fluent中的基本物理模型Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:6039290
- 上传时间:2023-05-05
- 格式:DOCX
- 页数:30
- 大小:248.47KB
fluent中的基本物理模型Word文档下载推荐.docx
《fluent中的基本物理模型Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《fluent中的基本物理模型Word文档下载推荐.docx(30页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
如果是周期性换热流动,则流动边界要给定周期边界条件。
如果计算计算模型包括两个流动区域,中间被固体或者墙壁隔开的换热问题,则要特别注意:
1,两个流体都不能用流出边界条件(outflow);
2,两个区域的流动介质可以不同,但要分别定义流体性质(如果计算组分,只能给一个混合组分)。
FLUENT求解的能量方程形式如下:
2-6
式中,
,为有效导热系数(湍流导热系数根据湍流模型来定义)。
是组分
的扩散通量。
方程右边前三项分别为导热项,组分扩散项和粘性耗散项。
是包括化学反应热和其它体积热源的源项。
其中,
2-7
对于理想气体,焓定义为:
;
对于不可压缩气体,焓定义为:
。
的质量分数,组分
的焓定义为:
,其中
2.1.4PDF模型的能量方程
如果在非绝热PDF燃烧模型模式下,FLUENT求解的总焓方程为:
2-8
假定刘易斯数为1,方程右边第一项为组分扩散和导热项的合并项;
第二项为粘性耗散,为非守恒形式。
总焓H定义为:
组分
的总焓定义为:
2-9
其中
基于参考温度
的生成焓。
虽然能量的标准形式里包括了压力做功和动能项,但在采用segregatedsolver求解不可压问题时候都可以忽略掉。
当然,如果想不忽略它们的作用,可以在define/models/energy中设置。
对于可压缩流动问题,在用coupledsolvers求解时总是考虑压力做功和动能项。
粘性耗散项是考虑流体中的粘性剪切作用产生的热量。
如果用segregatedsolver求解,默认设置并没有考虑。
如果Brinkman数(
是系统温度差)大于1时,粘性加热一定不能忽略。
这时候一定要设置ViscousHeating选项。
对于可压缩流动,一般Br>
1,如果还用segregatedsolver求解,一定要考虑粘性加热。
如果是coupledsolver求解,粘性加热会自动考虑。
Fluent求解焓方程时,组分扩散项都已经包括。
用segregatedsolver求解,如果想不考虑该项,可以在组分模型面板(SpeciesModelPanel)中关闭能量扩散项。
如果采用了非绝热的PDF燃烧模型,方程中并不明确出现该项,应为导热和组分扩散项合并为一项了。
当用coupledsolver求解时,能量方程总会考虑该项。
2.1.5化学反应源项
化学反应源项如下:
2-10
的生成焓;
生成的体积率。
对于非绝热PDF燃烧模型,(2-9),生成热定义在总焓中,所以化学反应热不包含在源项中。
2.1.6固体区域的能量方程
在固体区域,FLUENT采用的能量方程为如下形式:
2-11
是密度;
h是显焓;
k是导热系数;
T是温度;
体积热源。
方程左边第二项表示由于固体旋转或者平移运动热传输。
方程右边两相分别为固体导热和体积热源。
2.1.7固体内部导热各向异性的影响
当用segregatedsolver求解时,FLUENT允许你指定材料的各向导热系数。
固体导热各向异性方程形式如下:
是导热系数矩阵。
2.1.8进口热扩散
进口的净能量输运包括对流和扩散两部分。
指定进口温度就可以确定对流部分,但扩散项取决于计算出来的温度场梯度。
因此我们不能给定扩散分量或者净能量输运。
但在一些问题中,我们更希望能给定净能量输运,而不是给定进口温度。
如果用segregatedsolver求解时,可以在dfine/models/energy中去掉进口能量扩散,从而达到给定净进口能量输运。
但是我们用coupledsolver时,不能去掉能量扩散部分。
第二节,计算传热过程中用户输入
如果用FLUENT计算有传热的问题时候,必须击活相关模型和提供热边界条件,并且给出材料物性。
这一系列过程如下:
1,击活能量面板。
Define-Models-Energy
2,(对于segregatedsolver)如果模拟粘性流动过程,而且要考虑粘性加热,击活ViscousHeating;
Define-Models-ViscousHeating
3,定义热边界条件(包括流体进口,出口和壁面)Define-BoundaryConditions。
在流动进口和出口要给定温度,但壁面可以有如下边界条件选择:
(1)指定热流量
(2)指定温度
(3)对流换热
(4)外部辐射
(5)对流换热+辐射换热
4,定义材料热物性。
Define-Materials.比热和导热系数都要给出,并且可以用温度函数的形式给出。
2.2.1温度限制
为了计算的稳定性,FLUENT对计算出来的温度给了范围限制。
给定温度限制,一方面是为了计算稳定的需要,同时,真实温度也有其相应的范围。
由于给定材料物性不好,或者其它原因,计算出的中间超过了物理应该达到的温度。
FLUENT中,给定的最高温度5000K,最小温度1K,如果计算过程中的温度超过这个范围,那么就在这最高温度或最低温度值处锁定。
如果你觉得这个限制不合理,你可以自己调节。
Solve-control-limits
2.2.2传热问题求解过程
对于一些简单的传热过程FLUENT的默认设置可以成功进行模拟,但如果要加快你的问题的收敛速度或者提高计算过程的稳定性,下面的一些过程就比较重要了。
2.2.3松弛因子确定
如果用segregatedsolver求解能量方程,在solve-controls-solution处定义松弛因子。
如果你采用非绝热PDF模型,也必须和通常一样设置包括温度项在内地松弛因子。
在求解温度和焓时候,FLUENT默认设置能量方程松弛因子为1。
在一些问题里,能量场影响流动场(物性随温度变化,或者有浮力),这时候松弛因子要小些,比如在0.8到1之间。
如果流动场和温度场不是耦合的(没有随温度变化的热物性或者浮力影响),松弛因子就可以采用1。
如果我们求解的是焓方程(非绝热PDF燃烧模型),温度需要设置松弛因子。
焓的变化中不是所有的都用来计算温度的变化。
这对于一些问题,你需要流动场焓变化快,而温度不能变化太快(影响流体热物性太快)的解决很有好处。
2.2.4组分扩散项
如果用segregatedsolver求解组分输运方程,如果考虑组分扩散,计算收敛会比较困难。
为了提高收敛性,可以在define-models-species处取消对组分扩散的考虑。
这时候组分扩散对能量的影响就被忽略了。
如果我们选择coupledsolver求解,那么组分扩散一定是存在的。
2.2.5耦合和非耦合流动场与温度场计算
如果流动和传热不是耦合的(没有温度变化的热物性或者浮力影响),那么我们可以先求解绝热流动场,然后加进能量方程。
这时候可以暂时先关闭动量或者能量方程中的一个,先求解另外的一个。
Solve-controls-solution.如果流动和温度场是耦合的,你可以先求解流动方程,收敛后再击活能量方程,一起求解。
需要注意的是,Coupledsolver总是同时求解流动与能量方程。
2.2.6传热计算结果输出
FLUENT提供了几种传热结果的输出形式。
可以以图形的形式输出,也可以用下列参数或者函数形式输出。
可以输出的参数包括:
静温、总温、静焓、相对总温、壁面温度(内或外表面)、总焓、总焓方差、熵、总能量、内能、表面热流量、表面换热系数、表面Nusselt数和表面stanton数。
定义焓或者能量输出的参数跟求解的是可压或不可压问题有关。
可以通过Report-Fluxes给出控制体的每个边界或者通过壁面的总的换热量。
必须注意,要检测一下是否能量平衡,这可以检查是否求解已经收敛。
也可以通过Report-surfaceIntegrals-Enthalpy给出某个边界或壁面的总的换热量。
焓流率定义为
2-12
Report-Surfaceintegrals-surfaceHeattransferCodf.(wallheatflux)可以给出某个表面的平均换热系数(
).2-13
第三节,浮力驱动的流动和自然对流
对于混合对流问题,我们定义一个浮力参数为
,当
接近或者超过1时,浮力对流动有很强的作用。
相反,如果
很小,浮力的作用将可以忽略。
而纯粹自然对流问题中,浮力诱发流动强弱我们用另外一个参数来衡量,即Rayleigh数。
定义为:
2-14
为热膨胀系数;
热扩散系数。
如果
,自然对流处于层流状态,在
为层流到湍流的过渡区域。
2.3.1Boussinesq模型
对于许多的自然对流问题,采用Boussinesq模型比定义密度是温度的函数有更好的收敛性。
该模型在所有求解方程中,认为密度是常数。
但是,在动量方程中的浮力项中,密度才随温度变化。
,因而用
计算浮力项。
这样的近似对密度变化很小的流动问题有较好计算结果。
该模型对封闭区域里的自然对流问题适合,如果模拟温度变化很小的流动场也同样适用。
但是,如果计算组分,燃烧或者有化学反应的问题时,该方法不适合。
2.3.2浮力驱动流计算的用户输入
在计算混合对流和自然对流问题时,需要输入如下参数:
1,求解能量方程;
define-models-Energy
2,击活重量选项面板define-operatingconditions;
在笛卡儿坐标系的每个方向上设置重力加速度。
默认的值是零。
3,如果采用不可压理想气体法则,注意检查define-operatingconditions中的压力设置到一个合适值(非零)。
4,取决于你是否采用了Boussinesq模型,还有以下参数需要合适确定:
(1)如果不用Boussinesq模型,则要给定合适的密度;
或者在define-materials里给出密度与温度的函数关系。
(2)如果采用了Boussinesq模型,给出参考温度(方程中的
),在define-materials里给定热膨胀系数。
(3)如果计算问题包含多个流体物质,可以为单个物质考虑是否选用Boussinesq近似。
5,在压力进口与出口边界条件下,应该输入的压力为等效压力
,条件是进口和出口没有外部压力梯度。
Define-boundaryconditions
6,solve-controls-solution,压力离散化方法选择。
如果你采用的是四边形或六面体网格,并且Segregatedsolver求解,建议选择PRESTO离散方法。
2.3.3流体参考密度
如果不用Boussinesq近似假设,流体在动量方程中体积力项中出现参考密度
,其形式为:
,根据FLUENT定义的压力
,根据流体静力学平衡,我们有:
2-15
上式可以变成:
2-16
所以,定义流体参考密度是十分重要的。
FLUENT默认设置中,计算所有网格的平均密度为参考密度。
在一些计算问题里,也许你给出一个参考密度要比自动计算一个参考密度要好。
例如,你计算的是自然对流问题,而且有个压力边界条件,了解上面方程中
的定义是十分重要的。
虽然你知道确切的
,但你还需要知道参考密度
,而根据
的值来计算
因此,你必须明确给出参考密度,而不能等计算机自动计算。
而有时候给定参考密度虽然对最后结果没有太多影响,但对收敛速度有明显作用。
这时候通常用体平均密度作为参考密度。
这里需要指出的是,如果你采用的是Boussinesq近似方法,不需要用参考密度,因此不需要特别给出。
对于高Rayleigh数流动问题的求解,需要注意以下一些问题。
需要指出的是对一些层流问题而言,高Rayleigh数流动有可能没有稳态解存在。
当求解高Rayleigh数(
)流动问题时,根据下列步骤将能得到最好结果。
第一步是求稳态近似结果
1,选用First-orderscheme,在小Rayleigh数下求得稳态解。
(可以通过变化重力加速度的方法减少Ra数(比如从9.8降低到0.098,Ra数就降低了两个数量级)
2,用小Ra数的收敛解为初始值,求解高Ra数下的解。
3,得到收敛解后,可以换higher-orderscheme继续求解。
第二步是求与时间相关的稳定解
1,用前面的稳态解为初始条件,在相同或略小Ra数下求解。
2,估计时间常数
其中,L和U是长度和速度尺度,采用的时间步长为:
,如果时间步长比
大,有可能不收敛。
3,求解过程中会有频率为
振荡,衰减后就达到稳态解。
是上面的求出的时间常数,f是振荡频率(Hz)。
通常需要超过5000步才能得到稳定解。
需要进一步指出的是除非我们采用了Boussinesq近似,上面方法不能用于封闭区域的流动问题,只能用于有进口和出口的流动问题。
2.3.4周期性流动与换热
如果我们计算的流动或者热场有周期性重复,或者几何边界条件周期性重复,就形成了周期性流动。
FLUENT可以模拟两类周期性流动问题。
第一,无压降的周期性平板问题(循环边界);
第二,有压降的周期性边界导致的完全发展或周期性流向流动问题(周期性边界)。
流向周期性流动模拟的条件:
1,流动是不可压的
2,几何形状必须是周期性平移
3,如果用coupledsolver求解,则只能给定压力阶跃;
如果是Segregatedsolver,可以给定质量流率或者压力阶跃。
4,周期性流动中不能考虑进口和出口有质量差,也不考虑过程中的额外源项或者稀疏相源项。
5,只能计算进口出口没有质量流率变化的组分问题。
但不能考虑化学反应。
6,不能计算稀疏相或者多相流动问题。
如果在这过程中计算有换热问题,则还必须满足以下条件:
1,必须用segregatedsolver求解
2,热边界条件必须是给定热流率或者给定壁面温度。
对于一个具体的问题,热边界条件只能选择一个,而不能是多热边界条件问题。
对于给定温度热边界条件,所有壁面的温度必须相同(不能有变化)。
对于给定热流率边界条件,不同壁可以用不同值或曲线来模拟。
3,对于有固体区域的问题,固体区域不能跨越周期性平板。
4,热力学和输运特性(热容,热导系数,粘性系数,密度等)不能是温度的函数(所以不能模拟有化学反应流动问题)。
但输运特性(有效导热系数,有效粘性系数)可以随空间有周期性变化,因此可以对有周期性湍流输运特性不同的流动问题有模拟能力。
2.3.5计算流向周期性流动问题的步骤:
通常,可以先计算周期性流动到收敛,这时候不考虑温度场。
下一步,冻结速度场而计算温度场。
步骤如下:
1,建立周期性边界条件网格
2,输入热力学和分子输运特性参数
3,指定周期性压力梯度或者确定通过周期性边界的质量流量
4,计算周期性流动场。
求解连续,动量(湍流量)方程。
5,指定热边界条件(等温或者给定热流密度)
6,给定进口体平均温度
7,求解能量方程(其它方程不求解,只求解能量方程),得到周期性温度场。
2.3.5.1流向周期性流动理论
周期性速度定义
对于位置矢量
,周期性速度定义为:
2-17
2-18
2-19
是计算区域内周期性长度矢量。
2.3.5.2周期性流向周期压力
上面方程中压力不是周期性的,而压力降是周期性的。
即:
2-20
如果选择coupledsolver,压降
是常数;
但对Segregatedsolver方法求解,计算区域内的压力梯度可以分解为两部分:
梯度的周期性分量,
,梯度的线性变化量,
2-21
周期性压力(
)是但压力减去线性变化压力得到的值。
压力的线性变化分量
是导致一个力作用于流体的动量方程。
由于
并不能事先知道,只有通过在给定区域积分求出的流量与给定的的质量流量一致,才能确定。
在压力修正的SIMPLE,SIMPLEC和PISO运算法则中都出现
,根据计算得到的质量流量与实际流量之差得到。
2.3.5.3用Segregaedsolver求解流向周期性流动的用户设置
要计算给定质量流量或压降的空间周期性流动问题,首先要建立计算网格。
网格要求有平移周期性边界条件。
在define-periodicconditions面板上第一如下参数:
1,决定是给定质量流量还是压力梯度。
(Specifymassflow,SpecifypressureGradient)
2,给出质量流量或压力梯度。
如果你选择了给定质量流量,你也可以给出压力梯度(假定值),但不是必须的。
如果给定值合理,可以加速流动场收敛速度。
对计算结果也没有影响。
对于轴对称问题,质量流量是2
弧度的质量流量。
3,通过定义流向的X,Y,Z点来(或者二维时候的X,Y)定义流动方向。
流动方向是从初始点到指定点的方向上,该方向必须和周期性平移边界平行。
4,如果确定了质量流量,FLUENT需要计算出压力梯度
可以通过改变RelaxationFactor和NumberofIterations(压力修正方程迭代次数)或者给出估计的
用以控制计算过程,这些都在define-periodictyconditions面板上做。
用Coupledsolver方法求解周期性流动场
网格处理和前面类似,参数设置方面,需要:
1,define-boundarycondition
2,给定周期性压降
2.3.6对周期性流动问题计算过程的监视
如果是给定质量流量问题,可以在计算过程中观察压力降
(StatisticMonitorspanel)
2.3.7给定温度边界条件下的周期性传热计算
要计算周期性流动中的传热问题,必须选用Segregatedsolver方法。
对于给定壁面温度条件,现在我们假设壁面温度是常数,则温度为:
[L119]
2-22
进口体温定义为:
,积分在周期性边界的进口上(A),这里的
在计算区域的L长度上满足周期性变化条件。
2.3.8壁面温度确定周期性传热设置
1,求解能量方程(define-models-Energy)
2,给出壁面温度。
所有固体边界的温度相同,所有边界(除了周期性边界)必须用该温度的壁面封闭。
3,定义固体区域和固体温度。
固体区域内不能有热源。
4,设定流体物性(密度,热容,粘性系数,导热系数等),但不能随温度变化。
Define-Materials
5,给定周期性进口上游的进口体平均温度(不能和壁面温度相同)define-periodicconditions
有了以上设置后就可以迭代求解了。
最好的方法是先求解流场,等流场收敛后,再冻结流场只求解温度场。
再给定处温度场时,温度值在壁温与进口体平均温度之间。
可以通过监视进出口平均体温度之比
Define-statisticmonitors-per/bulk-temp-ratio
第四节,有旋与旋转流动问题
有旋流动在一些燃烧器里用以增加流体滞驻时间和驻涡,从而稳定燃烧。
旋转流动在透平机等实际过程中也应用广泛。
有旋与旋转流动问题可以分为一下5类:
1,轴对称有旋或旋转流动;
2,完全三维有旋或旋转流动;
3,一个坐标系旋转的流动;
4,多坐标系旋转流动;
5,流动需要滑移网格。
1,轴对称有旋或旋转流动
流动没有周向梯度(但可以有周向速度)。
周向动量方程为:
2-23
其中,x和r分别是轴向和径向坐标;
u,v,w分别是轴向,径向和周向速度分量。
2,三维有旋流动
如果几何形状发生变化或者周向有流动梯度,则需要用三维模拟。
对于三位问题,和解二维问题类似,没有特别的输入或者求解步骤。
但是,定义速度进口条件时候需要用柱坐标系,并且,需要在求解时渐渐增加旋转速度。
3,有旋转坐标系的流动
如果有旋转边界(螺旋桨等)必须用旋转坐标系来求解该类问题。
如果有多个旋转边界,还需要多个旋转坐标系来求解。
2.4.1有旋或旋转流动的物理概念
对于有旋流动,轴向动量(
或
)往往会导致自由涡流动。
周向速度w随半径增加而增加,在粘性力起主导作用的r
的区域,周向速度近似为零。
龙卷风就是一个很好的例子。
对于自由涡流动,流体周向运动的离心力与径向压力梯度相等:
壁面旋转驱动的流动中,
是常数
有旋流动的湍流模拟
许多流动明显具有旋流(龙卷风,旋转射流等),必须考虑选用FLUENT提供的比较高级的模型,如RNGk-
模型、可实现k-
模型或者雷诺应力模型。
具体选择哪个模型,取决于流动的旋流强度(旋流数)。
旋流数定义为轴向与周向动量比:
2-24
是水力学半径。
对于弱旋和中等旋度流动问题(S<
0.5),RNGk-
模型都比标准k-
模型更具有较好模拟结果。
对于高旋流数流动(S>
0.5),必须选用雷诺应力模型。
只有雷诺应力模型才能模拟该流动中的强的各向异性影响。
有旋流动问题的第二关键问的是边界条件问题。
因为场的模拟好坏,主要取决于采用的模型,而壁面也参与了涡旋(涡量)的产生(由于压力梯度产生的二次流或涡流),采用非平衡壁面函数可以得到比较好的模拟结果
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- fluent 中的 基本 物理 模型