）首先建立等边三角形，单击Geometry Vertex Create Real Vertex，在Create Real Vertex面板的x、y、z坐标输入（0,0,0），单击Apply按钮生成第一个点，按同样的方法建立点（0.4,0,0）。然后单击Geometry Edge Create Straight Edge，在Create Straight Edge面板中选择点1与点2，连接这两点省成线段。如图3.2.2 图3.2.2 3）单击Edge面板中的Move/Copy Edges按钮，打开如图3.2.3的面板，选择线段1，单击copy按钮，并选择Operation为Rotate，在Angle栏输入60，其他保持默认，单击Apply 按钮。即旋转复制生成第二条线段。
图3.2.3 4）剩下的一条线段只需连接右侧两点即可，如图3.2.4所示。 图3.2.4 5）创建三角形面。单击Geometry Face Create Face from Wireframe，在Create Face from Wireframe面板中利用鼠标左键框选等边三角形的三条边，然后单击Apply按钮创建面。 6）由于三角形面域的位置不对，所以还要对其位置进行调整。首先需将其旋转210度。单击Face面板中的Move/Copy Faces按钮，在Move/Copy Faces面板中，选择面1（face.1），单击Move并选择Operation为Rotate，在Angle栏输入210，其他保持默认，单击Apply 按钮。其次，需要将三角形平移，在Move/Copy Edges面板中选择面1（face.1），单击Move 并选择Operation为Translate，在x与y栏分别输入3和8.4，单击Apply按钮完成平移操作，此时的视图窗口如图3.2.5所示。
fluent中动画仿真
28.19.1.Defining an Animation Sequence定义一个动画序列 你可以使用Solution Animation对话框来生成一个动画序列，并指出多久生成一个动画序列。 从Solution Animation对话框中打开Animation Sequence对话框，允许你定义每个序列的显示内容和显示位置以及每个序列的储存方式。 定义动画的流程图： 35.17.8.Solution Animation Dialog Box解算动画对话框 你可以使用Solution Animation对话框去生成一个动画序列并且指定多久生成一个序列。 控制按钮的功能： Animation Sequences动画序列 设置要定义的动画序列的总数目。 Active激活 激活/关闭每个动画序列。 Name名字 为每个动画序列指定一个名字 Every, When每一个，时态 表明你想在动画序列中多久生成一个新的项目。您可以在Every下面输入时间间隔，并在When的下拉列表中选择Iteration（迭代）或Time Step（时间步长） 注意：只有在计算非稳态流体时Time Step才是一个有效的选择。 Define...限定 打开动画序列对话框，你可以在其中定义一个动画序列。
程序步骤如下： 1. 增加Animation Sequences的数值到你想指定的动画序列的数中。随着这个数值的增加，对话框中额外的序列目录将变成可以被编辑的。针对每一个序列，你将执行下一步。 2.在Name标题下输入一个序列名称。这个名称将被用于识别在Playback对话框中的序列，在哪里你可以回放已经定义或读入的序列。如果你将这个序列保存到磁盘中，那么这个名称也将用作文件名的前缀。 3.指定你想多久生成一个新的序列，可以通过在Every下面设置时间间隔和在When的下拉列表中选择Iteration（迭代）或Time Step（时间步长） 注意：只有在计算非稳态流体时Time Step才才可被选择。 例如，每10步生成一个帧，你可以在Every下输入10并在When下选择Time Step。（time step下输入10指的是解算时每多少步保存的步数×10，保存一次动画。） 4.点击Define…按钮打开Animation Sequence（动画序列）对话框 35.17.9. Animation Sequence Dialog Box动画序列对话框Animation Sequence对话框允许你去定义每一个动画序列。 控制按钮的功能： Sequence Parameters序列参数 包含动画序列存储和显示位置的一般参数。 Storage Type存储类型 表明你是想在内存（In Memory）中还是在你的电脑硬盘（Metafile or PPM Image）中保存动画序列。 Name名字 指定序列的名称。 Window窗口 指定你想要显示的图形窗口ID的地方。你必须点击Set来设置指定的Window。当Fluent
轿车尾流fluent仿真分析与设计
轿车尾流fluent仿真分析与设计 1.1空气动力学在汽车中的应用 空气动力学特性是汽车的重要特性之一,它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性与安全性。其中,空气动力学中的空气阻力(风阻)是影响油耗的首要因素,降低风阻系数则是提高汽车燃油经济性的重要途径之一。汽车空气动力学性能对汽车的安全性、经济性和舒适性具有重要影响。汽车空气动力学的首要研究任务是通过试验或者数值模拟研究获得汽车行驶时汽车本身所受到的气动力的变化，改善汽车的行驶性能，评价汽车的节能水平。 1.2阶背式轿车与直背式轿车简述 阶背式轿车国际上简称L型车，也称为三厢式轿车，具有后备箱。它通常是中高档轿车的款式，涵盖的车型最多，从夏利三厢、富康988、捷达、奥迪一直到凯迪拉克、劳斯莱斯。在一般人的眼中，这车型是引擎置在车头，中间省几个座位，四扇车门，车尾有个分隔的行李厢，即三厢式设计。缺点是扁阔的尾厢放不下较大件的行李，而且乘客在行车时，也照顾不到放在后备厢的东西。在驾驶方面，由于车身重心是在
前方偏中位置，所以有中性转向的特性。随着生活水平的日益提高, 外出旅行成了人们休闲的新时尚, 直背式旅行轿车(简称直背式轿车)在人们旅行时起着非常重要的作用, 既能载人又能载物.但缺点是后行李仓空间不足以简化的直背式轿车模型为研究对象。 1.3国内外研究现状 当前国内外对汽车外流场的研究已经比较深入，已经有大量的相关文献发表，北航的康宁、李光辉教授借助商用计算流体力学软件STAR-CD,利用移动边 界条件进行三维数值模拟,计算加装行李架前后的轿车在不同车速下的车身气动阻力系数和升力系数,并通过与试验结果的对比,验证数值计算结果的正确性。计算结果表明,不同剖面形状的行李架对直背式轿车外流场有不同程度的影响.研究结果为合理选择行李架的剖面形状,改善轿车的气动特性提供了依据。西华大学杨海波应用国内外广泛采用的合成风的方法模拟侧风作用下的汽车外流场。根据模拟结果对车身周围流场进行了分析,并根据车身外流场不同位置截面上的速度和压力等物理量的分布与变化情况,定性的分析了轿车受到侧风作用时侧向力和升力发生相应变化的原因,并重点结合GB7258标准,从气动升力入手,对
沿程损失阻力系数的FLUENT数值模拟(计算流体力学作业)..
计算流体力学课程作业 作业题目：沿程损失阻力系数的FLUENT数值模拟 学生姓名：易鹏 学生学号： 专业年级：动力工程及工程热物理12级学院名称：机械与运载工程学院 2012年5月2日
沿程损失阻力系数的 FLUENT 数值模拟 一、 引言 沿程损失（pipeline friction loss ）是指管道内径不变的情况下，管内流体流过一段距离后的水头损失。其中边界对水流的阻力是产生水头损失的外因，液体的粘滞性是产生水头损失的内因，也是根 本原因。沿程能量损失的计算公式是：2f l v h =λd 2g 。其中：l 为管长，λ 为沿程损失系数，d 为管道内径，2 v 2g 为单位重力流体的动压头（速度 水头），v 为流体的运动粘度系数。粘性流体在管道中流动时，呈现出两种流动状态，管道中的流速cr v v <(cr v 为层流向湍流转变的临界流速)为层流，此时整个流场呈一簇互相平行的流线。则cr v v >时为湍流，流场中的流体质点作复杂的无规则的运动。沿程损失与流动状态有关，故计算各种流体通道的沿程损失，必须首先判别流体的流动状态。 沿程损失能量损失的计算公式由带粘性的伯努利方程 221122 12f v p v p ++z =++z +h 2g ρg 2g ρg 推出，可知，12f P -P h =ρg 其中： ——单位质量流体的动能（速度水头）。流体静止时为0。 ——单位质量流体的势能（位置水头）。 ——单位质量流体的压力能（压强水头）。 2 v 2g z p ρg
又由量纲分析的π定理，得出 2 Δp L =λ1d ρV 2 ，计算出达西摩擦因子22Δpd λ=LρV ， 则2f L V h =λD 2g ,由于Vd Re =ν，μν=ρ，则d λ=f(Re )。 关于沿程损失最著名的是尼古拉茨在1932～ 1933年问所做的实验(右图为实验装置图)。其测得曲线如图1，从此得出了几个重要结论： 1．层流区 Re ＜2320为层流区。在该区域内，管壁的相对粗糙度对沿程损失系数没有影响。 2．过渡区 2320＜Re ＜4000为由层流向湍流的转换区，可能是层流，也可能是湍流，实验数据分散，无一定规律。 3．湍流光滑管区 4000＜Re ＜26．98（d/ε）8/7，为湍流光滑管区。勃拉修斯（p.Blasius ）1911年用解析方法证明了该区沿程损失系数与相对粗糙度无关，只与雷诺数有关，并借助量纲分析得出了4×10e3＜Re ＜10e5范围内的勃拉休斯的计算公式为 0.25 0.3164 Re λ=
分离器数值模拟 fluent
7.数值模拟与结果分析 7.1数值计算方法简介 计算流体力学作为流体力学研究中的一门新兴分支，正在工业和科研领域内发挥越来越重要的作用。将CFD工具运用到分离机械的研究中，也成为工程技术人员改进设计、提高效率的有效手段，是CFD应用的前沿。一些成熟的算法，模型也以商业软件的形式出现在工程及科研领域。相比研究单位自行开发的计算程序，商业计算软件一般具有以下特点： ①通用性广。由于商业软件面向的用户对象广泛，处理的实际问题多种多样，因此其覆盖的应用范围要尽可能广。 ②计算稳定性好。多数软件经过不同研究领域内的算例测试，对不同类型的问题具有较好的适应能力。 ③使用方便，商业软件经过不同友好的用户界面，方便用户的使用。 ④一般商业软件也存在一些明显的不足，例如：算法相对陈旧，不能紧跟CFD研究领域内的最新成果；与不同行业内的实际要求存在一定的距离，难以将各研究单位已有的研究成果结合到商业软件中。这在一定程度上限制了商业软件在工程实际中的应用。 FLUENT是由美国FLUENT公司于1983推出的CFD软件。它是继PHOENICS软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。FLUENT是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的CFD软件之一。本文运用fluent软件对离心式分离器的内流场进行分析计算，fluent公司是享誉世界的最大计算流体力学软件供应商，fluent软件能够精确地模拟无粘流、层流、湍流、化学反应、多相流等复杂的流动现象。应用领域包括：航空航天、汽车设计、生物医药、化学处理、石油天然气、发电系统电子半导体、涡轮设计、HVAC、玻璃加工等。FLUENT 具有精度高，收敛快，稳定性好等特点。 Gambit是前置处理器，能针对及其复杂的几何外形生成三维四面体，六面体的非结构化网格及混合网格。该模块还具有方便的网络检查功能，对网络单元体积、扭曲率、长细比等影响收敛和稳定的参数进行统计并生成报告。 7.2 计算流体力学基础 在流体力学的研究中，常用的方法有理论研究方法、数值计算方法和实验研究方法。理论研究方法的特点是：能够清晰、普遍地揭示出流动的内在规律，但该方
FLUENT实例5个-fluent仿真模拟实例
前言 为了使学生尽快熟悉计算流体软件FLUENT以及更好的掌握计算流体力学的计算模型，本书编制了几个简单的模型，包括了组分燃烧、管内流动、换热和房间温度场四个方面的内容。其中概括了二维和三维的模型，描述详细，可根据步骤建模、划分网格和计算以及后处理。本书不可能面面具到并进行详细讲解，但相信读者通过本书的学习，一定能领会其中的技巧。
目录 前言﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍1 燃烧器内甲烷和空气的燃烧﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍3 管内层流流动数值计算﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ 38 蒸汽喷射器内的传热模拟﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ 52 组分传输与气体燃烧算例﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍ 75 空调房间温度场的模拟﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍﹍102
燃烧器内甲烷和空气的燃烧 问题描述 这个问题在图1中以图解的形式表示出来。此几何体包括一个简化的向燃烧腔加料的燃料喷嘴，由于几何结构对称可以仅做出燃烧室几何体的1/4模型。喷嘴包括两个同心管，其 直径分别是4个单位和10个单位，燃烧室的边缘与喷嘴下的壁面融合在一起。 一、利用GAMBIT建立计算模型 启动GAMBIT。 第一步：选择一个解算器 选择用于进行CFD计算的求解器。 操作：Solver -> FLUENT5/6 第二步：生成两个圆柱体 1、生成一个柱体以形成燃烧室 操作：GEOMETRY-> VOLUME-> CREATE VOLUME R 打开Create Real Cylinder窗口，如图2所示 图1：问题图示
a) 在柱体的Height 中键入值1.2。 b) 在柱体的Radius 1 中键入值0.4。 Radius 2的文本键入框可留为空白，GAMBIT 将默认设定为Radius 1值相等。 c) 选择Positive Z （默认）作为Axis Location 。 d) 点击Apply 按钮。 2、按照上述步骤以生成一个Height =2，Radius 1 =1并以positive z 为轴的柱体。 3、点击在Global Control 工具栏左上部的FIT TO WINDOW 命令按钮，去观察柱体的生成。 这两个柱体在图3中示出，按住鼠标左键并拖动它以观察视图的旋转。你可以按下鼠标右键并把鼠标沿靠近或远离你的方向拖动以放大或缩小视图。 4、移动生成的第一个柱体以使它在大柱体的前面。 操作：GEOMETRY -> VOLUME -> MOVE /COPY /ALIGN VOLUMES 图2：生成圆柱对话框 图3：两个圆柱
FLUENT-6-计算模拟过程方法及步骤
FLUENT 12 模拟步骤 Problem Setup 读入网格：file read case 选择网格文件（后缀为。Mesh） 1 General 1）Mesh（网格） > Check（点击查看网格的大致情况，如有无负体积等） Maximum volume (m3)（最大体积，不能为负） Minimum volume (m3)（最小体积，不能为负） Total volume (m3)（总体体积，不能为负） > Report Quality（点击报告网格质量） Maximum cell squish（最大单元压扁，如果该值等于1，表示得到了很坏的单元） Maximum cell skewness（最大单元扭曲，该值在0到1之间，0表示最好，1表示最坏） Maximum aspect ratio（最大长宽比，1表示最好） > Scale（点击缩放网格尺寸，FLUENT默认的单位是米） Mesh Was Create In（点选mm →点击Scale按钮且只能点击一次） View Length Unit In（点选mm →直接点击Close按钮不能再点击Scale按钮） > Display（点击显示网格设定）→弹出Mesh Colors窗口 Options（选Edges和Faces） Edge Type（点选All） Surface（点选曲面） →点击Display按钮 点击Colors按钮→弹出Mesh Display窗口 Options（点选Color by ID） →点击Close按钮→再点击Display按钮 2）Solver（求解器） > Pressure-Based（压力基，压力可变，用于低速不可压缩流动） > Density-Based（密度基，密度可变，用于高速可压缩流动） 3）Velocity Formulation（速度格式） > Absolute（绝对速度） > Relative（相对速度） 4）Time（时间） > Steady（稳态） > Transient（瞬态） 5）Units（点击设置变量单位） 点击按钮→弹出Set Units窗口→在Quantities项里点选pressure →在Units项里点选atm →点击
多孔介质-Fluent模拟
7.19多孔介质边界条件 多孔介质模型适用的范围非常广泛，包括填充床，过滤纸，多孔板，流量分配器，还有管群，管束系统。当使用这个模型的时候，多孔介质将运用于网格区域，流场中的压降将由输入的条件有关，见Section 7.19.2.同样也可以计算热传导，基于介质和流场热量守恒的假设，见Section 7.19.3. 通过一个薄膜后的已知速度/压力降低特性可以简化为一维多孔介质模型，简称为“多孔跳跃”。多孔跳跃模型被运用于一个面区域而不是网格区域，而且也可以代替完全多孔介质模型在任何可能的时候，因为它更加稳定而且能够很好地收敛。见Section 7.22. 7.19.1 多孔介质模型的限制和假设 多孔介质模型就是在定义为多孔介质的区域结合了一个根据经验假设为主的流动阻力。本质上，多孔介质模型仅仅是在动量方程上叠加了一个动量源项。这种情况下，以下模型方面的假设和限制就可以很容易得到： ?因为没有表示多孔介质区域的实际存在的体，所以fluent默认是计算基于连续性方程的虚假速度。做为一个做精确的选项，你可以适用fluent 中的真是速度，见section7.19.7。 ?多孔介质对湍流流场的影响，是近似的。 ?当在移动坐标系中使用多孔介质模型的时候，fluent既有相对坐标系也可以使用绝对坐标系，当激活相对速度阻力方程。这将得到更精确的源项。 相关信息见section7.19.5和7.19.6。 ?当需要定义比热容的时候，必须是常数。 7.19.2 多孔介质模型动量方程 多孔介质模型的动量方程是在标准动量方程的后面加上动量方程源项。源项包含两个部分：粘性损失项（达西公式项，方程7.19-1右边第一项），和惯性损失项（方程7.19-1右边第二项） (7.19-1)
FLUENT数值模拟离散笔记
一旦使用了离散相模型，下面的模型将不能使用： ● 选择了离散相模型后，不能再使用周期性边界条件 ● 可调整时间步长方法不能与离散相模型同时使用 ● 预混燃烧模型中只能使用非反应颗粒模型 ● 同时选择了多参考坐标系与离散相颗粒模型时，在缺省情况下，颗粒轨道的显示失却了其原有意义；同样，相间耦合计算是没有意义的。 FLUENT 提供的离散相模型选择如下： ● 对稳态与非稳态流动，可以应用拉氏公式考虑离散相的惯性、曳力、重力 ● 预报连续相中，由于湍流涡旋的作用而对颗粒造成的影响 ● 离散相的加热/冷却 ● 液滴的蒸发与沸腾 ● 颗粒燃烧模型，包括挥发份析出以及焦炭燃烧模型（因而可以模拟煤粉燃烧） ● 连续相与离散相间的耦合 ● 液滴的迸裂与合并 热泳力（热致迁移力或辐射力） Saffman 升力 在附加力中也可以考虑由于横向速度梯度（剪切层流动）引致的Saffman 升力。 离散相边界条件 当颗粒与壁面发生碰撞时，将会发生下述几种情况： l 颗粒发生弹性或非弹性碰撞反射 l 穿过壁面而逃逸（颗粒的轨道计算在此处终止） l 在壁面处被捕集。非挥发性颗粒在此处终止计算；颗粒或液滴中的挥发性物质在此处 被释放到气相中 l 穿过内部的诸如辐射或多孔介质间断面区域 ！！如果选择了Spalart-Allmaras 湍流模型，那么，轨道计算中就不能包含颗粒的湍流扩散。 颗粒类型 l 惯性颗粒（``inert''）是服从力平衡（方程19.2-1）以及受到加热／冷却影响（由定律1 确定，请参阅19.3.2）的一种离散相类型（颗粒、液滴或气泡）。在FLUENT 任何模型 中，惯性颗粒总是可选的。 2液滴（``droplet''）是一种存在于连续相气流中的液体颗粒。它服从力的平衡并受到加热／冷却的影响（由定律1 确定）。此外，他还由定律2 和3 确定自身的蒸发与沸腾（请参阅19.3.3、19.3.4）。只有传热选项被激活并且至少两种化学组份在计算中是被激活的，或者已经选择了非预混燃烧或部分预混燃烧模型，液滴类型才是可选的。当选择了液滴 类型之后，用户应该使用理想气体定律来定义气相密度（在Materials panel,面板里，可参阅19.25 节）。 3 燃烧（``combusting''）颗粒是一种固体颗粒，它遵从由方程19.2-1 所确定的受力平衡、 由定律1 所确定的加热冷却过程、由定律4 所确定的挥发份析出过程（19.3.5 节）以及 由定律5 所确定的异相表面反应机制（19.3.6 节）。最后，当颗粒的挥发份完全析出之后，非挥发份的运动、变化由定律6 所确定。在Set Injection Properties panel 面板中选 定Wet Combustion 选项，用户可以在燃烧颗粒中包含有可蒸发物质。这样，颗粒的可 蒸发物质可在挥发份开始析出之前，经历由定律2、3 所确定的蒸发与沸腾过程。只有在模
Fluent仿真流程
Gambit前处理 打开GAMBIT 选择所在工作目录 1、导入模型 File>Import>Parasolid，选择所需文件（.X_T），点击 2、建立计算域（两个，一大一小） (1)建立大的计算域(大小一般为10倍弹长、20倍弹径) 在中分别填入大的计算域圆柱的高度和半径，选择坐标轴，单击。 (2)用大的计算域减去弹体 单击 在上面的Volume中选择大的计算域，在下面的Volume中选择弹体，单击Apply。（3）建立小的计算域（大小一般为4倍弹长、10倍弹径）。 方法同（1） 3、把计算域分割成一半
（1）建立一个面（尽量画大一点） 单击，出现对话框 在中填写所建面的边长，单击Apply。 （2）用所建立的面分割大的计算域 选择，出现， 在选择大的计算域， 中选择面分割， 选择所建立的面，单击Apply。 （3）删除一半大的计算域（-Z轴部分） 选择，出现，选择所要删除掉的一半体，点击Apply。 （4）用小的计算域分割大的计算域
选择，出现 在选择大的计算域， 中选择体分割， 选择小的计算域，单击Apply。 （5）删除一半小的计算域（-Z轴部分） 方法同（3） （6）把弹上的某些断开的弧线条合并成一条。选择，出现 Apply。 4、划分网格 （1）划分线网格
选择，选择所需划分的线，在中Radio填写划分比例（选中 ，>1为中间疏两端密，一般不大于1.1；<1为中间密两端疏，一 般不小于0.9；不选中，则看网格疏密的方向，单击改变方向），中填写所划分网格数目。 *注* 所有线都画好网格以后就可以划分体网格了。 （2）划分体网格
FLUENT多孔介质数值模拟设置
FLUEN■多孔介质数值模拟设置多孔介质条件 多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当你使用这一模型时，你就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。通过介质的热传导问题也可以得到描述，它服从介质和流体流动之间的热平衡假设，具体内容可以参考多孔介质中能量方程的处理一节。 多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压 降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，并且在尽可能的情况下被使用(而不是完全的多孔介质模型)，这是因为它具有更好的鲁棒性，并具有更好的收敛性。详细内容请参阅多孔跳跃边界条件。 多孔介质模型的限制 如下面各节所述，多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上多孔介质不过是在动量方程中具有了附加的动量损失而已。因此，下面模型的限制就可以很容易的理解了。 —I 二流体通过介质时不会加速，因为事实上出现的体积的阻塞并没有在模型中出现。这对于过渡流是有很大的影响的，因为它意味着FLUENT S 会正确的描述通过介质的过渡时间。 多孔介质对于湍流的影响只是近似的。详细内容可以参阅湍流多孔介质的处理一节。 多孔介质的动量方程 多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项(Darcy)，另一个是内部损失项： 其中S_i是i向(x, y, or z) 动量源项，D和C是规定的矩阵。在多孔介质 单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度(或速度方阵)成比例。 对于简单的均匀多孔介质： 其中a是渗透性，C_2时内部阻力因子，简单的指定D和C分别为对角阵1/a 和C_2其它项为零。 FLUENT?允许模拟的源项为速度的幕率：其中C_0和C_1为自定义经验系数。 注意：在幕律模型中，压降是各向同性的，C_0的单位为国际标准单位。 多孔介质的Darcy定律 通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C_2可以考虑为零。 忽略对流加速以及扩散，多孔介质模型简化为Darcy定律： 在多孔介质区域三个坐标方向的压降为： 其中为多孔介质动量方程1中矩阵D的元素v为三个方向上的分速度，D n_x、D