Fluent流場計算的案例
基于Hypermesh前處理與Fluent、Optistruct求解器的流固耦合分析（一）流場計算
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一、概述
隨著計算科學(xué)以及數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，流固耦合或交互作用 （fluid structure coupling 或 fluid structure interaction）研究從 20 世紀(jì) 80 年代以來，受到了世界學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛 關(guān)注。流固耦合問題是流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）與固體力學(xué) （Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而生成的一門力學(xué)分支，同時也是多學(xué)科或多物理場研究的一個重要分支，它是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響這二者相互作用的一門科學(xué)。了解流固耦合對于許多產(chǎn)品的設(shè)計至關(guān)重要。如果不考慮流體與固體之間的相互影響，則會導(dǎo)致產(chǎn)品性能被過高或過低估計。
流固耦合一般分為單向耦合與雙向耦合。如果結(jié)構(gòu)變形非常小，并且可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)的變形幾乎不會對流場的各項參數(shù)產(chǎn)生影響，或產(chǎn)品本身不允許在流體的作用下發(fā)生較大的變形，這種情況下只需要先求解出流體與固體界面上的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，并將壓強(qiáng)數(shù)據(jù)傳導(dǎo)到固體的表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計算。然而，如果結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形，流體的速度和壓力場就會因此發(fā)生改變，此時我們需要將其作為雙向耦合問題進(jìn)行多物理場分析：流體流動和壓力場會影響結(jié)構(gòu)變形，而結(jié)構(gòu)變形又反過來影響流體的流動和壓力。實(shí)際工況中選擇進(jìn)行單向耦合分析還是雙向耦合分析需要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品及作用工況進(jìn)行判斷。
本文將執(zhí)行一個單向流固耦合分析流程，先在Hypermesh前處理器進(jìn)行流體域的建立和CFD網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入至Fluent求解器進(jìn)行流場計算，得到流體與固體界面的壓強(qiáng)信息，隨后將Fluent中計算得到的壓力信息映射至結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，并使用Optistruct求解器進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。
展開 將fluent計算之后的流場導(dǎo)入tecplot的方法
fluent是流場計算和分析的強(qiáng)大軟件，但是有時候，為了寫作方便以及后處理圖圖片更加美觀，往往會采用tecplot對流場進(jìn)行后處理。那么需要將fluent計算得到的流場導(dǎo)入到tecplot進(jìn)行分析。主要方法有兩種，一是在fluent中，將我們所需要的變量以tecplot的形式導(dǎo)出，二是在tecplot中直接導(dǎo)進(jìn)fluent的case文件。
下面將一一講解。
工具/原料
fluent
tecplot
方法/步驟
1
打開fluent，將計算好的文件導(dǎo)進(jìn)去，file-read-case&data,選擇.cas文件
2.點(diǎn)擊file-export
file type 選擇tecplot，并從右邊surface選擇需要的面，從functions to write選擇需要的變量。然后點(diǎn)擊write。
3.打開tecplot。
4.file-load data files,選擇tecplot data loader，選擇.dat文件，確定即可。
第二種方法，直接導(dǎo)入fluent的case文件法。
與第四步類似，file-load data files,選擇fluent data loader,如圖所示。確定之后就可以在tecplot里操作了。
展開 Fluent 護(hù)衛(wèi)艦SFS2靜態(tài)流場計算
本案例利用Fluent對護(hù)衛(wèi)艦經(jīng)典模型SFS2進(jìn)行靜態(tài)流場計算。
本文僅計算了來流速度為20.6m/s的工況，計算結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗較為接近。
1 workbench 設(shè)置
1.1 選擇流體流動（帶有Fluent 網(wǎng)格劃分功能的Fluent）
2 SCDM 設(shè)置
2.1 導(dǎo)入幾何
下圖為SFS2幾何結(jié)構(gòu)圖。
下圖為計算域幾何圖。入口為inlet，出口為outlwt。
3 FLUENT MESHING設(shè)置
采用了Fluent meshing進(jìn)行前處理，采用多面體-核心六面體的方法對體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。
4 FLUENT 設(shè)置
4.1 General設(shè)置
由于是穩(wěn)態(tài)求解問題，此處設(shè)置為穩(wěn)態(tài)計算模式。
4.2 邊界條件設(shè)置
SFS2設(shè)置為無滑移壁面，其余壁面設(shè)置free slip。
4.3 計算設(shè)置
進(jìn)行初始化，進(jìn)行200步穩(wěn)態(tài)計算。
4.4 后處理設(shè)置
對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行定義。
查看監(jiān)測點(diǎn)的速度結(jié)果并進(jìn)行轉(zhuǎn)換：速度/入口速度。其結(jié)果與大部分文獻(xiàn)的仿真結(jié)果一致
展開 2D網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為3D網(wǎng)格+fluent計算流場+fensap計算結(jié)冰全程視頻+全部文件 ￥260
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【年終系列實(shí)例EX3】基于FLUENT進(jìn)行旋風(fēng)分離器流場計算
本案例將演示如何利用FLUENT對旋風(fēng)分離器分離過程進(jìn)行CFD計算。主要使用離散相模型模擬氣固分離過程。
2 問題說明
旋風(fēng)分離器主要用于氣固分離，其利用介質(zhì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力而使介質(zhì)分離。本案例要計算的旋風(fēng)分離器網(wǎng)格模型及邊界條件如圖所示，底流口可近似采用wall邊界，在使用DPM模型過程中，設(shè)置wall為trap類型。
圖1計算網(wǎng)格及邊界條件
3 詳細(xì)設(shè)置步驟
Step 1：加載FLUENT模塊
如圖2所示，在B2單元格上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，選擇Transfer Data To New，在下級菜單中選擇Fluent，加載FLUENT模塊。
圖2加載ICEM CFD模塊
加載FLUENT模塊后的數(shù)據(jù)流程如圖3所示。
圖3加載后的數(shù)據(jù)流程
Step 2：啟動FLUENT
雙擊C2單元格，啟動FLUENT。
圖4選擇雙精度計算
Step 3：General設(shè)置
點(diǎn)擊模型樹節(jié)點(diǎn)General，如圖5所示。主要檢查網(wǎng)格質(zhì)量、模型尺寸等。
圖5 General設(shè)置
Step 4：模型設(shè)置
旋風(fēng)分離器流場涉及到強(qiáng)旋轉(zhuǎn)、各向異性湍流，目前大多數(shù)采用雷諾應(yīng)力模型進(jìn)行湍流模擬。由于雷諾應(yīng)力模型計算量大，收斂較為困難，計算時可以采用RNG K-E湍流模型，待收斂后再改用雷諾應(yīng)力模型。如圖6所示，采用RNG K-E模型及標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行計算。
圖6采用RNG湍流模型
Step 5：Materials設(shè)置
單相計算采用空氣進(jìn)行計算。默認(rèn)設(shè)置即可。
Step 6：Cell Zone Conditions設(shè)置
設(shè)置計算域介質(zhì)為air，如圖所示。
圖7計算域設(shè)置
Step 7：邊界設(shè)置
單相計算只涉及兩個邊界：入口邊界與溢流出口邊界。
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動網(wǎng)格之重疊網(wǎng)格制作單螺桿泵流場，包括全部網(wǎng)格、UDF、計算文件和fluent操作視頻教程 ￥80
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Workbench fluent風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片流場及溫度場仿真，附詳解視頻及原模型 ￥96
流體計算前處理
2. 網(wǎng)格劃分與命名選擇
2.1 網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置
雙擊mesh進(jìn)入網(wǎng)格劃分模塊，先進(jìn)行全局網(wǎng)格控制，進(jìn)入ANSYS Fluent Meshing模塊，設(shè)置全局最大尺寸為5000 mm。
局部加密葉片表面網(wǎng)格：添加“Face Sizing”，設(shè)置尺寸為300 mm。若存在負(fù)體積網(wǎng)格，需調(diào)整局部尺寸或重新劃分。
2.2 命名選擇（Named Selections）
關(guān)鍵命名組定義
Inlet：選擇流體域前端面，指定為速度入口。
Outlet：選擇流體域后端面，指定為壓力出口。
Blade：隱藏其他部件后框選所有葉片表面，指定為固定溫度邊界。
Wall：選擇風(fēng)機(jī)外表面，設(shè)為壁面。
命名沖突處理，若出現(xiàn)“Duplicate Named Selection”錯誤，需檢查名稱是否重復(fù)，并在模型樹中刪除冗余組。軟件會自動創(chuàng)建接觸，無需單獨(dú)設(shè)置即可，流場會自動識別為接觸面。
關(guān)閉該模塊進(jìn)入fluent模塊，雙擊對應(yīng)模塊即可進(jìn)入流體模塊。
3. 求解設(shè)置與邊界條件
材料屬性與求解器配置
材料庫設(shè)置，在Fluent中雙擊空氣材料（Air），可以設(shè)置對應(yīng)材料屬性。
展開 傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)流場仿真，基于fluent重疊網(wǎng)格制作（含全部幾何模型、網(wǎng)格及計算文件和全程錄屏教程） ￥200
本文針對這一難題提供了仿真方面的解決途徑，下面展示的是基于fluent重疊網(wǎng)格制作的傾轉(zhuǎn)旋翼無人機(jī)算例，內(nèi)容包含了幾何模型文件、網(wǎng)格文件和全部計算所需文件，還錄制了全程操作視頻可供學(xué)員跟著視頻逐步學(xué)習(xí)。
動力裝置傾轉(zhuǎn)過程中的網(wǎng)格運(yùn)動展示
動力裝置傾轉(zhuǎn)過程中的網(wǎng)格運(yùn)動展示
縱截面上的流線圖
縱截面速度矢量圖
全場流線
整體網(wǎng)格
致密的邊界層網(wǎng)格
全程操作錄屏
FLUENT無人機(jī)流場模擬
在Number of Time Steps填入1000，Time Step Size填入0.01，單擊Calculate開始計算。
7 結(jié)果后處理
進(jìn)入CFD-Post界面，顯示速度場云圖。
cee6b778a03069ad6fd1ef276287d6c8.mp4
OpenFOAM計算汽車流場，包含算例全部OpenFOAM計算文件 ￥15
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基于Fluent電磁流場散熱特性仿真
圖1 電磁爐散熱結(jié)構(gòu)物理模型
2.2 網(wǎng)格劃分
電磁爐內(nèi)部計算域的網(wǎng)格如圖2所示。網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，對發(fā)熱元件處的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，以提高熱傳遞的計算精度?？刂坪线m的網(wǎng)格尺寸，為計算熱傳導(dǎo)過程，需對IGBT、整流橋、線圈盤等發(fā)熱元件設(shè)置固體計算域，因此空氣與各發(fā)熱元件的對流換熱過程可采用流固耦合模型進(jìn)行計算。
圖2 電磁爐內(nèi)部計算域網(wǎng)格
2.3 流體控制方程
仿真模型基于RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes）方程。
2.4 邊界條件設(shè)置
電磁爐系統(tǒng)中共有四個熱源，分別為微晶面板上表面、線圈盤、IGBT和整流橋。微晶面板上表面的熱量主要來自鍋體，可為微晶面板上表面設(shè)置與鍋體相同的固定溫度，因此當(dāng)模擬燒水時，可設(shè)置微晶面板上表面為100℃。通過實(shí)驗測得線圈盤、IGBT和整流橋的發(fā)熱功率分別為100W、7.4W和3.3W左右，因此可為這三個發(fā)熱元件設(shè)置相應(yīng)的體熱源。樣機(jī)所用軸流風(fēng)機(jī)的型號為SF12025SM，其轉(zhuǎn)速為2500rpm，PQ性能曲線如圖3所示。為節(jié)約計算成本，縮短計算時間，可采用風(fēng)扇模型來模擬風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。發(fā)熱元件與散熱片之間以及發(fā)熱元件與空氣之間的熱傳遞過程采用耦合壁面模型進(jìn)行計算，其他可忽略熱傳遞過程的壁面，如聚風(fēng)板、導(dǎo)風(fēng)筋、外殼等，可設(shè)置為絕熱壁。風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口和電磁爐出風(fēng)口分別設(shè)置為壓力進(jìn)口和壓力出口。采用定常求解器計算傳熱及流動過程，即忽略控制方程中的時間偏導(dǎo)項，這樣計算出的溫度場和流場均為不隨時間變化的穩(wěn)定狀態(tài)。壓力與速度的耦合采用壓力耦合方程組半隱式算法（SIMPLE）來實(shí)現(xiàn)。
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【年終系列實(shí)例EX7】單相射流泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬計算
單相射流泵內(nèi)部流場數(shù)值模擬計算
1 實(shí)例說明
如圖1所示的射流泵，包括動力入口、吸入口與出口。已知泵動力入口速度1.66m/s，吸入口速度0.49m/s，出口壓力0.042MPa，研究其內(nèi)部流場分布及泵效率。
圖1射流泵計算模型
2 計算網(wǎng)格
在workbench中構(gòu)建計算流程，采用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計算流程如圖2所示。
圖2計算流程
網(wǎng)格劃分過程這里不詳細(xì)描述，建議使用ICEM CFD劃分全六面體網(wǎng)格。這里僅為演示，因此劃分四面體網(wǎng)格。劃分后的計算網(wǎng)格如圖3所示。
圖3生成計算網(wǎng)格
3 計算設(shè)置
FLUENT中的設(shè)置包括以下內(nèi)容，下面以圖形顯示各重要設(shè)置選項。
圖4采用壓力基求解
圖5采用Realizable K-E湍流模型
圖6添加工作介質(zhì)為water-liquid
圖7設(shè)置計算域中介質(zhì)為water-liquid
圖8設(shè)置動力入口邊界條件為速度入口，設(shè)置速度1.66m/s
圖9設(shè)置吸入口速度0.49m/s
圖10設(shè)置出口邊界壓力0.042MPa
圖11壓力速度耦合采用Coupled算法
圖12初始化求解
圖13設(shè)置迭代500步
4 計算結(jié)果分析
4.1 各種物理量查看
圖 14速度云圖
圖 15壓力云圖
4.2 效率計算
定義射流泵效率計算方式：
式中，q3為吸入口流量，P2為出口壓力，P3為吸入口壓力， q1為動力液入口流量，P1為動力入口壓力。
圖 16質(zhì)量流量統(tǒng)計
查看各邊界質(zhì)量流量，如圖16可知，q1=3.24kg/s，q2=4.46kg/s，q3=1.227kg/s。
展開 精通fluent6.3 流場分析
http://pan.baidu.com/s/1o6maD42 希望對大家有用
