ansys湍流模型
ANSYS流体流动场分析指南
第一章 FLOTRAN 计算流体动力学(CFD)分析概述FLOTRAN CFD 分析的概念ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142 单元，可解决如下问题：• 作用于气动翼(叶)型上的升力和阻力• 超音速喷管中的流场• 弯管中流体的复杂的三维流动同时，FLOTRAN还具有如下功能：• 计算发动机排气系统中气体的压力及温度分布• 研究管路系统中热的层化及分离• 使用混合流研究来估计热冲击的可能性• 用自然对流分析来估计电子封装芯片的热性能• 对含有多种流体的(由固体隔开)热交换器进行研究FLOTRAN 分析的种类FLOTRAN可执行如下分析：• 层流或紊流• 传热或绝热• 可压缩或不可压缩• 牛顿流或非牛顿流• 多组份传输这些分析类型并不相互排斥，例如，一个层流分析可以是传热的或者是绝热的，一个紊流分析可以是可压缩的或者是不可压缩的。
层流分析层流中的速度场都是平滑而有序的，高粘性流体（如石油等）的低速流动就通常是层流。
紊流分析紊流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低从而引起紊流波动的流体流动情况，ANSYS中的二方程紊流模型可计及在平均流动下的紊流速度波动的影响。
如果流体的密度在流动过程中保持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量，该流体就可认为是不可压缩的，不可压缩流的温度方程将忽略流体动能的变化和粘性耗散。
热分析流体分析中通常还会求解流场中的温度分布情况。
如果流体性质不随温度而变，就可不解温度方程。
在共轭传热问题中，要在同时包含流体区域和非流体区域（即固体区域）的整个区域上求解温度方程。
在自然对流传热问题中，流体由于温度分布的不均匀性而导致流体密度分布的不均匀性，从而引起流体的流动，与强迫对流问题不同的是，自然对流通常都没有外部的流动源。
可压缩流分析对于高速气流，由很强的压力梯度引起的流体密度的变化将显著地影响流场的性质，ANSYS对于这种流动情况会使用不同的解算方法。
ansys fluent中文版流体计算工程案例详解
ansys fluent中文版流体计算工程案例详解ANSYS Fluent是一种流体计算动力学软件，可用于解决各种流体力学问题。
本文将详细介绍ANSYS Fluent中文版的流体计算工程案例，包括案例的基本背景、模拟过程和结果分析。
这些案例旨在帮助用户深入了解ANSYS Fluent的使用方法和流体计算工程实践。
一个典型的案例是流体在管道中的流动。
该案例背景是，一根长直管道内有水流动，管道的直径为0.1米，长度为10米。
水的初始速度为1 m/s，管道的壁面是光滑的，管道两端的压差为100Pa。
现在需要使用ANSYS Fluent模拟该流体流动过程，并进一步分析不同参数对流动的影响。
首先，在ANSYS Fluent中创建一个新的仿真项目，并选择“仿真”模块。
在界面上点击“新建”按钮，在弹出的对话框中填写相应的参数，例如案例名称、计算器类型和尺寸单位。
点击“确定”后，进入模拟设置页面。
首先，需要定义获得流动场稳定解所需的物理模型和求解方法。
在“物理模型”选项卡中，选择“连续相”和“非恒定模型”。
在“湍流模型”中选择某种适合的模型，例如k-ε模型。
在“重力”选项卡中，定义流体的密度和重力加速度。
接下来，在“模型”选项卡中，定义管道的几何和边界条件。
选择“管道”作为流体领域的几何模型，并定义长度、直径和内壁面的润滑系数。
在“边界”选项卡中，定义管道两端的入口和出口条件，例如速度和压力。
将管道两端的压力差设置为100Pa，在入口处设置水的初始速度为1 m/s。
在出口处选择“出流”边界条件。
完成几何和边界条件的定义后，点击“模拟”选项卡进入模拟设置界面。
在“求解控制”中，设置计算时间步长和迭代次数。
选择合适的网格划分方法，并进行网格划分。
点击“网格”选项卡，选择合适的网格类型，并进行网格划分。
在划分网格后，可以使用“导入”按钮导入网格文件，并进行网格优化。
完成设置后，点击“计算”按钮开始进行模拟计算。
在计算过程中，可以实时观察流体场的变化情况，并通过Fluent Post-processing工具进行结果分析。
ANSYS-FLOTRAN分析指南F5-FLOTRAN层流和湍流分析算例
第五章FLOTRAN层流和湍流分析算例一、问题描述二、分析方法及假定三、几何尺寸及流体性质四、分析过程第1步：进入ANSYS第2步：设置分析选择第3步：定义单元类型第4步：生成分析区域的几何面第5步：定义单元形状第6步：划分有限元网格第7步：生成并应用新的工具栏按钮第8步：施加边界条件第9步：求解层流第10步：观察层流分析的结果第11步：确定流体粘性如何影响流场特性第12步：进行湍流分析第13步：对新的出口区划分网格第14步：施加湍流分析的载荷第15步：改变FLOTRAN分析选项和流体性第16步：进行求解第17步：将流体速度结果以向量图和路径图的方式进行显示第18步：绘制压力等值线图第19步：退出ANSYS问题描述该算例是一个二维的导流管分析，先分析一个雷诺数为400的层流情况，然后改变流场参数再重新分析，最后再扩大分析区域来计算其湍流情况。
该算例所用单位制为国际单位制。
分析区域图示如下：分析方法及假定用FLUID141单元来作二维分析，本算例作了如下三个分析：·雷诺数为400的假想流的层流分析·降低流体粘性后（即增大雷诺数）的假想流的层流分析·雷诺数约为260000的空气流的湍流分析分析时假定进口速度均匀，并且垂直于进口流场方向上的流体速度为零。
在所有壁面上施加无滑移边界条件（即所有速度分量都为零）；假定流体不可压缩，并且其性质为恒值，在这种情况下，压力就可只考虑相对值，因此在出口处施加的压力边界条件是相对压力为零。
第一次分析时，流场为层流，着可以通过雷诺数来判定，其公式如下：第二次分析时，将流体粘性降低到原来的十分之一（雷诺数相应增大）后再在第一次分析的基础上重启动分析对于内流来说，当雷诺数达到2000至3000时，流场即由层流过渡到湍流，故第三次分析（空气流，雷诺数约为260000）时，流场是湍流。
对于湍流分析，上图所示的导流管的后端应加长，以使流场能得到充分发展。
ANSYS流体流动场分析指南
ANSYS流体流动场分析指南ANSYS是一款强大的工程仿真软件，可以用于流体力学分析。
在进行流体流动场分析之前，我们需要进行一系列准备工作，包括建立几何模型、网格划分、设定物理模型、设定求解器和后处理结果等。
下面是ANSYS流体流动场分析的详细指南。
1.建立几何模型：在进行流体流动场分析之前，我们需要先建立几何模型来描述流体流动的几何形状。
可以使用ANSYS提供的几何建模工具（如DesignModeler）或导入外部几何模型。
2.网格划分：在建立几何模型之后，需要对几何体进行网格划分，将其分割为有限的小单元。
ANSYS提供了多种网格划分工具（如ICEMCFD），可根据具体问题选择合适的划分方法和参数。
3.设定物理模型：在进行流体流动场分析之前，需要设定物理模型，包括流体的性质（如密度、粘度）、边界条件（如入口速度、出口压力）和物理现象（如湍流、传热）。
可以根据具体问题选择合适的物理模型和参数。
4.设定求解器：在设定了几何模型、网格和物理模型之后，需要选择合适的求解器来求解流体力学方程。
ANSYS提供了多种求解器（如FLUENT），可根据具体问题选择合适的求解器和求解方法。
5.设置求解参数：在进行流体流动场分析之前，需要对求解器进行进一步的设置，包括时间步长、收敛准则和数值格式等。
这些参数的选择将直接影响计算结果的准确性和计算效率。
6.进行数值模拟：在完成前面的准备工作之后，可以开始进行数值模拟，求解流体力学方程，得到流场的分布情况。
可以通过单步计算或迭代计算的方式进行求解，直到满足收敛准则为止。
7.后处理结果：在完成数值模拟之后，需要对计算结果进行后处理，包括流场的可视化、数据的提取和分析。
ANSYS提供了强大的后处理工具，如CFD-Post，可以对计算结果进行可视化、动画展示和数据分析。
在进行流体流动场分析时，还需要注意以下几点：1.网格的质量：网格质量对于计算结果的准确性和计算效率至关重要，应尽量避免生成糟糕的网格，特别是在流动区域和边界层附近。
ANSYS流体流动场分析指南
ANSYS流体流动场分析指南概述：ANSYS是一款广泛应用于工程领域的仿真软件，其中包括了流体力学领域的流动场分析。
流动场分析是一种应用数值方法对流动现象进行建模和计算的过程，通过模拟流体在不同条件下的流动行为，可以预测流体的速度、压力、温度等参数，进而对工程问题进行分析和优化。
本指南将重点介绍如何使用ANSYS进行流体流动场分析，包括建模、网格生成、边界条件设置、物理模型选择、求解和结果后处理等方面的内容。
一、建模在进行流动场分析之前，首先需要进行建模。
ANSYS提供了多种建模工具，包括几何实体建模、CAD导入、参数化建模等。
用户可以根据实际需求选择相应的建模工具进行建模。
建模的目标是根据流体流动现象的特点和实际工程问题的要求来构建合适的模型。
二、网格生成在完成建模后，需要对模型进行网格生成。
网格生成是将模型离散为有限单元或有限体积的过程，决定了后续数值计算的准确度和计算效率。
ANSYS提供了多种网格生成工具，包括刚体网格生成、自适应网格生成等。
用户可以选择相应的网格生成工具根据实际需求和模型特点生成合适的网格。
三、边界条件设置在进行流动场分析之前，需要设置合适的边界条件。
边界条件包括流体的入口条件、出口条件、壁面条件等。
对于入口条件，需要指定流体的入口速度、入口压力或流量等；对于出口条件，需要指定出口压力或出口速度等；对于壁面条件，如模型表面的摩擦、换热等效应，需要指定相应的条件。
四、物理模型选择在ANSYS中，可以选择多种不同的物理模型来进行流动场分析。
常用的物理模型包括静流动、稳流动、湍流流动、多相流动等。
用户需要根据流动现象的实际特点和要求选择合适的物理模型。
五、求解在设置完边界条件和物理模型后，可以进行数值计算求解流动场。
ANSYS提供了多种求解器，包括有限体积法、有限元法等。
用户可以根据模型的特点和求解要求选择相应的求解器进行求解。
六、结果后处理在求解完成后，可以对结果进行后处理分析。
【ANSYS Fluent培训】8-湍流模型
Reynolds stress models Quadratic pressure-strain RSM model
Stress-omega RSM model Scale-Adaptive Simulation (SAS) model
Detached eddy simulation (DES) mode Large eddy simulation (LES) model
• RSM 对复杂的 3D湍流流动更有效，但是模型更加复杂， 计算强度更大 ， 比涡粘模型更难收敛
2、 RANS 模拟
计算湍流粘性
• 基于量纲分析， μT 能够由 湍流时间尺度 (或速度尺度) 和空间尺度来决 定
• 湍流动能 [L2/T2] • 湍流耗散率 [L2/T3] • 比耗散率 [1/T]
• 为气动领域设计的，包括封闭腔内流动
•
– 可以很好计算有反向压力梯度的边界层流动
•
– 在旋转机械方面应用很广
• 对于有壁面边界空气动力学流动应用较好
• 在有逆压梯度的情况下给出了较好的结果
• 在涡轮机应用中很广泛
• 局限性
•
– 不可用于所有类型的复杂工程流动
•
– 不能预测各向同性湍流的耗散
3、Spalart-Allmaras 模型
Spalart-Allmaras 模型为单方程湍流模型：
湍流粘度：
湍流产生项
Spalart-Allmaras 模型默认常数
3、Spalart-Allmaras 模型
激活Spalart-Allmaras 模型的方法如下： 1）选择粘性模型面板中的 Spalart-Allmaras（1 equ）； 2）选择Spalart-Allmaras模型中产生湍流 方法：Vorticity-Based； Strain/Vorticity-Based； 3）设置模型常数（Model Constants）
CFX培训教材07湍流模型
什么是湍流
非稳定的, 不规则的(非周期性的) 流体运动，且传输量(质量, 动 量, 标量)在时间和空间上波动
– 可以确认的涡流模式，刻画的湍流涡特征 – 增强混合(物质, 动量, 能量, 等.)效果
流动性质和速度表现出无规则变化
– 宏观上，是在紊流的传输机制下统计平均的结果 – 这样的特征可以采用湍流模型模化
这里 Ra g L3 T 2 Cp g L3 T 为Rayleigh数
k
Pr Cp k
为Prandtl数
雷诺观察的试验
层流Laminar
(低雷诺数)
转捩Transition
(逐渐增大雷诺数)
湍流Turbulent
(高雷诺数)
湍流流动结构
Small structures
Large structures
2) Detached Eddy Simulation (DES)* [transient]
3) Scale Adaptive Simulation SST (SAS)* [transient]
* Not available in the ANSYS CFD-Flo product
1) Zero Equation model. 2) Standard k-ε model. 3) RNG k-ε model. 4) Standard k-ω model.
1) LRR Reynolds Stress 2) QI Reynolds Stress 3) Speziale, Sarkar and Gatski Reynolds Stress 4) SMC-ω model
能量串Richardson (1922)
ANSYSFLUENT130UDF手册
实例二：自定义辐射模型
问题描述
在某些涉及辐射传热的流动问题中，标准的辐射模型可能 无法满足需求，需要自定义辐射模型。
UDF实现方法
通过编写UDF，可以定义新的辐射模型，包括辐射传热方 程、辐射源项等，并将其嵌入到FLUENT中进行计算。
案例分析
以一个包含辐射传热的燃烧室流动为例，通过自定义辐射 模型，可以更准确地模拟燃烧室内的温度分布、热流密度 等。
欧拉-拉格朗日方法
跟踪离散相（如颗粒、液滴）在连续相中 的运动轨迹。
多相流界面追踪
捕捉和追踪不同相之间的界面，如自由表 面流动、分层流动等。
化学反应模型
详细化学反应机理
支持复杂化学反应的详细机理描述，包括基 元反应、反应速率常数等。
反应动力学模型
描述化学反应过程中的动力学行为，如反应 速率、活化能等。
ANSYSFLUENT130UDF手册
CONTENTS
• UDF基本概念与介绍 • UDF编程基础 • UDF在FLUENT中应用 • UDF高级功能实现 • UDF调试与优化技巧 • UDF实例分析与讨论
01
UDF基本概念与介绍
UDF定义及作用
定义
UDF（User-Defined Function）是 用户自定义函数，允许用户在ANSYS FLUENT中编写自己的代码来解决特 定问题。
实例三：复杂流动问题模拟
问题描述
对于某些复杂的流动问题，如多相流、化学反应流等，标 准的FLUENT模型可能无法直接处理，需要借助UDF进行 模拟。
UDF实现方法
通过编写UDF，可以实现复杂的流动问题模拟，包括多相 流模型、化学反应模型等，并将其嵌入到FLUENT中进行 计算。
案例分析
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Fonset 启动转涙： Re Re t
Ret f (Tu, Q )
R~et
t
U j R~et
x j
Pt
x j
t
t
R~et x j
Pt ct t
Ret R~et
1.0 Ft
平板流动验证案例
T3A: FSTI = 3.5 % (~ 39000 hexahedra)
切应力比全湍流模拟 的要高
湍流边界层能克服反
压梯度
尾缘附近的分离更少
McDonnell Douglas 30P-30N 多段翼验证案例
Re = 9 million Mach = 0.2 C = 0.5588 m AoA = 8°
Exp. hot film transition location measured as f(x/c)
Mesh guidelines: • y+ < 1 • wall normal expansion ratio ~1.1 • good resolution of streamwise direction
机翼验证案例
• 由于吸力面的层流分 离引起的转涙
• 转涙模型很好地预测 到此现象
• 结果: 经过此区域的壁面剪
•本质上是瞬态方法
•求解雷诺平均NS方程组 •可以选择稳态求解
•所有湍流都用模型模拟 • 是目前工业界应用最 广泛的方法
ANSYS CFD中的RANS湍流模型
– 包括了所有常见的模型
– 包括了诸如曲率修正和 EARSM等扩展模型
– 确保无论哪种应用，你 都可选择到合适的模型
One-Equation Models Spalart-Allmaras (k-e)1E
SST 模型:
• 传统的标准双方程模型难以预测出分离效应，甚至当压力梯度很 大时也是如此。
• 模拟分离流动时，SST 模型是最精确的双方程模型之一。
NACA 4412 翼型验证案例
Distance from wall
0.1 0.08 0.06
SST Wilcox 2006
Spalart-Allmaras v2-f Experiment
Flap transition: CFX = 0.909 Exp. = 0.931 Error: 2.2 %
NASA Rotor 37 验证案例
• 压力面激波诱导的分离
• 边界层的分离对旋转机 械性能影响很大
• 目前转涙模型在该领域 的应用越来越普遍
Mid-span Separation
Suction side of the blade
SRS
(Scale Resolving Simulations)
RANS
(Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulations)
•直接数值求解完全 的瞬态NS方程组
•不需要模型
•目前仅做为研究工 具
•包括大涡模拟、混 合大涡模拟
•较大的涡直接求 解，比网格小的涡 用模型模拟。
• 需求:
– 不同的转涙机理 – 自然转涙 – 旁路转涙 – 分离诱导转涙 –…
– 稳健性 – 不增加额外的网格
Fully Turbulent Laminar Flow
Transitional
两方程转涙模型 g-ReQ
g
U jg
t
x j
Pg
Eg
x j
t f
g
x
j
Pg 1 Flength S (1 g ) g Fonset 0.5
对自由液面流动，液面附近通过湍流 阻尼来修正粘性，提高精度。（适用 于SST模型和 k-w 模型）
曲率修正增加旋流模拟精度
多孔介质界面采用近壁面处理，提高 精度。
SST模型：更好地模拟带有分离的流动
流动中包括下列现象时，分离的影响较大:
• 扩压器的压力损失 • 机翼的失速 • 旋转机械部件的性能分析
NASA Rotor 37 验证案例
2.2
2.1
Total Pressure Ratio
experiment
k-epsilon k-e Mesh1 k-e Mesh2 k-e Mesh3
2.2
Total Pressure Ratio
experiment
SSTSST Mesh1 SST Mesh2 SST Mesh3
0.04
0.02
0
0
1
2
3
4
5
6
u/Uref
• SST , Wilcox 2006, V2F 和 Spalart-Allmaras 模拟的速度分布
转涙现象对流动的影响
• 壁面剪切应力 • 壁面传热 • 分离现象 • 设备效率
层流分离 湍流分离
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
转涙模型的开发需求
• 困难:
– 涉及的具体应用未知 – 几何形状复杂 – 网格拓扑未知 – 非结构网格 – 支持并行-域分解
ANSYS CFD中的湍流模型及其应用
安世亚太科技股份有限公司 流体业务部 杨振亚
目录
RANS湍流模型
湍流模型概述 SST湍流模型 层流-湍流转涙模型
尺度解析模型
概述 SAS湍流模型
总结
2
© 2014 ANSYS Inc.
湍流模拟方法
DNS
(Direct Numerical Simulation)
Two-Equation Models k–ε (Standard, Realizable, RNG) k–ω (Standard, SST)
Curvature Correction (all 1 & 2 eqn. models) V2F (4 eqn.)* Explicit Algebraic Reynolds Stress Model (EARSM)
Main upper transition: CFX = 0.068 Exp. = 0.057 Error: 1.1 %
Slat transition: CFX = -0.056 Exp.= -0.057 Error: 0.1 %
Tu Contour
Main lower transition: CFX = 0.587 Exp. = 0.526 Error: 6.1 %
Reynolds Stress Models
Launder-Reece-Rodi, Speziale-Sarkar-Gatski Stress-w
k–kl–ω Transition Model SST Transition Model
RANS湍流模型的扩展
5 m/s Air
Case 1
Water
1 m/s