Fluent阻力分析的案例
三十五、Fluent阻力系數問題
</strong><strong style="color: rgb(0, 0, 0);">阻力系數定義</strong></p><p> </p><p>阻力系數：阻力系數常表示為Cd是流體力學中的無因次量，用來表示物體在流體（例如水或是空氣）中的阻力。阻力系數和物體的形狀及其表面特性有關。 </p><p><br></p><p> <img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/8tJMdLVYZy8NTEtykZR0mUibicGOJJTcpmMHTkdu1BpAst9QMLxmWbFC4uWHU1jET6r5gtgVH9s181MVyYz29RvQ/640?wx_fmt=png" width="122" style=""> </p><p>式中，</p><p>Cd：阻力系數</p><p>F ：阻力（阻力與來流速度方向相同）</p><p>pd ：動壓，pd=ρv*v/2 (ρ為空氣密度，v為氣流相對于物體的流速）</p><p>A ：參考面積（飛機一般選取機翼面積為參考面積）</p><p><br></p><p><br></p><p>在fluent幫助文件中，The force coefficient is defined as force divided by 1/2ρv2A，where ρ，v，A and are the density，velocity，and area。fluent中的定義與上述定義相同。</p><p><br></p><p>阻力及阻力系數有方向之分，為流動主流方向，其他方向的阻力很小。設置時需要指定阻力及阻力系數的方向。</p><p><br></p><p><strong>2.
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關于Fluent設定相關參考值來監視升力或阻力的體會
要求身邊有以下2本書：《fluent-流體過程仿真計算實例與分析》和《fluent入門與進階教程》。
本次講座針對《fluent-流體過程仿真計算實例與分析》中的第二章，第三節（P92）二維船舶行駛阻力特性數值模擬來探究在流體計算中監測升力和阻力的設定。
設置參考值的意義：設置參考值是對作用在計算模型上的力等物理量進行無量綱化，得到無量綱化的物理量，使得計算結果后處理相對簡單。
閱讀熟知此章節計算過程和后續的力學分析內容，針對P112內容。
1.1從本書例子中可知，船體所受到的動升力為45712.522（P111），反過頭來看升力系數的監測曲線，發現在27s時候，動升力系數達到了穩定的狀態，變化很小。通過手動測試，此對應的數值為3.5左右。先且認為是3.5，至于具體值還請大家在通過該模型來計算.
1.2.fluent中升力系數定義為
，這里公式的意思就不詳細說了，大家都知道。關鍵也就是L的設定。
1.3在P107中，作者設定的參考值是密度1000，速度為5，那么升力監測系數中分母的計算值為12500×L（可以參考P108）。
1.4，由于fluent升力報告中，船體的動升力為45712.522，那么，45712.522/12500=3.657.發現，這與升力監測系數幾乎相一致，那么，也可以說升力監測系數中分母L為1，同時，反過來在檢查下fluent中參考值的設定，默認的特征長度L=1，但是，就本節的例子來說，船體的特征長度肯定不是1。
因此，可以認為在2維計算模型中，參考值中的默認特征長度沒有必要一定設定為我們物理模型的特征長度。后面也會對此有個解釋。
展開 【AICFD案例操作】潛艇阻力AI預測分析
圖5-2 結果預測
2）求解結果更新及導入
雙擊樹節點 報告> 力，設置方向參數，選取區域面列表中hull，單擊應用，讀取升阻力數據。
圖5-3 數據讀取
圖5-4 數據查看
3）結果對比
① 在進行預測計算之前， 可以先進行原始工況的計算，然后和預測后的結果進行比對；
② 升阻力，壁面壓力和中心截面速度對比。
表1 升阻力數據對比
表2 壁面壓力對比
表3 中心截面速度對比
① 單擊菜單欄 后處理>云圖，選取位置和變量參數，設置等級參數，點擊應用，讀取潛艇表面壓力云圖；
② 壁面壓力云圖對比。
圖5-5 原始工況
圖5-6 預測結果
① 單擊菜單欄 后處理> 面，創建中心截面, 然后單擊菜單欄 后處理> 云圖，查看流場中心截面速度分布云圖，點擊應用，讀取中心截面速度分布圖；
② 中心截面速度云圖對比。
圖5-7 原始工況
圖5-8 預測結果
展開 船舶阻力CFD模擬分析 ?
FLUENT具有強大多相流技術
FLUENT標準模塊中還包括許多的多相流模型，其中VOF模型（Volume of Fluid）可以用于對界面的預測比較感興趣的自由表面流動，如海浪、船舶自由液面。Mixture混合相模型下的汽蝕模型已被證實可以很好的應用到水翼艇、船用螺旋槳的空化模擬。
FLUENT具有強大的動網格技術
FLUENT軟件的六自由度動網格技術主要用于計算運動壁面邊界問題，即計算邊界發生位移形變的問題，邊界的形變過程可以是已知的，也可以是取決于內部流場變化的。在計算前首先要給定體網格的初始定義，在邊界發生形變后，其內部網格的重新劃分是在FLUENT內部自動完成的，而邊界的形變過程即可以用邊界函數來定義，也可以用UDF函數來定義。
該技術常用于船舶在非均勻來流如波浪作用下的6自由度運動（含有船舶晃蕩），船舶在水面或水下的回轉運動等。
FLUENT具有單、雙向流固耦合及參數化技術
該技術可以用于船舶球鼻艏、舵、螺旋槳槳葉、軸套等構件的流固耦合分析，目前已經有相當多的船舶客戶開始對船舶的球鼻艏及槳葉進行雙向耦合仿真分析。
另外，FLUENT被集成在Workbench平臺下后，能方便地對模型、網格尺寸、邊界條件等進行參數化分析，能大大提高船舶在初步設計過程中會涉及到的大量系列設計、相似設計的工作效率，即客戶只需要計算一種工況，模型或邊界條件修改后的工況，軟件會自動求解并輸出多工況的仿真計算結果。
除了參數化功能外，FLUENT軟件還可以結合Workbench平臺下DX優化模塊，能方便地實現優化分析，即優化船舶來流速度或者攻角，尋找船舶受到的最小阻力。
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自升式海洋平臺拖航阻力計算分析
表1 不同規范拖航阻力計算環境條件
1.1 國內規范算法
目前國內關于拖航阻力的計算模型主要是CCS《海上拖航指南(2011)》算法，該指南的相關公式是目前國內拖航阻力的主要依據，也是海上平臺拖航前獲得海事部門許可的計算依據.摩擦阻力、剩余阻力和風阻力的計算公式[2]如下：
Rf=1.67A1V1.83×10-3
Rb=0.147δA2V1.74+0.15V
R2=0.5ρV2ΣCsAi10-3
其中：Rf為摩擦阻力，Rb為剩余阻力，R2為風阻力，A1為水下濕表面積，A2為迎流面積，V為拖速，δ為方形系數，Ai為受風面積，Cs為受風面積Ai的形狀系數；各個阻力的單位為kN.
中國船級社《海上設施拖航檢驗須知》在《海上拖航指南(2011)》算法的基礎上，規定了波浪阻力的計算公式：
Rw=12VSw2B(δ/L)1.5 kN
其中：Rw為波浪阻力，Sw為波高，B為船寬，L為船長.
1.2 各主流船級社拖航阻力公式
DNV船級社沒有直接針對拖航過程的阻力公式，但規范中有關于拖航中平臺受到的風阻力公式和波流力計算的簡單公式以及水動力學推薦算法，水動力學計算需要用專門的水動力學軟件進行計算.
相比風阻力公式，波浪阻力更難求解.在不規則海洋中，波浪引起的載荷可以通過規則波分量的荷載線性疊加得到，在規則入射波中分析大體積結構稱為頻域分析.假設處于穩定狀態，忽略所有瞬態效應，結構的載荷和動力響應與入射波的頻率相同，或在前進速度下與遭遇波的頻率相同，呈諧波振動.
在線性分析中，流體力學問題通常分為兩個子問題.
展開 某廠脫硫塔整體系統阻力分析 ￥15
項目簡介
某廠脫硫系統采用石灰石-石膏濕法，采用出口直排鋼煙囪，系統不設增壓風機，脫硫系統阻力由窯尾風機克服，風機位于系統前端，脫硫系統正壓運行。運行一段時間后，系統在滿負荷運行中出現阻力大的情況，現場分析可能為二級除霧器結垢，即除霧器葉片表面被漿液或顆粒物覆蓋，造成氣流通道變窄，但在停機后檢查，二級除霧器并無結垢現象，也無堵塞。因此分析為工況滿負荷后，煙氣量超過設計煙氣量，造成二級除霧器流速過大，阻力上升，這僅為推測，為驗證這一推測。對脫硫系統建立三維模型做CFD流場分析，判斷運行阻力異常的原因。
建立模型
根據圖紙建立三維模型如下：
三維模型
注：模型中托盤、噴淋層、超凈除霧器層均做簡化處理。
計算參數及邊界設置
塔入口煙氣壓力1500Pa；塔入口煙氣溫度155℃；塔入口煙氣量716840℃
根據上述表格數據設置邊界參數如下：
入口：速度入口（velocity-inlet），20.13m/s
出口：壓力出口（pressure-outlet），0Pa
壁面：無滑移邊界條件，標準壁面函數，對流散熱系數5W/m2·K。
流體屬性：飽和濕空氣，其物性（密度、粘度和比熱等）由UDF定義，隨煙氣溫度變化，忽略液滴/液膜對氣相流場的反作用。
傳熱設置：以塔體內噴淋域的吸熱反應來模擬漿液與煙氣的傳熱。
考慮到煙囪內產生旋流，湍流模型采用realizable k-e模型，湍流流場的計算采用有限體積法離散控制方程，算法采用Simple算法，對流項采用一階迎風格式。
結果及分析
脫硫塔的模擬運行結果如下：
展開 關于某除塵項目進口阻力超大的模擬分析及結果方案 ￥15
對比如下：
主管道測點（i1）
進氣口測點（i2）
阻力
實測數據
-1650
-2850
1200
模擬數據
777
34
743
磨停狀態阻力差別較大，考慮氣體走磨停路徑有管道漏風現象，經現場檢查確實在磨停管道兩個測量點間找到漏風點，現場修補了漏風處。
通過對比分析，我們找到了阻力過大的位置，在該處增加分流、導流措施，分析降阻效果，結果如下：
脫硝塔氣流均布及阻力CFD模擬分析
監測面打點圖
3、 計算結果及分析
3.1 原始結構
原脫硝塔模擬運行狀態如下：
監測面的速度云圖
整體速度流線圖
監測面的速度相對標準偏差Sr
監測面的速度入射角度
分析：監測面的速度相對標準偏差Sr=65.82%，不滿足判定標準要求，且速度入射角嚴重偏大，速度角度偏大會造成局部催化劑磨損，應該對該處的速度入射角進行調整，從而滿足判定標準要求。
3.2 添加導流板
調整導流板后脫硝塔模擬運行結果如下：
監測面的速度云圖
速度流線圖
監測面的速度相對標準偏差Sr
監測面的速度入射角度值
分析：通過導流板的均流及對高速氣流的擴散作用，計算結果速度相對標準偏差Sr及速度入射角度都滿足判定標準要求。
3.3阻力控制
脫硝塔進出口煙道，其阻力模擬如下：
進口管道：160Pa（包含進口煙道與原煙道對接處局部阻力）
出口管道：248Pa（包含出口煙道與原煙道對接處局部阻力）
4、 結論
綜上所述，在管道及進氣口處添加導流板后，監測面位置的氣流均布效果已達到要求，速度相對標準偏差Sr=6.63%<15%，最大速度入射角小于10°，可以有效的避免催化劑積灰及氣流對催化劑的磨損。
展開 除塵器改造氣流均布性及阻力分析案例介紹 ￥50
針對袋除塵器運行阻力過高的流場分析 ￥20
目前中控顯示運行阻力較高，經分析除塵器結構，問題可能出現在以下幾點：
1.來自磨機和增濕塔的煙氣匯合流入匯風箱，導致除塵器進口煙氣分布不均。
2.且來自磨機的煙氣管道與主管道成直角相貫，導致進口段阻力較高。
3.灰斗進口管道最小斷面處風速過高，導致設備阻力升高。
現通過模擬磨開和磨停兩種情況，并就以上問題通過添加導流及改造灰斗進氣管道的方式對設備內流場進行優化，降低設備阻力。
二、計算模型及邊界條件
2.1 計算模型建立
四川峨邊窯尾袋改袋除塵器三維模型如下：
原始方案三維模型
改造方案三維模型
袋室流量監測面位置示意
2.2 邊界條件
計算參數如下，原始方案總煙氣量為510000m3/h，改造方案下煙氣量為530000m3/h，煙氣溫度150℃，分別計算磨開（假設磨機與增濕塔煙氣流量比為1:1）以及磨停兩種情況。進口邊界條件為速度進口，進口速度為見下表。出口邊界條件為壓力出口，壓力值為0Pa。湍流模型采用標準k-ε模型，壁面函數為標準壁面函數，固壁面設置為無滑移壁面。濾袋表面設定為多孔跳躍邊界。
計算結果及分析
3.1 原始方案
3.1.1 磨停
磨停狀態下，氣流從增濕塔流入，設備模擬運行狀態如下：
速度流線圖
除塵器進口截面(int2)速度云圖
灰斗進氣口截面速度云圖
濾袋表面風速
從流線圖中能夠看出，在原始方案下，由于缺少導流措施，氣流在從增濕塔進入匯風箱后主要集中在匯風箱底部，致使除塵器進口氣流分布極其不均勻，int2截面最大風速達到了26.3m/s。同時由于灰斗進氣煙道存在收縮斷面，會使局部氣流速度增大，導致壓力損失增大，仿真結果表明，灰斗進氣煙道內的最大風速達到了23.1m/s。
展開 自主仿真|基于PERA SIM Fluid的高速列車氣動阻力分析
圖7 邊界條件設置界面
1.4 物理模型及求解器設置
湍流模型使用SST k-ω模型；壓力速度耦合算法選擇SIMPLE，對流項空間離散格式選擇MUSCLPLUS格式；收斂的殘差標準默認10e-3；采用標準初始化方法，初始速度和壓力均為0；創建阻力和阻力系數監測。
圖8 湍流模型設置界面
圖9 求解器設置界面
2.計算結果分析
計算迭代500步之后趨于穩定。
圖10 收斂曲線
將PERA SIM Fluid計算結果與成熟商用CFD軟件計算結果對比，兩款軟件計算的流場分布趨勢基本一致，總阻力偏差約為2.78%。
表1 計算結果對比
PERA SIM Fluid提供了豐富的后處理工具，可以創建切面/切片、等值面、云圖、矢量圖、流線圖、曲線、圖表、動畫等圖形對象，還具有場變量積分運算功能。
流線：
截面速度場對比：
表面壓力場對比：
3.結論
本文基于PERA SIM Fluid通用流體分析軟件，分析了高速列車的氣動特性，實現了幾何模型處理、網格劃分、材料參數設置、模型和邊界條件設置、求解設置、計算以及結果后處理的完整分析流程，驗證了PERA SIM Fluid強大的前后處理功能以及求解器穩健快速的收斂特性，并與成熟的商用CFD軟件計算結果對比，流場結果分布基本一致，氣動阻力的相對偏差小于3%，計算精度高。
作者：沈陽安世亞太科技有限公司 王鑫鑫
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案例解析|滑雪運動員空氣阻力分析
在大多數情況下，分離會增加阻力。
另外可以觀測流線聚合和擴散 (流線的疏密程度)。由于小于0.3馬赫的空氣被認為是不可壓縮的，所以當流域截面變窄時，空氣速度增大。由于幾何形狀/橫截面的變化，空氣的加速和減速可能再次產生阻力。通過平滑這些幾何/截面的變化，可以減緩速度的變化，從而減少阻力。
橫向和縱向流線如下圖所示：
縱向流線（a）
縱向流線（b）
縱向流線（c）
縱向流線（d）
橫向流線（a）
橫向流線（b）
噪聲分析
噪聲仿真分析是一門先進的工程技術，且分析過程較為復雜及分析費用昂貴。因此，通過引入了更簡單的模型(“聲學類比”)來獲得局部噪聲產生的粗略估計，已達到判斷噪音源及優化設計，顯得更經濟實用。
為了減少設計中的噪聲產生，可通過下圖查找“噪聲云”的來源。一般情況下，噪音是在氣流受到干擾的位置下游產生的。平滑表面、避免空腔和外延部件可以有效減少噪音的產生。
展開 某鋼廠雙列式金屬濾袋除塵器系統工藝管路阻力及流場模擬分析 ￥20
<p class="ql-align-center"><br></p><p class="ql-align-justify"><strong>一、項目簡介</strong></p><p>某鋼廠雙列式金屬濾袋除塵器，除塵器前端管道布置路線復雜且彎頭較多，可能造成運行阻力較大；進氣方式為灰斗進氣，且進口管道處有彎頭，可能會對袋室內煙氣流場均勻性產生不利影響；為保證設備的穩定運行，需通過CFD對袋除塵器運行狀態進行模擬，并添加合適的導流板，以確保濾袋底部間隙風速、濾袋表面風速、灰斗壁面溫度以及阻力均能滿足運行要求。
展開 Moldex3D模流分析之快速設定不同成型階段的接口熱傳阻力
為了簡化冷卻分析，我們往往會假設完美接觸，也就是假設相鄰的物體之間沒有熱傳阻力。然而從微觀角度來看，實際的物體之間必然存在間隙而形成熱傳阻力。此外，高分子材料與模具單元接觸的情況可能隨著成型過程不斷改變且十分復雜。
有鑒于此，Moldex3D Studio提供熱傳系數(HTC)邊界條件(BC)設定工具，協助用戶考慮接口的熱傳阻力。Moldex3D熱傳系數精靈提供友善且方便的流程，幫助用戶輕松設定各種材料、接觸壓力、粗糙度或是間隙大小的接口熱傳系數。同時使用者也可以根據分析需求，獨立設定不同成型階段的熱傳系數。
步驟 1：開始
準備一個分析模型，生成實體網格后執行最終檢察，或是匯入一個實體網格文件(MFE)。點擊邊界條件頁簽中的熱傳系數圖標，喚起設定精靈，并指定邊界條件數據名稱。
備注：eDesign網格模型不支持熱傳系數邊界條件。
步驟 2：指定熱傳系數邊界條件位置
選取網格模型的表面元素，指定熱傳系數邊界條件作用的位置。使用復數選取功能(按住Shift鍵)和擴散選取功能，可更有效率的指定邊界條件作用的表面元素。選取模式在建立新的邊界條件時預設為啟用，使用者可以點擊選取圖標關閉或再次啟用選取模式。
備注：點擊選取旁邊的設定(齒輪圖標)，可以控制擴散選取的參數。
備注：建立快速冷卻網格時，熱傳系數邊界條件只會作用在產品和嵌件之間的表面。
步驟 3：設定熱傳系數量值
在熱傳系數設定中，模內、脫模、退火三個成型階段的設定分別支持不同類型的分析程序。勾選需要的階段啟用并設定合適的熱傳系數，以調整選取表面網格的熱傳阻力。取消勾選的階段，根據接口的種類和對應的分析程序，會使用原本的默認值。
備注：熱傳系數邊界條件不支持標準版翹曲分析。
展開 [案例分析]STARCCM+入門系列之——船舶阻力預測模擬
1、問題描述本案例演示船舶阻力預測模擬的工作流程。船體置于虛擬拖曳試驗池中，模型如下：
2、軟件設置
（1）選擇物理模型；使用 K-Epsilon 湍流模型和分離流求解器來求解瞬態雷諾平均納維－斯托克斯方程。在激活流體域體積(VOF) 模型后，選擇VOF波，來設置水面初始波的數據。物理模型的選擇如下：
（2）定義歐拉相；在連續體continuum中，右鍵單擊Models > EulerianMultiphase > Eulerian Phases 節點，創建新相，把新相命名為H2O，在H2O節點選擇液體和恒密度模型。同樣的方式設置空氣相，選擇氣體和恒密度模型，定義完的歐拉相如下：
（3）設置VOF波；在模擬期間，自由表面水位隨時間的變化而變化。 STAR-CCM+ 提供可讓您指定波初始條件和邊界條件的 VOF波模型。此處，在靜水中拖曳船。右鍵單擊Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves> Waves，選擇New > Flat，在出現的Flat Vof Wave 1節點設置流和風的速度；設置完Flat Vof Wave 1的屬性如下：
（4）設置初始條件；設置壓力、速度和體積分數的初始條件。
（5）阻尼波反射；在流動阻力模擬時發生波反射。波反射有兩個來源：一是來自邊界的波反射，二是由于突兀的網格過渡造成的波反射，為了避免這些波反射與真正的波場相互作用，從而導致結果無效。STAR-CCM+提供了 VOF 波阻尼功能。
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