FLUENT中文全教程

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计划你的CFD分析

当你决定使FLUENT 解决某一问题时，首先要考虑如下几点问题：

定义模型目标：从CFD 模型中需要得到什么样的结果？从模型中需要得到什么样的精度；

选择计算模型：你将如何隔绝所需要模拟的物理系统，计算区域的起点和终点是什么？在模型的边界处使用什么样的边界条件？二维问题还是三维问题？什么样的网格拓扑结构适合解决问题？

物理模型的选取：无粘，层流还湍流？定常还是非定常？可压流还是不可压流？是否需要应用其它的物理模型？确定解的程序：问题可否简化？是否使用缺省的解的格式与参数值？采用哪种解格式可以加速收敛？使用多重网格计算机的内存是否够用？得到收敛解需要多久的时间？在使用CFD 分析之前详细考虑这些问题，对你的模拟来说是很有意义的。当你计划一个CFD 工程时，请利用提供给FLUENT 使用者的技术支持。.

解决问题的步骤

确定所解决问题的特征之后，你需要以下几个基本的步骤来解决问题：

1．创建网格.

2．运行合适的解算器：2D、3D、2DDP、3DDP。

3．输入网格

4．检查网格

5．选择解的格式

6．选择需要解的基本方程：层流还是湍流（无粘）、化学组分还是化学反应、热传导模型等

7．确定所需要的附加模型：风扇，热交换，多孔介质等。

8．.指定材料物理性质

8．指定边界条件

9．调节解的控制参数

10．初始化流场

11．计算解

12．检查结果

13．保存结果

14．必要的话，细化网格，改变数值和物理模型。

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网格检查是最容易出的问题是网格体积为负数。如果最小体积是负数你就需要修复网格以减少解域的非物理离散。你可以在Adapt 下拉菜单中选中Iso-Value...来确定问题之所在，其它关于网格检查的信息请参阅“网格检查”一章。

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数值耗散

多维条件下主要的误差来源就是数值耗散又被称为虚假耗散（之所以被称为虚假的，是因为耗散并不是真实现象，而是它和真实耗散系数影响流动的方式很类似）。

关于数值耗散有如下几点：

1. 当真实耗散很小时，即对流占主导地位时，数值耗散是显而易见的。

2. 所有的解决流体问题的数值格式都会有数值耗散，这是因为数值耗散来源于截断误差，截断误差是描述流体流动的离散方程导致的。

3. FLUENT 中所用的二阶离散格式可以帮助减少解的数值耗散的影响。

4. 数值耗散量的大小与网格的分辨率成反比。因此解决数值耗散问题的一个方法就是精化网格。

5. 当流动和网格成一条直线时数值耗散最小（所以我们才要使用结构网格来计算啊）

最后一点和网格选择最有关系。很明显，使用三角形/四面体网格流动永远不会和网格成一条直线，而如果几何外形不是很复杂时，四边形网格和六面体网格可能就会实现流动和网格成一条线。只有在简单的流动，如长管流动中，你才可以使用四边形和六面体网格来减少数值耗散，而且在这种情况下使用四边形和流面体网格有很多优点，因为与三角形/四面体网格相比你可以用更少的单元得到更好的解。P85

网格的分辨率对于湍流十分重要。由于平均流动和湍流的强烈作用，湍流的数值计算结果往往比层流更容易受到网格的影响。在近壁面区域,不同的近壁面模型需要不同的网格分辨率。

一般说来，无流动通道应该用少于5 个单元来描述。大多数情况需要更多的单元来完全解决。大梯度区域如剪切层或者混合区域，网格必须被精细化以保证相邻单元的变量变化足够小。不幸的是要提前确定流动特征的位置是很困难的。而且在复杂三维流动中，网格是要受到CPU 时间和计算机资源的限制的。在解运行时和后处理时，网格精度提高，CPU 和内存的需求量也会随之增加。自适应网格技术可用于在流场的发展基础上提高和/或减少网格密度，并因此而提供了网格使用更为经济的方法。

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压力出口边界条件用于定义流动出口的静压（在回流中还包括其它的标量）。当出现回流时，使用压力出口边界条件来代替质量出口条件常常有更好的收敛速度。压力远场条件用于模拟无穷远处的自由可压流动，该流动的自由流马赫数以及静态条件已经指定了。这一边界类型只用于可压流。

质量出口边界条件用于在解决流动问题之前，所模拟的流动出口的流速和压力的详细情况还未知的情况。在流动出口是完全发展的时候这一条件是适合的，这是因为质量出口边界条件假定出了压力之外的所有流动变量正法向梯度为零。对于可压流计算，这一条件是不适合的。

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湍流尺度l 是和携带湍流能量的大涡的尺度有关的物理量。在完全发展的管流中，l 被管道的尺寸所限制，因为大涡不能大于管道的尺寸。L 和管的物理尺寸之间的计算关系如下：

l = 0.07L 其中L 为管道的相关尺寸。因子0.07 是基于完全发展湍流流动混合长

度的最大值的，对于非圆形截面的管道，你可以用水力学直径取代L。

如果湍流的产生是由于管道中的障碍物等特征，你最好用该特征长度作为湍流长度L而不是用管道尺寸。

注意：公式l = 0.07L 并不是适用于所有的情况。它只是在大多数情况下得很好的近似。对于特定流动，选择L 和l 的原则如下：

1. 对于完全发展的内部流动，选择强度和水力学直径指定方法，并在水力学直径流场中指定L=D_H。

2. 对于旋转叶片的下游流动，穿孔圆盘等，选择强度和水力学直径指定方法，并在水力学直径流场中指定流动的特征长度为L

3. 对于壁面限制的流动，入口流动包含了湍流边界层。选择湍流强度和长度尺度方法并使用边界层厚度d_99 来计算湍流长度尺度l，在湍流长度尺度流场中输入l=0.4 d_99 这个值

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总压值是在操作条件面板中定义的与操作压力有关的的总压值。不可压流体的总压定义为：

对于可压流体为:

其中：p_0 =总压 p_s = 静压 M = 马赫数 c = 比热比(Cp/Cv)

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如果入口流动是超声速的，或者你打算用压力入口边界条件来对解进行初始化，那么你必须指定静压(termed the Supersonic/Initial Gauge Pressure)。

只要流动是亚声速的，FLUENT 会忽略Supersonic/Initial Gauge Pressure，它是由指定的驻点值来计算的。如果你打算使用压力入口边界条件来初始化解域，Supersonic/Initial Gauge Pressure 是与计算初始值的指定驻点压力相联系的，计算初始值的方法有各向同性关系式（对于可压流）或者贝努力方程（对于不可压流）。因此，对于压声速入口，它是在关于入口马赫数（可压流）或者入口速度（不可压流）合理的估计之上设定的。

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压力出口边界条件需要在出口边界处指定静（gauge）压。静压值的指定只用于压声速流动。如果当地流动变为超声速，就不再使用指定压力了，此时压力要从内部流动中推断。所有其它的流动属性都从内部推出。

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下面的几种情况不能使用质量出口边界条件：

1. 如果包含压力出口，请使用压力出口边界条件

2. 如果模拟可压流

3. 如果模拟变密度的非定常流，即使流动是不可压的也不行。

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非预混方法的局限（Limitations of the Non-Premixed Approach）：

非预混方法仅能用于当反应流动系统满足几个要求时。第一、流动是湍流。第二、反应系统包括一个燃料流、一个氧化剂流，并且随意包括一个次要流（另外一个燃料或氧化剂，或者一个非反应流）。最后、化学动力学必须迅速以使流动接近化学平衡。

！注意：非预混模型仅能与分离求解器使用，不能与耦合求解器使用。

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描述系统化学反应的模型（Models Describing the System Chemistry）

当使用非预混模拟方法时，FLUENT提供三种用于描述系统化学反应的选项。三个选项为：

1. 火焰面近似值the flame sheet approximation （混合的就是燃烧的，mixed －is－burned）：最简单的反应类型是火焰面近似值或mixed－is－burned近似值。这种方法假设化学反应无限快，不可逆，燃料和氧化剂组分在空间中永远不共存，并且一步完全转化为最终产物。这种描述允许组分质量分数用给定的反应化学当量直接确定，而不需要反应率或者化学平衡信息。这种简单的系统描述的组分质量分数和混合分数之间服从直线关系，如图14.1.3所示。由于不需要反应率或者平衡计算，火焰面近似值可以很容易地并且快速的计算出。然而，火焰面近似值模型受限于一步反应的预测，不能预测中间组分形成或离解效应。这经常会导致严重过高预测火焰峰值温度，特别是那些涉及高温的系统（例如，预热或者富氧）。

2.平衡假设Equilibrium Assumption：平衡模型假设对化学平衡来说，为使其总存在分子水平上，化学反应足够迅速。根据最小吉布斯自由能［120］法则，可用来由f计算组分摩尔分数。图14.1.4显示对在甲烷在空气中的燃烧中一个包括10种组分的反应系统的摩尔分数。由于其能预测中间组份的生成以及不需要详细的化学动力学比率数据的知识，因此平衡模型很有效。取代定义一个专门多级反应机制（见13章），可以简单的定义系统中会出现的重要的化学组分。FLUENT会根据化学平衡预测每一种组分的摩尔分数。

FLUENT允许对那些瞬时混合分数低于指定富限f rich以下的情况限制完全平衡计算。在富燃料区域（如，等价比大于1.5），当瞬时混合分数超过f rich，FLUENT 就假定燃烧反应熄灭，未燃燃料与已反应物质共存。在富燃料区域，根据已知化学当量，对混合分数给定值的混合物由限制混合（f=f rich）和燃料入口流（f=1）组成计算。化学当量即可人为给出，也可由在富限（f=f rich）处的化学平衡自动确定。本方法，如部分平衡法，允许在富火焰区域绕过复杂的平衡计算。后者计算耗时且可能不代表真正的燃烧过程。当需要完全平衡法时，可以简单定义富限为f rich ＝1.0。

14.3节为选择平衡计算中包括那些组分提供指导。包括的组分必须存在于

prePDF访问的化学数据库中。注：化学平衡计算中包含的组分应该可能不含NOx组分，因为NOx反应率慢，不应用平衡假设对待。最为代替，应用并入了有限率化学动力学的FLUENT NOx后处理器可以最精确地预测NOx浓度。

3.非平衡化学反应Non-Equilibrium Chemistry (小火焰模型(Flamelet Model))：在非平衡效应的非常重要的燃烧模型中，假定局部化学平衡会导致不真实的结果。平衡假设被打破的典型例子是模拟碳氢化合物火焰的富边，预测控制NOx 生成的中间组分以及模拟射流火焰的lift-off和blow-off现象。

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对墙的传热以及辐射的系统需用PDF模型的非绝热扩展部分。另外，拥有不同入口温度的多燃料和氧化剂入口或者包括废气循环的系统需用非绝热模型。最后，在载有粒子的流动中（例如，液体燃料系统或煤燃烧系统）需用非绝热模型，因为载有粒子的流动含有对分散相的传热.图14.1.11阐明了几种必须包括PDF模型的非绝热形式的系统。注：即使系统是非绝热的，也可以进行更简单一点的绝热计算作为初始练习。这将允许你应用一种有效的方式来限制非绝热分析，如14.3节所述。

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非预混模拟的限制和特有案例（Restrictions and Special Cases for

Non-Premixed Modeling）

混合分数法的限制（Restrictions on the Mixture Fraction Approach）i φ（组分质量分数、密度或温度）对f的唯一依赖关系（方程14.1-11或14.1-13）需要反应系统满足下列条件：

(1) 化学反应系统必须是有分离的燃料和氧化剂入口的扩散类型（喷雾（喷射）燃烧和粉碎燃料火焰也可属此类）。

(2)刘易斯（Lewis）数需统一。（这表示所有组分和焓的扩散系数相等，是对湍流的良好的近似）。

(3)若使用单一混合分数时，必须满足下列条件：

当仅含一种类型的燃料。燃料可由反应组分（例如，90％的CH4和10％的CO）的一种燃烧混合物组成，可包括多燃料入口。然而，多燃料入口必须有同样的成分。不允许有两个以上的有不同燃料成分的燃料入口（如，一个入口为CH4，一个入口为CO）。类似的，在喷雾燃烧系统或包含反应粒子的系统中，仅允许有一种废气。

当仅含一种氧化剂。氧化剂可包括一种组分混合物（如，21％O2，79％N2），可以有多个氧化剂入口。然而，多氧化剂入口必须包含相同的成分。不允许有两个及以上有不同成分的氧化剂入口（如，一个入口为空气，第二而入口为纯氧气入口）。

（4）若使用两个混合分数时，系统中可包含三个流。下面是有效的系统：

当有两个不同组成的燃料流和一个氧化剂流。每一个燃料流可由一种反应组分混合物组成（例如，90％的CH4和10％的CO）。可包括每一种燃料流的多入口，但是每一个燃料流入口必须有两种定义的成分中的一种（如，一个入口为CH4，一个入口为CO）。

当包括气－液，气－煤，或者液－煤燃料混合物和一种氧化剂的混合燃料系统。在拥有气－煤或液－煤燃料混合物的系统中，煤挥发分和焦炭作为一种单一成分燃料流来对待。

当分别跟踪含有挥发分和焦炭的煤燃烧。

当含有不同成分的两种氧化剂流和一种燃料流。每一氧化剂流可由一种多组份的混合物组成（例如，21％O2，79％N2）。每一种氧化剂可以有多入口，但是，每一个氧化剂入口必须含有两种定义成分中的一种（例如，一个入口为空气，第二个入口为纯氧气）。

当一个燃料流，一个氧化剂流和一种非反应次要流。

（5）必须为湍流。

强调对直接模拟预混燃烧来说这些限制消除了使用非预混的方法非常重要。这是因为未燃预混流远离化学平衡。注：然而，16章中描述了一种扩展的混合分数公式，其可被用在预混和部分预混火焰中。

图14.1.12和14.1.13为FLUENT中能用非预混模型处理的典型反应系统结构。图14.1.14为不能用非预混模型模拟的预混结构。

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非预混平衡化学反应的模拟方法Modeling Approaches for Non-Premixed Equilibrium Chemistry

FLUENT 软件包为模拟非预混平衡化学反应提供了两种不同方法。既可以选择单一混合分数法，也可以选择二混合分数法，这依赖于有多少个流（stream）。PrePDF 储存“look-up tables”中关于流的信息，这些信息随后被FLUENT 用来解混合分数、焓以及各种标量。更多关于prePDF 的信息，见14.3 节。

14.2.1单一混合分数法（Single-Mixture-Fraction Approach）

为保持计算时间最小，非预混模型中多数的计算通过在FLUENT 模拟以外用单独代码预处理化学计算并进行PDF 积分，这称为prePDF。图14.2.1 解释了计算是如何在预

处理器（prePDF）和求解器（FLUENT）间分开的。在prePDF中，化学模

（mixed-is-burned，平衡化学，层流小火焰）用来连接假设的PDF分布以执行方程14.1-17，14.1-19 和／或14.1-26 中给定的积分。这些积分在prePDF 中执行并储

存在把平均热化学变量（温度，密度和组分质量分数）与关联起来的查询表中。注：表格中用比例化的混合分数（scaled mixturefraction）变量，

式中定义为

FLUENT 中解方程14.1-4，14.1-5 和14.1-27（非绝热系统）得

到的局部值。

14.2.2二混合分数法（Two-Mixture-Fraction Approach）

对二混合分数（次要流）的情况，prePDF 预处理器计算温度、密度和组分质量分数（方程14.1-12 或14.1-15）的瞬时值，并将他们储存在查询表中。对用二混合分数的绝热情况，查询表包含作为燃料混合分数和次要流部分分数函数的

。对二混合分数的非绝热情况，三维查询表中包含作为燃料混合

分数，次要流部分分数和瞬时焓函数的物理属性。

燃料混合分数和次要流部分分数的几率密度函数p1 和p2 分别由解出的混合分

数及它们的变化量来在FLUENT 中进行计算。计算属性平均值的PDF 积分也在FLUENT 完成（用方程14.1-18 或14.1-29，与14.1-20 或它的非绝热等价方程）。积分中需要的瞬时值从查询表中获得。

！注：对二混合分数情况，其在FLUENT 中的计算时间要比单一混合分数问题长很多，因为PDF 积分在FLUENT 进行，而不是在prePDF 中。选择二混合分数模型前应当仔细考虑这种代价。作为权宜之计，通常从收敛的单一混合分数解开始二混合分数模拟。

图14.2.2 解释了对二混合分数情况prePDF 和FLUENT 之间的分工。