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
?
一、概述
隨著計算科學以及數值分析方法的不斷發展，流固耦合或交互作用 （fluid structure coupling 或 fluid structure interaction）研究從 20 世紀 80 年代以來，受到了世界學術界和工業界的廣泛 關注。流固耦合問題是流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）與固體力學 （Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而生成的一門力學分支，同時也是多學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。了解流固耦合對于許多產品的設計至關重要。如果不考慮流體與固體之間的相互影響，則會導致產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。如果結構變形非常小，并且可以認為結構的變形幾乎不會對流場的各項參數產生影響，或產品本身不允許在流體的作用下發生較大的變形，這種情況下只需要先求解出流體與固體界面上的壓強數據，并將壓強數據傳導到固體的表面進行結構力學計算。然而，如果結構發生大變形，流體的速度和壓力場就會因此發生改變，此時我們需要將其作為雙向耦合問題進行多物理場分析：流體流動和壓力場會影響結構變形，而結構變形又反過來影響流體的流動和壓力。實際工況中選擇進行單向耦合分析還是雙向耦合分析需要根據實際產品及作用工況進行判斷。
本文將執行一個單向流固耦合分析流程，先在Hypermesh前處理器進行流體域的建立和CFD網格劃分，然后導入至Fluent求解器進行流場計算，得到流體與固體界面的壓強信息，隨后將Fluent中計算得到的壓力信息映射至結構網格上，并使用Optistruct求解器進行結構力學分析。
展開 【8月29-9月1日 北京】流-熱-固多場耦合問題的高效穩定數值計算方法與工程應用實例
內容大綱
模塊
主要內容
流體力學和CFD基本理論
1、流體與流動基本特性
2、流體運動建模方法
3、流體運動方程
4、湍流模擬方法
① 直接模擬
②雷諾平均法
③大渦模擬
④湍流模型
⑤亞格子渦黏模型
5、流體方程的求解方法
傳熱學基本理論
1、傳熱的基本控制方程
2、傳熱分析常用的符號與單位
3、基本量與導出量
4、材料參數
5、傳熱的方式
6、Fluent與Mechanical傳熱分析對比
工程案例-1：FLUENT與Mechanical的熱傳導計算對比
有限元基本理論
1、彈性力學基本方程
2、有限元基本原理
3、靜力有限元控制方程
4、動力有限元控制方程
流-熱-固耦合
分析簡介
1、流-熱-固耦合問題簡介
2、流-熱-固耦合問題的分類
3、流-熱-固耦合數值計算的基本流程
穩態流熱
耦合計算
1、穩態流熱耦合簡介
2、穩態流場計算原理
3、固體穩態傳熱計算原理
4、穩態流熱耦合分析系統
5、計算模型與網格
6、流場計算設置
7、穩態傳熱計算設置
8、后處理技術
工程案例-1：T型管道中熱流對金屬管道壁的傳熱分析
瞬態流熱
耦合計算
1、瞬態流熱耦合簡介
2、瞬態流場計算原理
3、固體瞬態傳熱計算原理
4、瞬態流熱耦合分析系統
5、流場計算設置
6、固體傳熱計算設置
7、后處理技術
工程實例-1：裝有變溫流水的管道與管外熱空氣和管內流水的瞬態熱交換過程模擬
展開 STAR-CCM+流場計算--pdf電子書 ￥5
STAR-CCM+流場計算--pdf電子書 懂得都懂 不逼逼
目錄如下
Fluent 護衛艦SFS2靜態流場計算
本案例利用Fluent對護衛艦經典模型SFS2進行靜態流場計算。
本文僅計算了來流速度為20.6m/s的工況，計算結果與相關實驗較為接近。
1 workbench 設置
1.1 選擇流體流動（帶有Fluent 網格劃分功能的Fluent）
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
下圖為SFS2幾何結構圖。
下圖為計算域幾何圖。入口為inlet，出口為outlwt。
3 FLUENT MESHING設置
采用了Fluent meshing進行前處理，采用多面體-核心六面體的方法對體網格進行劃分。
4 FLUENT 設置
4.1 General設置
由于是穩態求解問題，此處設置為穩態計算模式。
4.2 邊界條件設置
SFS2設置為無滑移壁面，其余壁面設置free slip。
4.3 計算設置
進行初始化，進行200步穩態計算。
4.4 后處理設置
對監測點進行定義。
查看監測點的速度結果并進行轉換：速度/入口速度。其結果與大部分文獻的仿真結果一致
展開 
將fluent計算之后的流場導入tecplot的方法
fluent是流場計算和分析的強大軟件，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對流場進行后處理。那么需要將fluent計算得到的流場導入到tecplot進行分析。主要方法有兩種，一是在fluent中，將我們所需要的變量以tecplot的形式導出，二是在tecplot中直接導進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，將計算好的文件導進去，file-read-case&data,選擇.cas文件
2.點擊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 DLR-F6翼身組合體流場計算報告
4.4 力系數
(a) 升力系數
(b) 阻力系數
圖7升阻力系數計算結果與試驗結果對比
圖7展示了稀網格計算的升阻力系數曲線與試驗結果的對比，計算結果與試驗結果符合較好。
5.結論
（1）采用SU2計算了DLR-F6翼身組合體流場，計算得到的壓力分布曲線、物面極限流線和試驗結果符合一致，表明SU2具備模擬DLR-F6等復雜外形流場的能力。
（2）在DLR-F6翼身組合體算例中，SA和SST湍流模型計算結果幾乎重合，兩種湍流模型都能較好地模擬DLR-F6流場。稀網格和密網格計算結果十分接近，僅在激波附近存在較小差異。
展開 Comsol開關柜溫度-濕度-流場耦合計算
因此研究開關柜溫度-濕度-流場特性顯得尤為重要。
Ps:因不法商家瘋狂盜取本公眾號截圖，對工作室造成了不良影響，因此文章選圖皆做水印處理，為此給大家帶來不便敬請諒解。
2. 物理模型
據實體 CAD 設計圖紙，選擇直接在Comsol自帶的建模軟件繪制開關柜三維模型，開關柜內部結構模型如圖 2所示。
模型中各部分結構材料均可在材料庫中直接添加使用。仿真計算還需設置材料密度、恒壓熱容、導熱系數和動力粘度等參數，為了計算結果的準確性，以上參數均從相關資料以現有實驗數據中獲得，如圖3所示。
圖2. 計算模型
圖3. 材料參數設置
3. 物理場邊界條件
溫度場和流體場仿真需要設置相應的邊界條件，其中溫度場需要設置濕空氣、流入邊界溫度、流出邊界、熱源、熱通量以及輻射散熱邊界，流場設置入口和出口邊界，溫度場和流場之間的耦合關系為非等溫流。詳細物理場邊界條件及場路耦合模型設置如圖4所示。
圖4. 物理場邊界條件
網格剖分質量是影響計算過程收斂性和計算結果準確性的關鍵因素，網格剖分質量越高，計算結果的準確性也越高，但過于精細的剖分單元對計算機的要求越苛刻，因此，在仿真計算中對流體邊界進行網格加密，其他部分在保持計算結果準確性的前提下，選擇適當的剖分精度。網格剖分分布如圖5所示。
圖5. 計算模型網格和質量分布圖
4. 結果展示
模型采用穩態分離式求解器進行求解，通過計算得到開關柜溫度、濕度、速度和壓力等結果分布如下所示。
圖6. 溫度分布
圖7. 濕度分布
圖8. 速度場分布
圖9. 流線分布
圖10.
展開 [案例分析]基于SU2的DLR-F6翼身組合體流場計算
可以看到，兩種模型的計算的壓力分布曲線幾乎重合，且與試驗結果符合較好。表明兩種湍流模型都能較好地模擬M6機翼流場。
4.3 稀網格和密網格壓力分布
Z/b=0.239
Z/b=0.331
Z/b=0.411
Z/b=0.847
圖 5 DLR-F6表面壓力分布稀網格和密網格計算結果對比
圖5展示了稀網格和密網格計算的DLR-F6翼身組合體表面壓力分布，采用的湍流模型為SA模型。稀網格和密網格計算結果十分接近，僅在激波附近存在較小差異。
4.3 油流結果
圖 6 M6機翼表面壓力分布稀網格和密網格計算結果對比
油流試驗僅在帶短艙的模型上進行。為了與油流結果對比，本文采用SU2計算了帶短艙的DLR-F6構型流場。圖6展示了機翼表面摩檫力線與油流圖片融合顯示的結果。從圖中可以看出，計算得到的外側機翼尾緣分離區和翼身連接處的分離區均與試驗符合較好。
5.結論
（1）采用SU2計算了DLR-F6翼身組合體流場，計算得到的壓力分布曲線、物面極限流線和試驗結果符合一致，表明SU2具備模擬DLR-F6等復雜外形流場的能力。
（2）在DLR-F6翼身組合體算例中，SA和SST湍流模型計算結果幾乎重合，兩種湍流模型都能較好地模擬DLR-F6流場。稀網格和密網格計算結果十分接近，僅在激波附近存在較小差異。
本文轉自知乎專欄：SU2：學習與應用，原帖地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/61281032，感謝原作者，對作者其他文章感興趣，歡迎關注：
展開 [案例分析]基于SU2的M6機翼流場計算報告
5.3 湍流模型影響
(a) Z/b=0.20
(b)Z/b=0.44
(c) Z/b=0.65
(d)Z/b=0.80
(e) Z/b=0.90
(f) Z/b=0.95
(g)Z/b=0.99
圖6 M6機翼表面壓力分布SA模型和SST模型計算結果對比
圖6展示了SU2求解器分別采用SA模型和SST模型計算的M6機翼表面壓力分布（Ma=0.84，AoA=3.06°）?？梢钥吹?，兩種模型的計算結果幾乎重合，僅在激波間斷區域附近有較小差異，表明兩種湍流模型都能較好地模擬M6機翼流場。
6.結論
（1）SU2采用偽時間步方法求解定常可壓縮問題，能夠采用較大的CFL數，求解效率高，能夠滿足工程應用需求。而OpenFOAM則顯式時間推進格式影響，計算效率低。
（2）增加網格密度，有助于提高激波分辨率，改善計算結果精度。
（3）SA湍流模型和SST湍流模型都能較好地模擬M6機翼流場。
展開 案例解析|某外X形流場計算報告(“外X形”替換為“搗蛋”)
圖4展示了10°攻角外X形流場的空間渦結構及及表面壓力分布。
【ANSYS Discovery 常見問題解答】設置旋轉壁面后無法計算流場
Discovery Live可以順利計算內外流場，但設置旋轉壁面后就無法計算了，這是什么原因呢？顯卡8G，GPU也僅占用了30%，（這就很難受了，只能計算設定好進出口的流場，而通過旋轉機械產生的流場就計算不了，那設計旋轉壁面干嘛的？無法進行旋轉機械流場仿真嗎？）
【年終系列實例EX7】單相射流泵內部流場數值模擬計算
單相射流泵內部流場數值模擬計算
1 實例說明
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，研究其內部流場分布及泵效率。
圖1射流泵計算模型
2 計算網格
在workbench中構建計算流程，采用ICEM CFD進行網格劃分。計算流程如圖2所示。
圖2計算流程
網格劃分過程這里不詳細描述，建議使用ICEM CFD劃分全六面體網格。這里僅為演示，因此劃分四面體網格。劃分后的計算網格如圖3所示。
圖3生成計算網格
3 計算設置
FLUENT中的設置包括以下內容，下面以圖形顯示各重要設置選項。
圖4采用壓力基求解
圖5采用Realizable K-E湍流模型
圖6添加工作介質為water-liquid
圖7設置計算域中介質為water-liquid
圖8設置動力入口邊界條件為速度入口，設置速度1.66m/s
圖9設置吸入口速度0.49m/s
圖10設置出口邊界壓力0.042MPa
圖11壓力速度耦合采用Coupled算法
圖12初始化求解
圖13設置迭代500步
4 計算結果分析
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質量流量統計
查看各邊界質量流量，如圖16可知，q1=3.24kg/s，q2=4.46kg/s，q3=1.227kg/s。
展開 [案例分析]基于SU2的RAE2822超臨界翼型流場計算
圖 2 RAE2822翼型計算網格
3.SU2求解器設置
3.1 流場求解cfg文件設置
下面以馬赫數為0.729、攻角為2.31°、湍流模型為SST的計算工況為例，介紹RAE2822算例的參數設置。
30P30N多段翼流場計算報告
可以看到，SA、SST模型計算的壓力分布在壓力面（迎風面、正壓區）與試驗結果符合較好，而在吸力面（背風面、負壓區）與試驗結果存在一定差異。兩種湍流模型相比，SA模型比SST模型更加接近試驗結果。
4.2 網格密度影響
圖5：30P30N多段翼壓力分布不同網格密度計算結果對比
圖5展示了SU2求解器分別采用不同網格密度計算的30P30N多段翼表面壓力分布，湍流模型為SA模型。可以看到，隨著網格密度的增加，背風面負壓峰值不斷升高，也越來越接近試驗結果。該計算結果表明，30P30N多段翼算例對計算網格的密度較為敏感。采用L4網格和SA湍流模型計算的30P30N多段翼壓力分布與試驗結果基本符合。
5.結論
（1）采用SU2求解器計算了30P30N多段翼流場（Ma=0.20 AoA=16°Rec=9.0×106），計算結果與試驗結果基本符合，表明SU2能夠較好地模擬30P30N等二維復雜外形流場。
（2）計算結果表明，湍流模型和網格密度對30P30N算例計算結果都有一定的影響。采用高密度網格和SA模型能更好地模擬背風區流動，獲得與試驗更加接近的結果。
展開 基于CFX計算的離心壓縮機整級全流道流場分析
本文充分考慮了離心壓縮機設計過程中的多個影響因素，建立離心壓縮機整級全流道流體動力學分析模型，包括密封間隙和輪盤輪蓋兩側間隙內的流場區域，計算分析離心壓縮機內部一次流及二次流流場分布。通過該模型，分析二次流對一次流的干擾作用，并且根據葉輪兩側間隙內的流場，分析間隙內的壓力分布，更準確的計算葉輪的氣動推力。本文成果可為改進離心壓縮機設計和優化壓縮機性能，提高運行效率及穩定性提供技術基礎。
[關鍵詞]離心壓縮機 整級 數值模擬 二次流
1 引言
隨著計算機及數值計算技術的發展，計算流體動力學（CFD）已經廣泛應用于葉輪機械的研發過程中。數值模擬的方法將理論分析與試驗研究聯系在一起，以其獨特的優勢逐漸成為研究壓縮機內部流體流動的重要手段。
目前國內很多離心壓縮機制造和研究單位都運用了 CFD 技術，建立了離心壓縮機內部流場模型 [1,2]，甚至有學者采用 CFD 技術對多級離心壓縮機的內部流動進行了數值模擬 [3]。朱明正 [4]采用 CFD 技術設計葉輪葉片形狀，通過對葉輪流道的計算分析優化葉形的設計。陳宗華 [5]運用 CFD 技術對離心式壓縮機徑向進氣室的結構形狀進行了優化設計。王維民 [6]在壓縮機軸向推力研究中，建立了葉輪間隙和迷宮密封的整體模型，考慮了葉輪兩側密封對軸向推力的影響。也有學者對用于離心壓縮機的多種密封形式進行了對比研究，分析不同密封形式對轉子的動力學特性的影響,但是以上分析的流場的入口邊界條件往往只是假設，尤其是流體的入口周向速度無法準確確定，限制了分析的精確性。
在以往的研究中，分析模型往往都忽略了葉輪兩側的間隙和密封部位，焦點集中在主流道內流場的分布以提高機器的效率。但是近年來，由于二次流對轉子的激勵作用導致的軸向推力過大，或氣流激振導致的轉子失穩，嚴重制約了壓縮機向高端化發展的進程 [7]。
展開 