浮力流的案例
OpenFOAM高級共軛傳熱仿真教程（英文+字幕+案例） ￥10
課程結(jié)束后，學員將具備獨立搭建、運行及分析高級傳熱與浮力流仿真的能力，能夠優(yōu)化求解器設置、處理多區(qū)域耦合問題，并在科研與工程應用中遵循 OpenFOAM 最佳實踐流程。
適用人群
1. 希望提升熱仿真與浮力驅(qū)動流仿真技能的工程師與科研人員。
2. 尋求通過 OpenFOAM 開展傳熱與多物理場耦合仿真實踐經(jīng)驗的 CFD 從業(yè)者。
3. 機械工程、航空航天工程、化學工程或土木工程專業(yè)的學生，希望掌握熱傳導、熱對流、熱輻射及共軛傳熱的實用知識。
4. 從事熱管理、暖通空調(diào)（HVAC）、能源系統(tǒng)或流固耦合領域工作，計劃將 OpenFOAM 仿真技術(shù)應用于實際項目的專業(yè)人士。
5. 對多區(qū)域仿真、熱源項設置及有限面積法（FA）等高級數(shù)值方法感興趣的學習者。
6. 愿意通過分步學習掌握 OpenFOAM 工作流，并能夠復現(xiàn)、定制仿真算例的人群。
展開 煙囪效應：浮力驅(qū)動流
很多燃燒裝置，例如火電廠鍋爐（圖1，圖2）、家庭中的壁爐（圖3），甚至是火鍋（圖4），都配有煙囪用于排放煙氣。
圖1 內(nèi)蒙古托克托火電廠的煙囪。
（https://max.book118.com/html/2016/0509/42407472.shtm）
圖2 火電廠示意圖。
（http://www.electricaleasy.com/2015/08/thermal-power-plant.html）
圖3 家用壁爐及其煙囪的構(gòu)造。
（http://heatshieldchimney.com/smoke-chamber-repair/）
圖4 滿族烏拉火鍋。有著很長很長的煙囪。（http://blog.sina.com.cn/s/blog_49bc95ac010007x8.html）
煙囪通常都做得很高。世界上最高的煙囪是哈薩克斯坦埃基巴斯圖茲GRES-2火電廠的煙囪，高達420米（圖5）。
圖5 哈薩克斯坦埃基巴斯圖茲GRES-2火電廠的煙囪高達420米，是世界上最高的煙囪。
（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GRES-2.jpg）
為什么煙囪要做得這么高呢？這是由煙囪的工作原理決定的（圖6）。我們知道，靜止流體中的壓強等于流體密度ρ、重力加速度g以及深度h三者的乘積：
p=p0+ρgh （1）
式中的p0為參考點（即h=0處）的壓強。
在煙囪頂部出口處，煙囪內(nèi)、外的壓強是相等的。圖6中標出的數(shù)值是一個高度300m的煙囪的近似數(shù)值，在煙囪頂部出口處，壓強約為97kPa。以這個位置為參考點（即認為這個地方h=0），則p0=97kPa。如果從參考點向下移動，則壓強會增加，具體增加多少則按照公式（1
展開 LS-DYNA流固耦合--模擬靜水壓力、浮力、無板造波技術(shù)等的課程說明 ￥250
1、*INITIAL_HYDROSTATIC_ALE
2、*ALE_AMBIENT_HYDROSTATIC
3、*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL
4、*INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY
5、方向向量的創(chuàng)建
6、流固耦合關鍵字
7、曲線的函數(shù)表示方式
8、S-ALE創(chuàng)建方法及關鍵字的使用
讓你掌握又一種方式的流固耦合分析，并且對浮力、水壓力不可忽略的類似仿真得心應手，并且會在課程中介紹無板造波等相關知識
(轉(zhuǎn)帖)用ICEM CFD建立CFX例題模型：有隔空腔中的浮力流
1.
初次按照ICEM CFD例題4.3.1中生成網(wǎng)格時，沒有生成block，
只是先劃分面網(wǎng)格，后來extrude mesh，接著生成了一系列的Subsets，
導入CFX5.7時出錯：
ERROR
There was a problem importing the mesh from the requested file.
The importing process reported the following problem:
Unable to import mesh: Insufficient memory to 3D region.
后來用CFX 10.0 導入就沒有問題了，但CFX 5.7讀入CFX 10.0的定義文件*.cfx
時也出錯了：
ERROR
CCL validation failed with message:
Can't call method "allowAnyObject" on an undefined value
at C:\CFX\CFX-5.7\lib\ccl/CCL/Validate/Object.pm line 295.
WARNING
There was an inconsistency between the state of Pre
and the gtm database.
The following objects have been added:
/ASSEMBLY:Assembly
因此 CFX 10.0計算時應該注意。
同時CFX 10.0導入后沒有相應的面(2D_region可以用來生成邊界條件)
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
2.
上面問題已經(jīng)解決
在 ICEM CFD 中
展開 
CFD理論|Reynolds平均法(RANS)-<2>
有學者從RSM出發(fā)，建立代數(shù)應力模型（Algebraic stress model，ASM）或稱為擴展模型，其包含以下幾點假設：
忽略分子擴散項和不考慮浮力流；
局部平衡：產(chǎn)生項=耗散項；
應力對流項與應力擴散項、湍動能對流項、湍動能擴散項差別不大。
在ASM中，雷諾應力是通過代數(shù)方程式而不是用微分方程來求解的，大大減少了計算工作量。代數(shù)方程可以用兩種方式考慮：
（1）假設應力微分方程中對流項與擴散項近似相等；
（2）雷諾應力的對流和擴散項正比于湍動能的對流與擴散項。
現(xiàn)以第一種簡化方式為例，給出ASM的代數(shù)應力方程：
ASM模型可以模擬出與浮力及旋流效應有關的各項異性湍流的基本特征，同時與RSM模型相比大大削減了方程數(shù)目，應用比RSM方便。與模型（僅需求解2個方程）相比，無論是ASM或RSM的計算量及計算復雜度都大大增加；并且，對每一種雷諾應力和通量分量也不易規(guī)定邊界條件；此外對于壓力應變項的模擬尚有爭議。上面的缺點就是雷諾應力模型迄今尚未廣泛應用的原因。
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文章截圖：
展開 CFD理論|Reynolds平均法(RANS)-<1>
混合長度理論直觀簡單，可以成功預測射流、邊界層、管流的湍流運動，許多實際問題中的不是常數(shù)，所以在實際工程中很少使用。
一方程模型
零方程模型中，湍動粘度和混合長度 把Reynolds應力和平均速度梯度相聯(lián)系，忽略了對流和擴散的影響。為了彌補混合長度假定的局限性，在湍流的時均連續(xù)方程和Reynolds方程的基礎上,建立湍動能k的輸運方程，把表示為k的方程，使方程組封閉：
從左至右，方程中各項分別為瞬態(tài)項、對流項、擴散項、產(chǎn)生項、耗散項。可以證明，忽略對流擴散時，一方程模型可以化為混合長度理論。復雜問題用一方程仍很困難，所以只是過渡性理論。
兩方程模型
一方程模型考慮了湍動能對流項及擴散項對湍流輸運過程的影響，采用 來表示湍動粘度。但在一方程模型中特征長度仍需要當?shù)亓鲃訝顟B(tài)的函數(shù)（一般是代數(shù)式），沒有考慮對流及擴散對l的影響，因此對于復雜流動求解存在困難。
在一方程模型的基礎上，再增加一個以為因變量的控制方程，或用 ( 渦頻率= ), (脈動渦量)，(耗散率)的控制方程來使方程封閉。目前工程上最常用的是 雙方程湍流模型。
對不可壓縮流體的N-S兩邊求偏導數(shù) ，兩邊乘上因子 ，并假設湍流耗散各向同性，則可以得到湍動能耗散率方程:
從左往右，第一項時間項，第二項對流項，第三項湍流擴散項，第四項分子擴散項，第五項產(chǎn)生項，第六項耗散項。其中還需要對其中一些項進行處理，采用布辛尼斯克假設思想，令：
則耗散項為:
產(chǎn)生項：
式中， 是脈動動能耗散率擴散的Prandtl常數(shù)， 為實驗常數(shù)。的微分方程可表示為：
模型可以成功預測無浮力的平面射流、平壁邊界層、管流、無旋或弱旋等流動。但對強旋流動、浮力流、低Re流動等預測存在較大誤差，需要修正，這里不作展開。
展開 CFD商業(yè)軟件綜合介紹
Fluent5.4——基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的通用CFD求解器，針對非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格模型設計，是用有限元法求解不可壓縮流及中度可壓縮流流場問題的CFD軟件。可應用的范圍有紊流、熱傳、化學反應、混合、旋轉(zhuǎn)流（rotating
flow）及震波（shocks）等。在渦輪機及推進系統(tǒng)分析都有相當優(yōu)秀的結(jié)果，并且對模型的快速建立及shocks處的格點調(diào)適都有相當好的效果。
Fidap——基于有限元方法的通用CFD求解器，為一專門解決科學及工程上有關流體力學傳質(zhì)及傳熱等問題的分析軟件，是全球第一套使用有限元法于CFD領域的軟件，其應用的范圍有一般流體的流場、自由表面的問題、紊流、非牛頓流流場、熱傳、化學反應等等。
FIDAP本身含有完整的前后處理系統(tǒng)及流場數(shù)值分析系統(tǒng)。 對問題整個研究的程序，數(shù)據(jù)輸入與輸出的協(xié)調(diào)及應用均極有效率。
Polyflow——針對粘彈性流動的專用CFD求解器，用有限元法仿真聚合物加工的CFD軟件，主要應用于塑料射出成形機，擠型機和吹瓶機的模具設計。
Mixsim——針對攪拌混合問題的專用CFD軟件，是一個專業(yè)化的前處理器，可建立攪拌槽及混合槽的幾何模型，不需要一般計算流力軟件的冗長學習過程。它的圖形人機接口和組件數(shù)據(jù)庫，讓工程師直接設定或挑選攪拌槽大小、底部形狀、折流板之配置，葉輪的型式等等。MixSim隨即自動產(chǎn)生3維網(wǎng)絡，并啟動FLUENT做后續(xù)的模擬分析。
Icepak——專用的熱控分析CFD軟件，專門仿真電子電機系統(tǒng)內(nèi)部氣流，溫度分布的CFD分析軟件乇鶚欽攵韻低車納⑷任侍庾鞣掄娣治觶逵贍？
展開 CFD商業(yè)軟件綜合介紹
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flow）及震波（shocks）等。在渦輪機及推進系統(tǒng)分析都有相當優(yōu)秀的結(jié)果，并且對模型的快速建立及shocks處的格點調(diào)適都有相當好的效果。
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FIDAP本身含有完整的前后處理系統(tǒng)及流場數(shù)值分析系統(tǒng)。 對問題整個研究的程序，數(shù)據(jù)輸入與輸出的協(xié)調(diào)及應用均極有效率。
Polyflow——針對粘彈性流動的專用CFD求解器，用有限元法仿真聚合物加工的CFD軟件，主要應用于塑料射出成形機，擠型機和吹瓶機的模具設計。
Mixsim——針對攪拌混合問題的專用CFD軟件，是一個專業(yè)化的前處理器，可建立攪拌槽及混合槽的幾何模型，不需要一般計算流力軟件的冗長學習過程。它的圖形人機接口和組件數(shù)據(jù)庫，讓工程師直接設定或挑選攪拌槽大小、底部形狀、折流板之配置，葉輪的型式等等。MixSim隨即自動產(chǎn)生3維網(wǎng)絡，并啟動FLUENT做后續(xù)的模擬分析。
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展開 CFD理論|壁面函數(shù)
有壓力梯度和大的體積力、低雷諾數(shù)和高速三維流動問題不合適
非平衡壁面函數(shù)
考慮壓力梯度，可以計算分離、再附著以及撞擊問題
對于低雷諾數(shù)問題，有較強壓力梯度和強體積力問題不適合
增強壁面處理
不依賴壁面法則，適用復雜流動，低雷諾數(shù)流動
網(wǎng)格要求密，計算量大
壁面函數(shù)也有不適用的場景：
（1）低雷諾數(shù)效應和近壁面效應（小縫出流、高粘性低速流動等）；
（2）通過壁面的大量沸騰；
（3）大壓力梯度下導致的邊界層分離；
（4）強體積力（旋轉(zhuǎn)圓盤附近的流動、浮力驅(qū)動流）；
（5）近壁區(qū)三維流動（ekman螺旋流動、高度歪斜的3D邊界層）
若模型中出現(xiàn)以上的情況，則必須使用近壁模型。
微信公眾號：CFD控
知乎號：CFD控制
文章截圖：
展開 【CAE案例】空氣噴泉實驗中氣體分層破壞現(xiàn)象的數(shù)值研究
這個結(jié)果驗證了CFD通用仿真軟件中的浮力驅(qū)動流模型和混合氣體模型，為后續(xù)計算奠定了良好的基礎。通過網(wǎng)格尺寸靈敏度試驗，得到了數(shù)值模擬的最佳參數(shù)和網(wǎng)格。最終計算結(jié)果顯示了空氣噴泉氣體分層破壞現(xiàn)象的過程。一開始，空氣直接注入到氣體分層區(qū)。注入后，流動由浮力和分子擴散驅(qū)動。6個位置的密度的最大相對誤差均小于3%，同時也驗證了CFD通用仿真軟件在模擬類似現(xiàn)象上的準確性。
格物云CAE
一款國產(chǎn)可控云端仿真平臺，結(jié)構(gòu)、流體、水動力仿真軟件場景化模塊化，支持多格式網(wǎng)格導入(.med、.inp、.cdb、.cgns等)和高性能并行計算，降低CAE使用門檻，拓展CAE應用范圍，加速工業(yè)企業(yè)研發(fā)制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型。平臺支持云端CAE仿真生成工業(yè)APP，構(gòu)建完全交互式仿真社區(qū)，快速實現(xiàn)行業(yè)通用經(jīng)驗軟件化。
一鍵登錄，開啟仿真！
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展開 CFD在海上平臺方位設計中的應用
進行排煙CFD計算所采用的物理參數(shù)如下：
穩(wěn)態(tài)計算
realizable k-epsilon湍流模型
多組分氣體模型
考慮重力及浮力驅(qū)動流
CFD分析步驟
CFD計算分析主要按照以下步驟進行：
步驟1：模擬工況包括16組方向和2組風速
步驟2：計算直升機甲板每種工況的排煙影響
步驟3：計算經(jīng)過平臺的平均風速
步驟4：計算平臺上的風寒
步驟5：確定救生艇漂移碰撞概率
步驟6：將所有的計算結(jié)果與風和海流的概率分布相結(jié)合，綜合各項優(yōu)化設計指標，折衷得出最佳平臺方位。
歡迎關注微信公眾號：南流坊
【CAE案例】橄欖廢料燃燒鍋爐飛灰沉積的仿真模擬
在整個橄欖油渣燃燒爐計算域中都將考慮不同組分的氣體因密度差異而產(chǎn)生的浮力驅(qū)動流。
爐排區(qū)域（左）和熔爐區(qū)域（右）
對于整個橄欖油渣燃燒爐的模擬通過以下步驟實現(xiàn)：
基于橄欖油渣的燃料特性，首先對爐排區(qū)域進行求解，以獲得此區(qū)域的初始溫度、速度、氣體組分和粒子組成；
將爐排區(qū)域的計算結(jié)果作為熔爐區(qū)域的一部分入口條件，在熔爐區(qū)域計算由橄欖油渣產(chǎn)生的可燃氣體的燃燒反應；
使用熔爐區(qū)域計算的結(jié)果重新計算步驟1，經(jīng)過反復迭代，直到爐排區(qū)域的傳出輻射熱通量和熔爐區(qū)域的傳入輻射熱通量之間差距可以忽略為止；
通過步驟3獲取整個生物質(zhì)燃燒爐的流場，根據(jù)橄欖油渣的燃料特性，在凍結(jié)的流場中注入一定量的具有相應體積和重量的拉格朗日粒子，模擬飛灰，在燃燒爐壁面上設置對飛灰的吸附沉積效果，實現(xiàn)對于橄欖油渣燃燒爐中的飛灰沉積過程。
03
仿真模擬
下圖展示了code_saturne仿真計算得出的在橄欖油渣鍋爐當中溫度場和速度場的云圖。
（a）橄欖油渣鍋爐當中溫度場云圖 （b）橄欖油渣鍋爐當中速度場云圖
采用拉格朗日粒子跟蹤方法模擬飛灰的沉積，如下圖所示：
（c）橄欖油渣鍋爐粉狀燃料粒子跟蹤圖
根據(jù)模擬結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)飛灰在爐排區(qū)域產(chǎn)生之后，在流場的作用下被攜帶至熔爐區(qū)域，并沉積在熔爐底部。
展開 〖轉(zhuǎn)帖〗CFX常見問題與對策
CFX-Visualise
基于世界著名的AVSTM三維圖形數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)；
高效的圖形可視化工具，如：
消隱和光照的三維透視圖；
任意變量的彩色三維等值面圖；
動畫顯示的彩色三維流線和粒子軌跡圖；
任意表面上的速度矢量和彩色云圖；
任意變量的幾何形體表面彩色著色圖；
動畫制作；
可選的表面網(wǎng)格和塊結(jié)構(gòu)顯示；
函數(shù)曲線畫圖工具；
流場參數(shù)的多點取樣工具；
流場結(jié)果的數(shù)種輸出格式，如Fieldview，Ensight，MSC/Patran等；
用戶自定義的輸出格式；
完全鼠標拖動屏幕圖形；
最大程度利用硬件加速的能力
CFX-4
CFX4從CFDS FLOW3D發(fā)展而來，建立在世界最大的科技工程企業(yè)AEA Technology 50余年科技工程實踐經(jīng)驗基礎之上，經(jīng)過近30年的發(fā)展，CFX4被化工和過程工業(yè)公認為解決流體流動、傳熱、多相流、化學反應、燃燒問題的首選工程仿真軟件。
通過CFX4對各種過程和設備中的流動、傳熱、多相耦合、反應進行仿真，你可以作到：
使氣體反應器中氣液兩相接觸面積達到最大；使流化床和混合設備達到最均勻混合；使旋風分離器、多相分離設備、沉淀池達到最高分離效率；……等等。
在分析離散相、連續(xù)相相互作用的質(zhì)量、動量、能量傳遞過程中，CFX4具有世界公認最完整、可靠和穩(wěn)定的多相流模型系統(tǒng)。
優(yōu)化氣、液或多相流中的化學反應；減少污染排放量的同時提高任意燃料系統(tǒng)的燃燒效率；對火災和安全性進行評估；……等等。
CFX4的反應動力學和燃燒模型包含排放物排量預測如NOx/灰排量。
深入評估和理解所有流體工程問題。
CFX4完備的高級湍流模型使你可以獲得從旋流到浮力驅(qū)動流等最困難問題的答案。
集成到你日常的產(chǎn)品設計系統(tǒng)中，真正實現(xiàn)設計分析一體化的現(xiàn)代設計過程。
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