ANSYS FLUENT官方培训教程08物理模型
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fluent教程Fluent是一款由Ansys开发的计算流体动力学（CFD）软件，广泛应用于工程领域，特别是在流体力学仿真方面。
本教程将介绍一些Fluent的基本操作，帮助初学者快速上手。
1. 启动Fluent首先，双击打开Fluent的图形用户界面（GUI）。
在启动页面上，选择“模拟”（Simulate）选项。
2. 创建几何模型在Fluent中，可以通过导入 CAD 几何模型或使用自带的几何建模工具来创建模型。
选择合适的方法，创建一个几何模型。
3. 定义网格在进入Fluent之前，必须生成一个网格。
选择合适的网格工具，如Ansys Meshing，并生成网格。
确保网格足够精细，以便准确地模拟流体力学现象。
4. 导入网格在Fluent的启动页面上，选择“导入”（Import）选项，并将所生成的网格文件导入到Fluent中。
5. 定义物理模型在Fluent中，需要定义所模拟流体的物理属性以及边界条件。
选择“物理模型”（Physics Models）选项，并根据实际情况设置不同的物理参数。
6. 设置边界条件在模型中，根据实际情况设置边界条件，如入口速度、出口压力等。
选择“边界条件”（Boundary Conditions）选项，并给出相应的数值或设置。
7. 定义求解器选项在Fluent中，可以选择不同的求解器来解决流体力学问题。
根据实际情况，在“求解器控制”（Solver Control）选项中选择一个合适的求解器，并设置相应的参数。
8. 运行仿真设置完所有的模型参数后，点击“计算”（Compute）选项，开始运行仿真。
等待仿真过程完成。
9. 后处理结果完成仿真后，可以进行结果的后处理，如流线图、压力分布图等。
选择“后处理”（Post-processing）选项，并根据需要选择相应的结果显示方式。
10. 分析结果在后处理过程中，可以进行结果的分析。
比较不同参数的变化，探索流体流动的特点等。
以上是使用Fluent进行流体力学仿真的基本流程。
第08章fluent基本物理模型
第08章fluent基本物理模型基本物理模型本章介绍了FLUENT所提供的基本物理模型以及相关的定义和使用。
基本物理模型概述FLUENT提供了从不可压到可压、层流、湍流等很大范围模拟能力。
在FLUENT 中,输运现象的数学模型与所模拟的几何图形的复杂情况是结合在一起的。
FLUENT应用的例子包括层流非牛顿流的模拟，涡轮机和汽车引擎的湍流热传导，锅炉内煤炭粉碎机的燃烧，可压射流，空气动力外流，以及固体火箭发动机的可压化学反应流。
为了与工业应用相结合，FLUENT提供了很多有用的功能。
如多孔介质，块参数（风扇和热交换），周期性流动和热传导，涡流，以及移动坐标系模型。
移动参考系模型可以模拟单一或者多个参考系。
FLUENT还提供了时间精度滑动网格方法以及计算时间平均流动流场的混合平面模型，滑动网格方法在模拟涡轮机多重过程中很有用。
FLUENT中另一个很有用的模型是离散相模型，这个模型何以用于分析喷雾和粒子流。
，多项流模型可以用于预测射流的破散以及大坝塌陷之后流体的运动，气穴现象，沉淀和分离。
湍流模型是FLUENT中很重要的一部分，湍流会影响到其它的物理现象如浮力和可压缩性。
湍流模型提供了很大的应用范围，而不需要对特定的应用做出适当的调节，而且它涵括了其它物理现象的影响，如浮力和可压缩性。
通过使用扩展壁面函数和区域模型，它可以对近壁面的精度问题有很好的考虑。
各种热传导模式可以被模拟，其中包括具有或不具有其它复杂性如变化热传导的，多孔介质的自然的、受迫的以及混合的对流。
模拟相应介质的辐射模型及子模型的设定通常可以将燃烧的复杂性考虑进来。
FLUENT一个最强大的功能就是它可以通过耗散模型或者和概率密度函数模型来模拟燃烧现象。
对于燃烧应用十分有用的其它模型也可以在FLUENT中使用，其中包括碳和液滴的燃烧以及污染形成模型。
连续性和动量方程对于所有的流动，FLUENT都是解质量和动量守恒方程。
对于包括热传导或可压性的流动，需要解能量守恒的附加方程。
ansys fluent教程fluent12-lecture08-udf
8-5
April 28, 2009 Inventory #002600
User-Defined Functions
Fluent UDF Data Structure (2)
8-7
April 28, 2009 Inventory #002600
User-Defined Functions
Example – Parabolic Inlet Velocity Profile
Training Manual
• We would like to impose a parabolic inlet velocity to the 2D elbow shown.
Training Manual
– A UDF is a function (programmed by the user) written in C which can be dynamically linked with the FLUENT solver.
• Standard C functions
Segregated Userdefined ADJUST PBCS DBCS
Training Manual
Initialize
Begin Loop
Solver? Source terms
Solve U-Momentum
Source terms
Solve V-Momentum
Solve W-Momentum
Training Manual
Domain Thread cell_t face_t Node
【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）
FLUENT官方培训教材(完整版)
Gas outlet
Oil outlet
Three- Phase Inlet
Water outlet
Contours of Oil Volume Fraction in a Three-Phase Separator
Update Model
1. 定义模拟目的
你希望得到什么样的结果（例如，压降，流量），你如何使用这些结果？ 你的模拟有哪些选择？ 你的分析应该包括哪些物理模型（例如，湍流，压缩性，辐射）？ 你需要做哪些假设和简化？ 你能做哪些假设和简化（如对称、周期性）？ 你需要自己定义模型吗？ FLUENT使用UDF，CFX使用 User FORTRAN 计算精度要求到什么级别？ 你希望多久能拿到结果？ CFD是否是合适的工具？
Solid model of a Headlight Assembly
Pre-Processing Mesh Physics Solver Settings
4. 设计和划分网格
计算域的各个部分都需要哪种程度的网格密度？ 网格必须能捕捉感兴趣的几何特征，以及关心变量的梯度，如速度梯度、压力梯度、温度梯度等。 你能估计出大梯度的位置吗？ 你需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？ 哪种类型的网格是最合适的？ 几何的复杂度如何？ 你能使用四边形/六面体网格，或者三角形/四面体网格是否足够合适？ 需要使用非一致边界条件吗？ 你有足够的计算机资源吗？ 需要多少个单元/节点？ 需要使用多少个物理模型？
Problem Identification Identify domain
2. 确定计算域
第2章,fluent基本物理模型
第二章，基本物理模型无论是可压、还是不可压流动，无论是层流还是湍流问题，FLUENT都具有很强的模拟能力。
FLUENT提供了很多数学模型用以模拟复杂几何结构下的输运现象（如传热与化学反应）。
该软件能解决比较广泛的工程实际问题，包括处理设备内部过程中的层流非牛顿流体流动，透平机械和汽车发动机过程中的湍流传热过程，锅炉炉里的粉煤燃烧过程，还有可压射流、外流气体动力学和固体火箭中的可压反应流动等。
为了能模拟工业设备和过程中的流动及相关的输运现象，FLUENT提供了许多解决工程实际问题的选择，其中包括多空介质流动，（风扇和热交换器）的集总参量计算，流向周期流动与传热，有旋流动和动坐标系下流动问题。
随精确时间滑移网格的动坐标方法可以模拟计算涡轮流动问题。
FLUENT还提供了离散相模型用以模拟喷雾过程或者稀疏颗粒流动问题。
还有些两相流模型可供大家选用。
第一节，连续和动量方程对于所有流动，FLUENT都求解质量和动量守恒方程。
对于包含传热或可压性流动，还需要增加能量守恒方程。
对于有组分混合或者化学反应的流动问题则要增加组分守恒方程，当选择pdf 模型时，需要求解混合分数及其方差的守恒方程。
如果是湍流问题，还有相应的输运方程需要求解。
下面给出层流的守恒方程。
2.1.1 质量守恒方程2－1该方程是质量守恒的总的形式，可以适合可压和不可压流动。
源项是稀疏相增加到连续相中的质量，（如液体蒸发变成气体）或者质量源项（用户定义）。
对于二维轴对称几何条件，连续方程可以写成：2－2式中，x是轴向坐标；r是径向坐标，u和v分别是轴向和径向速度分量。
2.1.2 动量守恒方程惯性坐标系下，i方向的动量守恒方程为：2－3式中，p是静压；是应力张量，定义为：，，是重力体积力和其它体积力（如源于两相之间的作用），还可以包括其它模型源项或者用户自定义源项。
对于二维轴对称几何条件，轴向和轴向的动量守恒方程分别为：2－4和2－5w是旋流速度。
FLUENT物理模型
表面反应
对于化学组分沉积到表面的反应，将沉积的组分处理为和气相组 分不同的另外一种组分 对每个吸收表面组分求解地点平衡方程
– 可以考虑详细表面反应机理（任意的多步反应，任意数量的气相 组分/沉积组分） – CHEMKIN 中的表面反应机理可以读入 FLUENT. – 表面反应可以在壁面或多孔介质中发生 – 可以在不同的表面定义不同的表面反应机理
ANSYS FLUENT 培训教材 第八节：物理模型
安世亚太科技（北京）有限公司
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概要
多相流模型 – Discrete phase model – Eulerian model – Mixture model – Volume-of-fluid model 化学反应模型 – Eddy dissipation model – Non-premixed, premixed and partially premixed combustion models – Detailed chemistry models – Pollutant formation – Surface reactions 动网格 – Single and multiple reference frames – Mixing planes – Sliding meshes – Dynamic meshes – Six-degree-of-freedom solver
动网格简介
许多问题需要考虑平移或旋转的部件 对移动域，有两种基本的模型方法:
– 运动的参考坐标系
• 参考坐标系和运动域联系在一起 • 修正控制方程来考虑运动坐标系
ANSYS_FLUENT培训教材终极版
Equation Variable Continuity 1 X momentum u Y momentum v Z momentum w Energy h
CFD 模拟概览
Problem Identification
1. 2. Define goals Identify domain
Solid model of a Headlight Assembly
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4. 设计和划分网格
Pre-Processing
3. 4. 5. 6. Geometry Meshing Physics Solver Settings
Triangle
加密网格能否提高精度？
网格是否有无关性？ 是否需要提高网格捕捉几何的细节
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FLUENT 中的物理模型
流动和传热 动量、质量、能量方程 辐射 湍流 雷诺平均模型 (Spalart-Allmaras, k–ε, k– ω, 雷诺应力模型) 大涡模拟 (LES) 和分离涡模拟 (DES) 组分输运 体积反应 Arrhenius 有限速率化学反应 湍流快速化学反应 涡耗散, 非预混, 预混，局部预混 湍流有限速率反应 EDC, laminar flamelet, composition PDF transport 表面化学反应
Unsteady Convection Diffusion Generation
偏微分方程组离散化为代数方程组 用数值方法求解代数方程组以获取流场 解
* FLUENT control volumes are cell-centered (i.e. they correspond directly with the mesh) while CFX control volumes are node-centered
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表面反应
对于化学组分沉积到表面的反应，将沉积的组分处理为和气相组 分不同的另外一种组分 对每个吸收表面组分求解地点平衡方程
– 可以考虑详细表面反应机理（任意的多步反应，任意数量的气相 组分/沉积组分） – CHEMKIN 中的表面反应机理可以读入 FLUENT. – 表面反应可以在壁面或多孔介质中发生 – 可以在不同的表面定义不同的表面反应机理
Animation of Gas Volume Fraction Contours
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Water Velocity Vectors on a Central Plane at t = 15 sec.
VOF 案例 – 汽车油箱晃动
模拟不同加速条件 下，液体在汽车油箱 中的自由液面晃动 模拟显示油箱底部的 挡板可以保持入油口 浸没在油中，如果没 有挡板时，入油口在 某些时间会露出油面
气 /液 液 /液
– 液滴流 – 连续气体中的离散液滴， 如喷雾器、燃烧器 – 柱塞流 – 连续液体中的大尺度气泡 – 分层 / 自由表面流– 不相溶的流体被 清晰的界面分开，如自由表面流 – 颗粒流 – 连续气体中的离散固体颗
Slug Flow
Bubbly, Droplet, or Particle-Laden Flow
1.1 mm
0.2 mm
欧拉模型的例子 – 三维气泡床
z = 20 cm
z = 15 cm
z = 10 cm
z = 5 cm
Isosurface of Gas Volume Fraction = 0.175
Liquid Velocity Vectors
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多相流模型
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简介
相具有可定义的边界，对周围流场有特定的动力响应 相一般分为固体、液体和气体，但也指其他形式：有不同化学属 性的材料，但属于同一种物理相（如液-液） 多相流体系统分为一种主流体相和多种次流体相
FLUENT中反应流模型
流动结构
Premixed
NonPremixed
Partially Premixed
Eddy Dissipation Model (Species Transport) Premixed Combustion Model
Reaction Progress Variable*
化学反应
Stratified / FreePneumatic Transport, Surface Flow Hydrotransport, or Slurry Flow
气 /固
粒，如旋风分离器，空气净化器， 吸尘器 – 流化床 – 流化床反应器 – 泥浆流 – 液体中的固体颗粒，固体 悬浮、沉积、液力输运
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DPM模型
描述 – 颗粒/液滴/气泡的轨迹在拉格朗日坐标系求解 – 颗粒和连续相可以进行热、质量、动量的交换 – 每一条轨迹代表一组有相同初始属性颗粒的行为 – 单个颗粒的互相影响被忽略 – 离散相体积分数必须小于10 多个子模型 – 离散相的加热/冷却 – 液滴的蒸发和沸腾 – 可燃固体的挥发分析出和焦炭燃烧 – 喷雾模型模拟液滴破碎和聚合 – 磨损/增长 应用范围 – 颗粒分离、分级、喷雾干燥、浮质沉积、气泡喷射、液体燃料和煤粉燃 烧.
Temperature in a Gas Furnace
CO2 Mass Fraction
Stream Function
背景知识
模拟燃烧中的化学反应
– 快速化学反应
• 全局化学反应机理（有限速率/涡耗散） • 平衡/小火焰模型（混合分数）
Fuel Reactor Oxidizer Outlet
– 有限速率反应
运动域的CFD模型方法
单参考坐标系 (SRF)
多参考坐标系 (MRF)
混合平面法 (MPM)
滑移网格 (SMM)
运动 / 变形网 格 (MDM)
运动坐标系
运动域
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单参考坐标系模型 (SRF)
SRF 把单一的运动域和一个坐标系 连接起来 – 所有的流体域在运动坐标系下定义 – 旋转坐标系引入了附件加速度 为什么要使用运动坐标系? – 在静止坐标系下流场是瞬态的，使 用旋转坐标系后流场可以看做稳态 的 – 优势
Finite-Rate Chemistry
Laminar Finite-Rate Model Eddy-Dissipation Concept (EDC) Model Composition PDF Transport Model
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污染物模型
Sedimentation Fluidized Bed
液 /固
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FLUENT中的多相流模型
FLUENT 包括四种不同的多相流模型:
– Discrete Phase Model (DPM) – Volume of Fluid Model (VOF) – Eulerian Model – Mixture Model
Gas / Sand Gas
Contours of Solids Volume Fraction for High Velocity Gas/Sand Production
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混合模型案例 – 气体鼓泡
用混合模型模拟氮气 喷入混合器中的流 动，用MRF方法模拟 旋转叶片的效应 FLUENT 很好的模拟了 气体的停顿和搅动过 程。
Fuel Tank Without Baffles
t = 1.05 sec
t = 2.05 sec
Fuel Tank With Baffles
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化学反应流
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化学反应流的应用
ANSYS FLUENT 培训教材 第八节：物理模型
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概要
多相流模型 – Discrete phase model – Eulerian model – Mixture model – Volume-of-fluid model 化学反应模型 – Eddy dissipation model – Non-premixed, premixed and partially premixed combustion models – Detailed chemistry models – Pollutant formation – Surface reactions 动网格 – Single and multiple reference frames – Mixing planes – Sliding meshes – Dynamic meshes – Six-degree-of-freedom solver
多参考坐标系模型 (MRF)
包括有静止域和运动域的多域问题， 此时，单参考坐标系不适合 这类系统可以这样处理：把域分割为 多个域：一些域旋转，一些域静止 域之间通过交界面传递数据
选择合适的模型非常重要
– 取决于流体是分层的还是离散的-两相间的长度尺度界定这个 区别 – Stokes数 (颗粒松弛时间和流体特征时间的比例）也应该考 虑进来
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DPM 例子-喷雾干燥
喷雾干燥包括液体以雾状方式喷入加热的容器中，用DPM模拟 流动、传热、传质过程
动网格简介
许多问题需要考虑平移或旋转的部件 对移动域，有两种基本的模型方法:
– 运动的参考坐标系
• 参考坐标系和运动域联系在一起 • 修正控制方程来考虑运动坐标系
– 运动/变形域
• 域的位置和形状在静止坐标系下跟踪 • 求解本质上是瞬态的
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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Initial particle Diameter: 2 mm
Contours of Evaporated Water Stochastic Particle Trajectories for Different Initial Diameters
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流动结构
– 非预混反应系统
• 可简化为混合系统
Fuel + Oxidizer
Reactor
Outlet
Secondary Fuel or Oxidizer
– 预混反应系统
• 冷态反应物传播到热的生成物中.
Fuel + Oxidizer
Reactor
Outlet
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欧拉模型中的粒状选项
当存在高浓度的固体颗粒时，会导致颗粒 间高频率的碰撞，此时应选Granular 假设颗粒的行为类似一团密集分子的碰撞 行为，对颗粒相使用分子云理论
Gravity
应用这个理论后，连续相和颗粒相的动量 方程都增加了附加应力 – 这些应力 (颗粒 “粘性”, “压力” 等.) 由颗粒 速度脉动强度确定 – 伴随颗粒速度脉动的动能由拟热“pseudothermal” 或颗粒温度代表 – 不考虑颗粒的弹性变形