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中科大刘明侯老师fluent讲义.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：5.31M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第六章，FLUENT中的燃烧模拟.pdf
    第六章，
    NOx 主要由NO（nitric oxide）所组成，此外还包括少量的 NO2和N2O。其中，NO是造成光化学烟雾、酸雨
    Thermal NOx - Zeldovich机理（大气中N的氧化产物），在高温条件下，该机理很重要，
    Prompt NOx – Fenimore机理，该机理对NOx 的生成贡献相对较小，但在富燃料区缺很重要，
    Fuel NOx -经De Soete，Williams等人发展的经验机理(燃料中含N组分的氧化产物)，在富含N的煤燃烧
    NOx reburn chemistry- 通过在富燃料区使NO与碳氢化合物发生反应以减少NOx的化学反应过程。
    Start in 2D or 3D
    确定物理模型的应用范围，
    划分计算网格（必要时应根据初步计算结果调整网格疏密），
    确定求解量和计算收敛判据。
    Boundary conditions
    燃烧问题通常对进口边界条件十分敏感，利用已知的（或合理的）速度和标量分布作为边界条件是必要的，
    壁面传热对于整个计算也是很重要的，若已知，应指定壁面温度，而非指定边界条件中的内部对流、辐射等。
    Initial conditions
    尽管稳态问题的解不依赖于初始条件，但很差的初始条件会导致问题不能收敛（由于输运方程的数量和非线性），
    对一些燃烧问题，可先求解冷态问题，以此为初始条件求气相燃烧问题，再求解离散相问题，再求解有辐射的问题，
    对强旋流，应逐渐增加其涡旋度。
    Underrelaxation Factors
    松弛的效果是针对高度非线性问题的，
    Decrease the diverging residual URF in increments of 0.1
    使用混合物分数PDF模型时应松弛密度（0.5）
    对高浮力流应松弛速度
    对高速流动应松弛压力
    一旦获得稳定解，应尝试增加所有量的松弛因子以尽可能地接近默认值。
    Discretization
    首先以一阶精度的方法离散控制方程，收敛后再以二阶精度离散以提高计算结果的精度，
    对三角形或四边形网格，二阶离散是尤为必要的。
    Discrete Phase Model
    为增强计算的稳定性，应
    Increase number of stochastic tracks (or use particle cloud
    Decrease DPM URF and increase number of gas phase iterations
    Magnussen model
    为有限速率/涡耗散方法(Arrhenius/Magnussen) 的默认方法，
    对非预混（扩散）火焰，应关闭有限速率方法选项
    预混火焰需要Arrhenius项，因此反应物早期不燃烧
    可能需要高温初始化/补丁（initialization/patch），
    使用依赖于温度的等压比热Cp以减少高温时的不合理性。
    Mixture fraction PDF model
    适合于所研究的问题符合该模型的假设，
    在PDF表中使用足够的离散点以保证插值的精确（在不增加计算时间的前提下），
    使用beta PDF的形状。
    Turbulence
    应首先由standard k- model开始计算，
    再转化到RNG k- , Realizable k- 或雷诺应力模型（RSM）以获得与实验数据较好的一致并/或分析结
    Judging Convergence
    收敛残差应小于10-3，其中对温度、组分等标量应小于10-6，
    质量和能量通量必须保证平衡，
    应监控感兴趣的变量（如，出口的平均温度），
    保证流场变量的等值线光滑、可靠和稳定。
    第七章 自定义函数.pdf
    Name
    Arguments
    Argument Type
    Name
    Arguments
    Argument Type
    Argument Type
    Returns
    Source
    Argument Type
    Returns
    Source
    Argument Type
    Returns
    Source
    Argument Type
    Returns
    Source
    Argument Type
    Returns
    Source
    Argument Type
    Returns
    Source
    各向速度导数
    mem.h
    Argument Type
    Returns
    Source
    Property
    Value
    A.3 Multiphase DEFINE Macros
    FLUENT 简明教程
    特别声明 本资料摘自中国科技大学的《计算流体和传热传质》讲 义，该讲义由刘明侯老师主编。 原资料由 7 个 WORD 文件组成，在制成 PDF 格式的时候 本人对排版和内容略作调整，特此声明！ jerryzhq 2005.7.29
    目录 第一章， 概述…………………………………………………………………..….…...(1) 第二章， 基本物理模型………………………………………………………..…...….(5) 第一节， 连续和动量方程…………………………………………………….…(5) 第二节， 计算传热过程用户输入………………………………………….……(9) 第三节， 浮力驱动的流动和自然对流…………………………………………(10) 第四节， 有旋和旋转流动问题…………………………………………….……(15) 第五节， 可压流动…………………………………………………..……..……(18) 第六节， 无粘流动……………………………………………………..…..……(19) 第七节， 用户自定义标量输运模型…………………………………..….….…(22) 第三章， 湍流模型……………………………………………………….……..…….(24) 第一节， 前言……………………………………………………………………(24) 第二节， 平均量输运方程…………………………………………….. ……….(25) 第三节， 湍流模型……………………………………………………………….(26) 第四节， 湍流模型算例及其设置……………………………………………….(39) 第四章， 湍流流动地近壁处理…………………………………………………...….(44) 第五章， 边界条件………………………………………………………………….(52) 第六章， FLUENT 中地燃烧模拟…………………………………………..…….….(62) 第一节， 燃烧模拟的重要性……………………………………………..….….(62) 第二节， FLUENT 燃烧模拟方法概要…………………………………..…….(62) 第三节， 气相燃烧模型…………………………………………………......…..(63) 第四节， 污染物模型…………………………………………………….………(75) 第五节， FLUENT 中燃烧模拟计算的步骤和原则……………………………(77) 第七章， 自定义函数……………………………………………………………….(79) 第一节， 概要…………………………………………………………………….(79) 第二节， 书写 UDFs …………………………………………………………….(80) 第三节， 编译连接 UDFs………………………………………………………..(98) 第四节， 在 FLUENT 模型中使用 UDFs………………………………………(106) 第五节， UDFs 实例…………………………………………………………….(112) 第六节， UDFs 的应用………………………………………………………….(128) 附录 A udf. H 中的宏解释…………………………………………………………….(146) 附录 B 常用 C 库函数…………………………………………………………………(147)
    第一章 概述 FLUENT 是用于计算复杂几何条件下流动和传热问题的程序。它提供的无结构网格生 成程序，把计算相对复杂的几何结构问题变得容易和轻松。可以生成的网格包括二维的三角 形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。并且，可以根据计算结果调整网格。 这种网格的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流场如自由剪切流和边界层问题有很实 际的作用。同时，网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流动场， 因此可以节约计算时间。 程序的结构 FLUENT 程序软件包应该包括以下几个部分： 1， FLUENT 解法器 2， prePDF，用于模拟 PDF 燃烧过程 3， GAMBIT，网格生成 4， TGrid，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成体网格。 5， Filters(Translators)，转换其它程序生成的网格，用于 FLUENT 计算。可以接口的程序包 括：ANSYS, I-DEAS, NASTRAN,PATRAN 等。 GAMBIT 设置几何形状 生成 2D 或 3D 网格 几 何 形 状 或 网格 其它软件包，如 CAD，CAE 等 prePDF PDF 查表 PDF 程序 2D 或 3D 网格 FLUENT 网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理 边 界 网 格 边 界 和 或 体 网 格 网格 TGrid 2D 三角网格 3D 四面体网格 2D 和 3D 混合网格 基本程序结构示意图。 1
    FLUENT 程序的用途 1， 采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和三位流动问题。计算过 程中，网格可以自适应。 2， 可压缩与不可压缩流动问题 3， 稳态和瞬态流动问题 4， 无粘流，层流及湍流问题 5， 牛顿流体及非牛顿流体 6， 对流换热问题（包括自然对流和混合对流） 7， 导热与对流换热耦合问题 8， 辐射换热 9， 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟 10， 多运动坐标系下的流动问题 11， 化学组分混合与反应 12， 可以处理热量、质量、动量和化学组分的源项 13， 用 Lagrangian 轨道模型模拟稀疏相（颗粒，水滴，气泡等） 14， 多孔介质流动 15， 一维风扇、热交换器性能计算 16， 两相流问题 17， 复杂表面形状下的自由面流动 triangle quadrilateral 二维网格： tetrahedron pyramid 三维网格： hexahedron prism or wedge 图 1－1，FLUENT 的基本控制体形状 用 FLUENT 程序求解问题的步骤 1， 确定几何形状，生成计算网格（用 GAMBIT，也可以读入其它指定程序生成的网格） 2， 选择 2D 或 3D 来模拟计算 2
    3， 输入网格 4， 检查网格 5， 选择解法器 6， 选择求解的方程：层流或湍流（或无粘流），化学组分或化学反应，传热模型等。确定 其它需要的模型如：风扇、热交换器、多孔介质等模型。 7， 确定流体物性 8， 指定边界条件 9， 条件计算控制参数 10， 流场初始化 11， 计算 12， 检查结果 13， 保存结果，后处理等。 关于 FLUENT 解法器的说明 1， FLUENT 2D， 二维单精度解法器 2， FLUENT 3D，三位单精度解法器 3， FLUENT 2ddp，二维双精度解法器 4， FLUENT 3ddp，三维双精度解法器 FLUENT 程序启动方法 1， WINDOEWS NT 下，点击 FLUENT5。 2， 在 MS－DOS 下，键入命令。 FLUENT 2D/3D/2ddp/3ddp。平行计算命令为：FLUENT 2D/3D/2ddp/3ddp -t x 。x 是处理器编号。如，我们用 3 号处理器计算三维双精度问题， 命令为： FLUENT 3ddp –t3 FLUENT 命令的一般形式为： FLUENT [version] [-help] [options] FLUENT 求解方法的选择 1， 非耦合求解 2， 耦合隐式求解 3， 耦合显式求解 非耦合求解方法主要用于不可压缩或压缩性不强的流体流动。耦合求解则可以用在高速 可压缩流动。FLUENT 默认设置是非耦合求解，但对于高速可压流动，有强的体积力（浮 力或离心力）的流动，求解问题时网格要比较密，建议采用耦合隐式求解方法，可以耦合求 解能量和动量方程，能比较快地得到收敛解。缺点是需要的内存比较大（是非耦合求解迭代 时间的 1.5-2 倍）。如果必须要耦合求解，但是你的机器内存不够，这时候可以考虑用耦合 显式解法器求解问题。该解法器也耦合了动量，能量及组分方程，但内存却比隐式求解方法 3
    小。缺点是收敛时间比较长。 这里需要指出的是非耦合求解的一些模型在耦合求解解法器里并不都有。耦合解法器没 有的模型包括：多相流模型，混合分数/PDF 燃烧模型，预混燃烧模型，污染物生成模型， 相变模型，Rosseland 辐射模型，确定质量流率的周期性流动模型及周期性换热模型等。 4
    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 ∂ ρ t ∂ + ∂ x ∂ i u (ρ i ) = S m 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 mS 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： ρ ∂ t ∂ v ρ r ∂ x ∂ ∂ r ∂ u ρ mS = ( v ρ ) + ) + + ( 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： ∂ t ∂ ( u ρ i ) + ∂ x ∂ j ( uu ρ i j ) −= p ∂ x ∂ i + τ ∂ ij c ∂ j + g ρ i + F i 2－3 式中，p 是静压； ijτ 是应力张量，定义为： ⎛ ⎜ µτ ⎜ ⎝ ⎡ ⎢ ⎢ ⎣ = ij u ∂ x ∂ i j + u ∂ x ∂ j i ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ ⎤ ⎥ ⎥ ⎦ − 2 3 l δµ ij ， igρ ， u ∂ x ∂ l iF 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 iF 5
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