動量源的案例
三十八、Fluent融化凝固模型參數設置依據
wx_fmt=jpeg" width="100%"> </p><p><br></p><p><strong>3.2 動量方程</strong></p><p><br></p><p>前文提到了融化凝固模型將糊狀區域（部分凝固區域）視為多孔介質。每個單元中的孔隙率設置為等于該單元中的液體分數。在完全凝固的區域中，孔隙率等于 0，流體速度為0。動量源項如下：</p><p><br></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/8tJMdLVYZy9PS7YGOK13P6cCoOib5JlHszlDpBTNLBQprviafMPGLErarSicib0C4ZrqXbs5a0ibewVAMMlUNyDje1A/640?wx_fmt=jpeg" width="100%"> </p><p>Fluent使用添加動量源項的方式來模擬融化或凝固過程的流動狀態</p><p><br></p><p><br></p><p>數學主要介紹能量方程和動量方程，讓大家對融化凝固模型的內部機理有一定的了解，詳細的可查看Fluent幫助文檔，里面詳細還介紹了湍流方程及組分輸運方程。</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p><br></p><p>微信公眾號：Fluent學習筆記，歡迎大家關注，可免費獲取文章的cas及dat文件和更多幫助文件</p><p><br></p><p><br></p><p><br></p>
展開 接fluent流固耦合，氣液，氣固兩相流，pbm氣泡碰撞，破
接fluent流固耦合，氣液，氣固兩相流，pbm氣泡碰撞，破碎，pbm顆粒碰撞長大，udf碰撞機理，動量源，質量源，能量源，顆粒壁面吸附，初始化溫度場，流場相關udf等。
多學科統一的多體動力學建模方法
廣義動量源包括：機械平移運動的動量、機械轉動的角動量和電學系統的磁鏈。
下表給出了廣義運動元變量和廣義作用源變量的對應關系。
系統組成
將機械系統和電學系統中構件根據在系統中對能量的作用分為
（1）能量儲存元件。表示為理想感元和理想容元。
（2）能量耗散元件。表示為理想耗元。
（3）能量轉換元件。表示為理想換能元。
（4）能量源。能量源為系統提供能量。表示為理想能量源。
其中能量轉換元件，如電學系統中的變壓器，機械系統的齒輪組。
1.理想感元
在機械平移運動中，質量為理想感元。在機械轉動中，轉動慣量為理想感元。在電學系統中，電感為理想感元。
2.理想容元
在機械平移運動中，彈簧為理想容元。在機械轉動中，扭轉彈簧為理想容元。在電學系統中，電容為理想容元。
3.理想耗元
在機械平移機構中的阻尼器為理性耗元，例如輪胎的阻尼。機械轉動中的轉動阻尼為理性耗元。電學系統中的電阻為理性的耗元。
4.能量源
（1）理想能量源
包括機械平移運動的力，機械轉動的力矩，電學系統中的電壓源和電流源。
（2）受控能量源
機械系統中的摩擦便是一種受控能量源，因為摩擦是相對運動速度的函數，電學系統中的二極管、三極管、MOSFET也是一種受控能量源，是電流的函數，這一類元件可以放在一起建模分析。
下面給出機電系統的變量對應關系表，如下表所示。
拉格朗日方程
拉格朗日方程可以分為第一類拉格朗日方程和第二類拉格朗日方程。
展開 CFX中質量源項的加載
在電磁流計算中，往往需要將電磁場的計算結果電磁力的分布加載在流場計算域內；或者需要單獨加載某區域內的質量源。首先需要將電磁力處理成CFX用戶程序可識別的CSV格式文件，導入到CFX中，然后設置子域動量源，數據會按照插分方法分布到各個位置上。
以下是CFX可識別文件的格式。
[Name]
djz
[Spatial Fields]
X, Y, Z
[Data]
X [ m ], Y [ m ], Z [ m ], Force X [ N/m^3 ], Force Y [ N/m^3 ], Force Z [ N/m^3 ]
,,,,,
,,,,,
這些數據CFX軟件通過采用“點云圖”的方法來實現插分。整個過程包括對被插分點最近的三個原始數據點的快速定位，以及根據它們離被插分點距離遠近的一個反向加權的平均過程。在求解過程當中，根據離散和數值積分過程的具體要求，求解器需要各個不同位置上的值，比如在積分點上，節點上和各個面的中心點上。在所有的情況下，這個需要的位置都會被確定，原始的數據就會被插分到該位置。
展開 
ANSYS-CFX 12 Multi-Configuration and Remeshing Capabilities
而且，對于螺桿泵、齒輪泵這種特殊的泵體運動，ANSYS CFX開發了獨特的浸入固體方法（immersed solids）不需要任何網格變形或重構，采用施加動量源項的方法來模擬固體在流體中的任意運動。基于以上兩種動網格策略，用戶可以方便地解決任意復雜的動網格問題。
CFX_Vel.rar
這是CFX 12新增的動網格功能。這里我想描述一下Multi-Configuration and Remeshing 的功能。下面是一個帶彈簧的活塞1自由度運動，當壓力大于彈簧力時，活塞上移，活塞一開始處于封閉狀態的，這也是目前CFD網格技術的瓶頸，但是CFX12 在處理這種問題上獨辟蹊徑，采用多構型和網格重劃分結合的辦法有效解決這一難題。
這是網格運動，可以看出來，CFX12 采用了三種方式的網格分別描述 活塞貼壁，活塞距離壁很近，和活塞遠離壁面時的運動狀態，分別稱作seated unseated 。
這是CFX12 Remesh設置的部分，外部調用了ICEMCFD進行網格重新劃分，可以靈活控制復雜構型，而且不會產生負體積，可以采用大的時間步長。這也是一種全新的動網格思路，和Fluent的求解過程中Remesh方法遙相呼應。
這是整個設置的界面，可以看出，CFX12先求解seated狀態下的流動，然后過渡到unseated狀態下求解，分別采用了兩套網格。
mesh.rar
展開 干貨 | ANSYS Fluent多孔介質模型簡介
若采用詳細的模型結構及網格劃分處理，則會因為過多的網格數目而使計算量非常大，不能滿足工程上的實際需求，而多孔介質模型實質上是將多孔介質區域結合了以經驗假設為主的流動阻力，即動量源項。
圖1 多孔介質模型的應用
ANSYS Fluent中可將所需區域設定為多孔介質模型（見圖2），在cell zone conditions中勾選porous zone（通常認為在多孔介質模型內由于阻力原因，流動狀況為層流，故而同時勾選laminar zone）。在其界面中，可設置方向、粘性阻力系數、慣性阻力系數以及孔隙率等參數。其中粘性阻力系數及慣性阻力系數可通過多種方式確定其具體數值，如試驗法（風速及壓降的曲線擬合）、Ergun方程法、經驗方程法等等。
圖2 ANSYS Fluent中多孔介質模型的設置界面
通過一個簡單的仿真案例進行描述：一個用于汽車尾氣凈化的催化劑裝置，其中類似蜂窩結構的區域可認為是多孔區域模型（見圖3）。在ANSYS Fluent中設置求解器、材料、多孔區域、邊界條件等，初始化后進行仿真計算（多孔介質問題的初始化應采用standard initialization，見圖4）。結構后處理中可得到結構內部的速度場、壓力場結果（見圖5）
圖3 汽車尾氣凈化器流動仿真
圖4 ANSYS Fluent初始化界面
圖5 不同截面的速度場云圖、壓力場云圖及壓力曲線
展開 活塞運動的流固耦合模擬
而且，對于螺桿泵、齒輪泵這種特殊的泵體運動，ANSYS CFX開發了獨特的浸入固體方法（immersed solids）不需要任何網格變形或重構，采用施加動量源項的方法來模擬固體在流體中的任意運動。基于以上兩種動網格策略，用戶可以方便地解決任意復雜的動網格問題。這是CFX 12新增的動網格功能。這里我想描述一下Multi-Configuration and
Remeshing 的功能。下面是一個帶彈簧的活塞1自由度運動，當壓力大于彈簧力時，活塞上移，活塞一開始處于封閉狀態的，這也是目前CFD網格技術的瓶頸，但是CFX12 在處理這種問題上獨辟蹊徑，采用多構型和網格重劃分結合的辦法有效解決這一難題。
下面我們會開始模擬這個過程。在CFD中無法模擬閥由完全關閉到開啟的過程，因為這個過程需要由面網格拉伸出體網格才可以實現，在CFX中我們可以通過Multi-Configuration來實現這個過程，而閥一旦開啟后，剩下的即可通過remeshing功能來不斷改善網格輕松模擬出來。
我們需要準備2套網格和2個ICEM的rpl文件，2套網格分別用于閥關閉和開啟2種模擬，而2個rpl文件用來進行結果網格和非結果網格的remeshing。
展開 STAR-CCM+在風扇仿真中PQ與MRF域方法對比
2.2.2 MRF 域方法
MRF 域通過穩態方法進行風扇模擬，該方法需要扇葉詳細的CAD 數據，需將旋轉區域單獨分割，與其他區域進行interface 連接，其網格并非真實運動，通過旋轉坐標系體現風扇旋轉區域的效果，把動量源加載到葉片轉動所掃過區域的網格。
3 風扇單體試驗及仿真對比
在風洞試驗臺上進行單體試驗，使用“定靜壓”的方式測量風量，設定靜壓值，PID 儀表讀取當前靜壓，調節輔助風機風量，使當前靜壓值達到設定值，靜壓穩定后，計算出測試風機的風量。
在2300rpm工況下，將PQ、MRF 域方法采用定流量的仿真值與風扇單體試驗結果進行對比，如圖2：
風扇在轉速2300rpm下，MRF 域方法靜壓為0、40、80Pa時仿真精度較高，隨著壓力增加，誤差逐漸增大。采用MRF 域仿真誤差整體大于PQ 方法，風扇模型精度及MRF域旋轉區域的建立方式都是造成誤差的原因。PQ 方法輸入試驗測得的PQ 曲線，軟件通過插值法得到工作點的數據，導致0Pa 誤差大，但中間數值誤差很小。PQ 方法擺脫了對扇葉形狀的依賴，試驗PQ 數據足夠精確時，精度高于MRF域方法。
4 PQ 與MRF 域機艙流場分析
圖3（a）和（b）分別為PQ和MRF 域仿真60kph 機艙風扇后流線示意圖。PQ 仿真，提升通過interface 面流體的壓升，流體方向軸向平行流出，如圖3（a）。MRF 域仿真，旋轉區域內流場受扇葉影響，在扇葉區域風速高，遠離扇葉區域風速低，風扇出口流體與水平方向呈一定夾角，且流動呈螺旋狀趨勢，如圖3（b），此流動狀態與理論較為符合。
展開 二十、多孔介質模型案例
</strong></p><p><strong style="color: rgb(0, 0, 0);"> </strong></p><p><span style="background-color: rgb(0, 255, 255); color: rgb(0, 0, 0);">Viscous Resistance：</span></p><p><strong>多孔介質模型主要是對流動阻力產生影響，因此其會在動量方程中添加動量源項來充當阻力。</strong></p><p><strong>x方向上的動量源項為下圖，第一項為粘性損失項，第二項為慣性損失項。y方向和z方向同理，當為各向異性時，各方向上的粘性阻力系數可互不相同，慣性阻力系數也可不同。</strong></p><p> </p><p>Viscous Resistance表示粘性阻力系數，方向1表示<em>D</em><sub>u</sub>，方向2表示<em>D</em><sub>v</sub>(y方向粘性阻力系數)，方向3表示<em>D</em><sub>w</sub>(z方向粘性阻力系數)</p><p class="ql-align-center"><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> </span></p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZyibC1zkzEHg1l7NRBsiar1Xc38fOnqfvfM09tSLh0A2amtc1x4icxFEZAjdiaibNNsRCJmib08DnLORRc8g/640?
展開 Fluent UDF的功能應用、數據結構、語言邏輯及常見例子等講解分析（含詳細視頻教程）
源項: 可以通過UDF定義能量源、動量源或質量源等，模擬復雜的物理和化學反應。
4. 初始化條件: UDF可以用于設置計算的初始條件，確保仿真從合適的初態開始。
5. 調節和調整: UDF允許在每次仿真迭代中對流體域內的變量進行調整或修改，以滿足特定的計算需求。
3. UDF的實現步驟
1. 編寫UDF代碼: 使用C語言編寫包含特定功能的UDF代碼。
2. 編譯和加載: 將UDF代碼編譯成可執行文件，并在Fluent中加載該文件。
3. 關聯和調用: 在Fluent中將UDF與特定的邊界條件、材料屬性或源項關聯，并在仿真過程中調用。
4. 常見的UDF宏函數
DEFINE_PROFILE: 用于定義邊界條件。
DEFINE_PROPERTY: 用于定義材料屬性。
DEFINE_SOURCE: 用于定義源項。
DEFINE_INIT: 用于設置初始條件。
DEFINE_ADJUST: 用于在每次迭代時調整計算域內的變量。
DEFINE_EXECUTE_AT_END: 用于在結束時執行特定操作。
DEFINE_ON_DEMAND: 用于手動執行某些操作。
5. UDF的數據結構和語言邏輯
5.1 數據結構:
Domain: 在UDF中，Domain表示計算流體力學問題需要計算的空間區域，包括需要建立數值網格的幾何區域和這些區域的邊界條件。Domain包含大量的信息，如計算單元、網格數據等。
Thread: Thread代表Fluent中的一個計算單元，可以是網格單元、邊界或面。通過Thread，可以訪問和修改該計算單元內的數據。
展開 Simdroid-EC助力控制柜高效散熱設計
風扇散熱屬于強迫對流換熱的一種，其本質是以風扇作為動量源，強化流-固接觸面的對流換熱效應，高效帶走固體表面的熱量，以達到控制溫升、提高元器件熱可靠性的效果。</p><p><strong>伏圖-電子散熱模塊（Simdroid-EC）</strong>能夠為各種非標部署形式的控制柜建立系統級的熱模型，詳細模擬系統表面的溫升、內部器件的溫升、空氣或其他散熱介質的流動情況，并針對各種復雜工況開展熱分析與優化，保障熱設計方案安全達標。</p><p> </p><p class="ql-align-center"><strong>Simdroid-EC功能亮點</strong></p><p>Simdroid-EC是基于伏圖（Simdroid）平臺開發的針對電子元器件、設備等散熱的專用熱仿真模塊，提供傳熱分析、流場分析以及穩態&瞬態分析功能，能夠進行自然冷卻、強迫冷卻及混合冷卻分析，同時具備變化功耗和變化環境的瞬態分析能力，適用于控制柜散熱設計評估。</p><p>本文通過某IP67等級的密閉控制柜熱設計案例來說明Simdroid-EC的功能亮點。</p><p><strong>1. 智能元件建模</strong></p><p>通過Simdroid-EC導入接口，配合軟件內置的<strong>智能元件轉換與建模功能</strong>，可以為控制柜建立等效熱模型，并清理掉對本次熱分析影響極小的折彎角、安裝孔等結構。利用“軸流風扇”智能元件，可以快速搭建機柜內的散熱風扇模型，大幅提高建模效率。
展開 
FLUENT室內排煙模擬
在Source Terms選項卡中，設置X Momentum動量源項為80n/m3。
（2）在Operating Conditions對話框中，勾選Specified Operating Density。
設置邊界條件
（1）單擊主菜單中Physics→Zones→Boundaries按鈕啟動的邊界條件面板。
（2）在邊界條件面板中，設置smoke彈出邊界條件設置對話框。Mass Flow Rate輸入0.1。在Thermal選項卡中，Temperature輸入1200。在Species選項卡中，h2o輸入0.65，co2輸入0.35，單擊OK按鈕確認退出。
（3）在邊界條件面板中，設置internal_fan，邊界類型設置為fan。Pressure Jump選擇為constant，填入500，單擊OK按鈕確認退出。
展開 二十六、多孔介質模型(二)-催化器
wx_fmt=png"></p><p><br></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">多孔介質模型主要是對流動阻力產生影響，因此其會在動量方程中添加動量源項來充當阻力。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">x方向上的動量源項為下圖，第一項為粘性損失項，第二項為慣性損失項。y方向和z方向同理，當為各向異性時，各方向上的粘性阻力系數可互不相同，慣性阻力系數也可不同。</span></p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy90XetJsV6GHXdkFx9icJZE1Xs1Px8vppia7jeoW85hia1ZRr82qvEMTnWbuKOicLCsGuVYqxAapo7oNg/640?
展開 FLUENT圓柱擾流敏感性計算
（2）動量源敏感度分析
單擊主菜單中Postprocessing→Graphics→Contours→Edit按鈕，彈出Contours（云圖）對話框。選擇Sensitivities和Sensitivity to Body Force X-Component (Cell Values)，單擊Display按鈕顯示云圖。
（3）形狀敏感度分析
單擊主菜單中Postprocessing→Graphics→Vectors→Edit按鈕，彈出Vectors（矢量圖）對話框。在Vectors of中選擇Sensitivity to Shape，在Color by中選擇Sensitivities和Sensitivity to Mass Sources (Cell Values) ，在Surfaces中選擇wall，單擊Display按鈕顯示矢量圖。
（4）導出拖曳力敏感度數據
單擊主菜單中Design→Adjoint-Based→Design Tool按鈕，彈出Design Tool（設計工具）面板。
在Region選項卡中， 單擊Get Bounds按鈕，彈出Bounding Box Definition對話框，選擇wall，單擊OK按鈕確定。
6、計算升力敏感性
（1）在Manage Adjoint Observables（管理觀察值）面板中，Observable Names選擇force-lift，對應在Sensitivity Orientation中選擇Maximize。
（2）單擊主菜單中Design→Adjoint-Based→Calculate按鈕，彈出Adjoint Run Calculation（伴隨開始計算）面板，單擊Initialize按鈕進行初始化，單擊Calculate按鈕開始計算。
展開 基于改進體積力法的導管螺旋槳水動力性能數值研究
宋長江等[13]采用葉素理論，對類似于水下導管螺旋槳的空氣涵道尾槳開展了動量源法CFD分析，結果顯示槳的推力值與試驗值基本吻合。
當前，有關體積力法的改進研究層出，但聚焦于水下導管螺旋槳體積力法適用性及改進方法的研究較少。探究適用于導管螺旋槳的體積力法有利于在保證宏觀運動精度的前提下提高水下航行器操縱運動模擬的效率。為解決傳統體積力法在導管螺旋槳中的適用局限性問題，將首先基于機翼理論分析導管螺旋槳水動力模擬失真的原因，然后提出質量流量修正和分布修正這2種修正方法，最后在敞水和艇后這2種工況下探究2種體積力分布形式的模擬精度，并對改進的螺旋槳體積力模型進行數值驗證，用以為搭配導管螺旋槳的水下航行器高效、準確的動態操縱性仿真奠定基礎。
1 數值模擬方法
本文采用RANS方法和STAR-CCM+平臺求解器開展基于體積力法的導管螺旋槳水動力性能研究。
1.1控制方程
對于三維定常、不可壓縮的黏性流場，流體滿足連續性方程和動量守恒方程：
式中：，(i，j=1，2，3)為坐標分量；，(i，j=1，2，3)為速度分量時均值；為流體密度；p為壓力時均值；，分別為重力加速度和自定義單位質量力在方向的分量；為雷諾應力項；為動力黏性系數。雷諾平均應力張量采用經典的渦黏假設，并表達成Boussinsq建議的形式：
式中：為湍流渦黏度；k為單位質量流體的湍流脈動動能；為克羅內克函數。采用適合進行潛艇操縱性數值計算的兩方程模型，即剪切應力運輸（shear-stresstransport，SST）湍流模型封閉RANS方程，該模型對于附著邊界層湍流和適度分離湍流均有著較高的計算精度[14]。湍動能k和單位耗散率的運輸方程以及其中各參數的定義與取值參見文獻[15-16]。
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