流場分析計算的案例
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 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 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 [案例分析]基于SU2的M6機翼流場計算報告
3.SU2求解器簡介
SU2是一個用C ++和Python編寫的開源軟件工具集，通過采用先進的數值方法分析非結構化網格上的偏微分方程（PDE）和PDE約束優化問題。SU2早期主要用于是CFD和氣動外形優化，目前已擴展到處理更一般的方程，如電動力學和化學反應流動。在全球用戶和開發人員的不斷努力下，SU2現已成為計算科學領域的一個成熟工具，廣泛適用于航空、航天、航海、汽車和可再生能源行業。
SU2的主要能力包括：
基于非結構網格的高保真度分析和基于伴隨的設計。
可壓縮和不可壓縮的Euler、NS和 RANS求解器。
用于電動力學、線彈性、熱方程、波動方程和熱化學非平衡的PDE求解器。
加速收斂技術（多網格，預處理等）。
基于連續伴隨方法獲取靈敏度信息。
自適應、面向目標的網格細化和變形。
C ++面向對象模塊化程序設計。
MPI并行化。
用于自動化的Python腳本。
求解器配置文件(cfg)介紹
SU2求解器計算僅需提供兩個文件：后綴為su2的網格文件和后綴為cfg的配置文件。cfg文件包含流場計算所需的網格之外的全部信息。cfg文件一般通過對相關的CASE模板文件作適當修改得到。SU2程序根目錄下的config_template.cfg文件提供了詳細的配置信息。下面以馬赫數為0.84、攻角為3.06°、湍流模型為SST的計算工況為例，簡要介紹cfg文件如何編寫。
展開 
[案例分析]基于SU2的RAE2822超臨界翼型流場計算
4.結果分析
4.1 CASE 6
圖 3 RAE2822翼型壓力分布SA和SST計算結果對比(CASE 6)
圖 4 RAE2822翼型表面壓力分布矢量(CASE 6)
圖3展示了SU2求解器分別采用SA模型和SST模型計算的RAE2822翼型表面壓力分布（Ma=0.729 AoA=2.31° Rec=6.5×106）。可以看到，SA、SST模型計算的壓力分布與試驗結果十分吻合。此外，兩種模型的計算結果差異很小，僅在激波附近有較小差別。結果表明兩種湍流模型都能較好地模擬RAE2822翼型跨聲速流場。
4.2 CASE 9
圖 5 RAE2822翼型壓力分布SA和SST計算結果對比(CASE 9)
圖 6 RAE2822翼型表面壓力分布矢量(CASE 9)
圖 7 RAE2822翼型表面壓力分布矢量(CASE 6和CASE 9)
CASE9（Ma=0.734 AoA=2.79°Rec=6.5×106）和CASE6（Ma=0.729 AoA=2.31° Rec=6.5×106）流場參數變化很小，流場特征也無明顯變化。從模擬結果看，SU2求解器對于CASE 9的計算結果與試驗也符合較好。
6.結論
（1）采用SU2求解器計算了RAE2822翼型CASE6 和CASE9流場，兩個case的計算結果與試驗結果均符合較好。
（2）SA和SST湍流模型計算結果差異較小，兩者都能較好地模擬RAE2822翼型跨聲速流場。
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：
及訪問www.caesky.com 。
展開 用計算流體動力學-離散元法分析軸流泵的流場和溶血指標
用計算流體動力
學-離散元法分析
軸流泵的流場和溶
血指標
1.背景介紹
血泵作為拯救生命的重要輔助裝置，已成為眾多學者研究的重點。計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）模擬是優化血泵性能的有效手段，其模擬結果在實踐中得到了反復驗證。然而，在固相紅細胞粒子破碎損傷的區域，紅細胞粒子在不同時間和地點的運動、碰撞等動力學特征，僅靠CFD技術不可能實現技術突破。離散元法（Discrete Element Method，DEM）通過建立固體粒子系統的參數模型來分析和模擬粒子行為。本研究的目的是利用CFD-DEM多相流耦合技術，將DEM應用于血細胞粒子碰撞特性和運動分析，并結合血泵內流場的經典CFD分析方法，通過血液動力學特性與血液流變學的耦合，為溶血模型的建立提供支持。
2.方法方案
本文研究的血泵模型如圖1所示。該模型內徑16mm，總長為81mm，主要由三部分組成：前葉片，葉輪，和后葉片。在葉片的頂部與外殼之間有0.1mm的間隙。
由于葉輪高速旋轉，為了提高計算結果的準確性，將內部流場分為三部分：先導流場、葉輪流場和后方流場。這三部分均采用了非結構化的四面體網格，總網格數為12,549,766。壓力出口用作邊界條件。
展開 旋轉機械 流場分析｜基于STARCCM+的多翼離心風機流場分析
圖4 進口網格
圖5 葉輪網格
圖6 蝸殼網格
圖7 整體網格
計算的邊界條件為：進口設置為流量進口，出口邊界設置為壓力出口（靜壓為0Pa），旋轉區域建立參考坐標系(Reference Frames)，其中旋轉中心為[0,0,0]，旋轉軸為[0,0,1]，旋轉速度為1000rpm。本文計算采用穩態分離隱式求解，湍流模型采用Realizable k-Epsilon Two-Layer模型，不考慮重力和熱量的影響。動量方程、湍動能方程、耗散方程的空間離散格式均采用二階離散格式。
04
流場分析
下面對設計工況下的風機內部流場進行分析。截取葉輪中間位置的 XY 截面與XZ 截面，網格如圖8所示。在XZ截面上建立速度矢量Vxz的流線分布，如圖10所示。從圖中可見流量大部分靠近蝸殼出口側流動，并且在蝸殼中形成了非常明顯的上下兩個二次渦流，這是蝸殼中主要損失之一。其主要的成因是軸向上流動分布不均，造成上下壓力不平衡而形成的二次流動。在XZ截面上建立徑向速度的矢量分布圖，如圖11所示。徑向速度間接代表了葉輪進出口的流量分布。
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 貢獻一本ansys流場分析的書《ANSYS13.0 FLOTRAN流場分析從入門到精通》
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前言
第1章 FLOTRAN流體分析概述
1.1 FLOTRANCFD分析的概念
1.2 FLOTRAN分析類型
1.2.1 層流分析
1.2.2 湍流分析
1.2.3 熱分析
1.2.4 可壓縮流動分析
1.2.5 非牛頓流動分析
1.2.6 多組份傳輸分析
1.2.7 自由表面分析
第2章 FLOTRAN分析的基本原理
2.1 FLOTRAN單元的特點
2.1.1 FLUIDl41單元
2.1.2 FLUIDl42單元
2.2 FLOTRAN單元的局限性
2.3 FLOTRAN分析步驟
2.3.1 確定問題的區域
2.3.2 確定流體的狀態
2.3.3 生成有限元網格
2.3.4 施加邊界條件
2.3.5 設置FLOTRAN分析參數
2.3.6 求解
2.3.7 檢查結果
2.4 FLOTRAN單元相關文件
2.4.1 結果文件
2.4.2 打印文件
2.4.3 殘差文件
2.4.4 重啟動文件
2.4.5 FLOTRAN重啟動分析（續算）
2.5 提高收斂性和穩定性的常用的工具
2.5.1 松弛系數
2.5.2 慣性松弛
2.5.3 修正的慣性松弛
2.5.4 人工粘性
2.5.5 速度限制
2.5.6 面積積分階次
2.6 評價FLOTRAN分析
2.7 驗證結果
第3章 FLOTRAN流體的基本屬性
3.1
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【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。
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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.
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