FLUENT知识点解析良心出品必属精品Word格式文档下载.docx

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Mesh

Sc：

dbe“，CheckReportQu^iity

Solver

TypePressure-eased

■DensityiBased

VeJodtyFormubtionqAbsolute

Relative

Time

2DSpace

aSteady

9Planar

Transient

Axisymmetric

AxisYTTimetricSwirl

口Svity|units…

HeJp

4.axisymmetric和axisymmetricswirl

从字面的意思很好理解axisymmetric和axisymmetricswirl的差别：

axisymmetric:

是轴对称的意思，也就是关于一个坐标轴对称，

2D的axisymmetric问题仍为2D问题。

而axisymmetricswirl:

是轴对称旋转的意思，就是一个区域关于一条坐标轴回转所产生的区

域，这产生的将是一个回转体，是3D的问题。

在Fluent中使用这个,是将一个3D的问题简化为2D问题，减少计算量，需要注意的是，在Fluent中，回转轴必须是x轴。

5.操作工况参数（OperatingConditions）

①操作压力的介绍

关于参考压力的设定，首先需了解有关压力的一些定义。

ANSYS

FLUEN并1有以下几个压力，即StaticPressure（静压）、Dynamic

Pressure（动压）与TotalPressure（总压）；

AbsolutePressure

（绝对压力）、RelativePressure（参考压力）与OperatingPressure（操作压力）。

这些压力间的关系为，TotalPressure（总压）=StaticPressure（静压）+DynamicPressure（动压）；

AbsolutePressure（绝对压

力）=OperatingPressure（操作压力）+GaugePressure（表压）。

其中，静压、动压和总压是流体力学中关于压力的概念。

静压是

测量到的压力，动压是有关速度动能的压力，是流动速度能量的体现。

而绝对压力、操作压力和表压是FLUENTH入的压力参考量，在ANSYSFLUENT,所有设定的压力都默认为表压。

这是考虑到计算精度的问题。

②操作压力的设定

设定操作压力时需要注意的事项如下：

对于不可压缩理想气体的流动，操作压力的设定直接影响流体密度的计算，因为对于理想气体而言，流动的密度由理想气体方程获得，理想气体方程中的压力为操作压力。

对于低马赫数的可压缩流动而言，相比绝对静压，总压降是很小的，因此其计算精度很容易受到数值截断误差的影响。

需要采取措施来避免此误差的形成，ANSYSFLUENT过采用表压

（由绝对压力减去操作压力）的形式来避免截断误差的形成，

操作压力一般等于流场中的平均总压。

对于高马赫数可压缩流动的求解而言，因为此时的压力比低马赫可压缩流动的大得多，所以求解过程中的截断误差的影响不大，可以不设定表压。

由于ANSYSFLUENT所有需输入的压力都为表压，因此此时可以将操作压力设定为0（这样可以最小化由于压力脉动而引起的误差），使表压与绝对压力相等。

如果密度设定为常数或者其值由通过温度变化的函数获得，操

作压力并没有在计算密度的过程中被使用。

默认的操作压力为101325Pa

操作压力的设定主要基于两点考虑，一是流动马赫数的大小，二是密度计算方法。

表格1操作压力的推荐设置

密度关系式

马赫数

操作压力

理想气体定律

大于0.1

。

或约等于流场的平均压力

小于0.1

约等于流场的平均压力

关于温度的函数

不PJ压缩

不使用

常数

不可压缩的理想

气体

③关于参考压力位置的设定

对于不涉及任何压力边界条件的不可压缩流动，ANSYSFLUENT

每次迭代后要调整表压值。

这个过程通过使用参考压力位置处（或该位置附近）节点的压力完成。

因此，参考压力位置处的表压应一直为0。

如果使用了压力边界条件，则不会使用到上述关系，因此参考压力位置不被使用。

参考压力位置默认为等于或接近（0,0,0）的节点中心位置。

实际计算中可能需要设置参考压力位置到绝对静压已知的位置处。

在OperatingConditions对话框中的ReferencePressureLocation选项组中设置新的参考压力位置的x,y,z的坐标即可。

如果要考虑某一方向的加速度，如重力，可以勾选Gravity复选框。

对于VOF计算，应当选择SpecifiedOperatingDensity,并且在OperatingDensity下为最轻相设置密度。

这样做排除了水力静压的积累，提高了round-off精度为动量平衡。

同样需要打开ImplicitBodyForce,部分平衡压力梯度和动量方程中体积力，提高解的收敛性。

ReferencePressureLocation（参考压强位置）应是位于流体永远是100%勺某一相（空气）的区域，光滑和快速收敛是其基本条件。

二、求解模型的设定

1.流动模型的设置

①无粘模型

理想流体是一种设想的没有粘性的流体，在流动时各层之间没有相互作用的切应力，即没有内摩擦力。

十分明显，理想流体对于切向变形没有任何抗拒能力。

应该强调指出，真正的理想流体在客观实际中是不存在的，它只是实际流体在某些条件下的一种近似模型。

在Inviscid流动模型应用方面，无粘流动忽略了粘性对流动的影响，这对高雷诺数的流动是合适的，因为高雷诺数流动惯性力的作用远大于粘性力的作用，粘性力可以忽略，所以可以将其考虑成无粘流动。

无粘流动的求解更快，其激波在某些值上预测的偏高。

无粘流动能对流动状态和激波位置进行快速预测。

马赫数与激波

马赫数的定义是

vM=—a

它表示流体的流动速度与当地声速之比，是一个无量纲的参量。

对应于M<

1,M=1和M>

1这三种情况的流动分别称为亚声速流、声速流和超声速流。

当马赫数很小时，速度的相对变化只能引起很小的密度相对变化，但当马赫数很大时，则将引起较大的密度相对变化，这也说明了马赫数是流体压缩性的一个表征。

当飞机、炮弹和火箭以超音速飞行时，或者发生强爆炸、强爆震时，气流受到急剧的压缩，压强和密度突然显著增加，这时所产生的压强扰度将比声速大得多的速度传播，波阵面所到之处气流的各种参数都将发生显著变化，参数突跃。

这样一个强间断面叫做激波阵面。

渐缩渐扩管的流动是计算流体力学模拟的经典问题之一。

在这类

流动中，激波的出现是流动中可压缩效应的体现。

精确的激波模拟是CFDW究的热点之一。

为了更好捕捉压力梯度，需要采用较细的网格并结合合适的数值模拟和格式。

很多实际模拟中，局部网格的自适应会很有帮助。

②层流模型

流动有层流和湍流之分，判断湍流的标准可以参考[2],这里写出

内流的判断标准：

UDPRe-

2300

对于内流而言，一般大多数流动都是湍流，一般不使用湍流模型。

而对一些外流而言（如外掠平板或是外掠障碍物），则很有可能是层流运动。

③湍流模型的评价与选择

a.k-8湍流模型

这里我们使用的湍流模型是Standardk-名模型，这种模型应用较多，计算量适中，有较多数据积累和比较高的精度，对于曲率较大和压力梯度较强等复杂流动模拟效果欠佳。

一般工程计算都使用该模型，其收敛性和计算精度能满足一般的工程计算要求，但模拟旋流和

绕流时有缺陷。

壁面函数的选择

对于有壁面的流动，当主流为充分发展湍流时，根据离壁面法线距离不同，可将流动划分为壁面区（或称内区、近壁区）和核心区（或称外区）。

核心区是完全湍流区，为充分发展的湍流。

在壁面区，由于有壁面的影响，流动与核心区不同。

壁面区可分为3个子层：

粘性底层、过渡层和对数率层。

[2]李鹏飞，徐敏义，王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战：

122

粘性底层是一个紧贴壁面的极薄层，在动量、热量和质量的交换过程中粘性力起主要作用，而湍流切应力可以忽略，因此流动几乎可以看成层流流动，且在平行于壁面方向上的速度呈线性分布。

过渡层处于粘性底层之外，在此层中，粘性力和湍流切应力的作

用相当，流动状况较为复杂，很难用公式或定律表述。

实际工程计算中由于过渡层厚度极小，可不考虑此层，直接以对数率层的方法处理。

对数率层处于近壁区的最外层，粘性力的影响不明显，湍流切应

力占主要地位，流动处于充分发展的湍流状态，流速分布接近对数律。

壁面区内不同子层的高度和速度可以沿壁面法向的无量纲高度和无量纲速度表达。

其中，u是流体的时均速度，U]是壁面摩擦速度，U[=壁面切应力，y是壁面的垂直距离。

在y+<

5时，区域为粘性底层，此时速度沿壁面法线方向呈线性分布，即u+=y

在60cy+<

300时，流动处于对数率层，此时速度沿壁面法线方向呈对数率分布，即u=2.5lny5.5

壁面函数法的本质是，对于湍流核心区的流动使用k-③模型求解,而在壁面区并不进行求解，直接使用半经验公式得出该区域的速度等物理量。

FLUEN旗供了多种壁面函数处理方式，如标准壁面函数法、非平衡壁面函数法和增强壁面处理。

标准壁面函数法利用对数校正法提供了必需的壁面边界条件（对于平衡湍流边界层）。

而非平衡壁面函数法用来改善高压力梯度、分离、再附和滞止等情况下的结果。

标准壁面函数法和非平衡壁面函数法都允许在近避免区域上使用较粗的网格。

对于大多数高雷诺数情况使用标准的或者非平衡的壁面函数（Re>

106）。

增强壁面处理选项把混合边界模型和两层边界模型结合起来，对低雷诺数流动或者复杂近壁面现象很适合，湍流模型在内层上得到了修正。

表格2几种壁面处理方法的比较

优点

缺点

标准壁面

函数法

应用较多，计算量小，后较局的精度

适合高雷诺数流动，对低雷诺数流动问题，有压力梯度、高度蒸腾和大的体积力、低雷诺数和高速三维流动问题不适合

非平衡壁

面函数法

考虑了压力梯度，可以计算分离，在附着以及撞击问题

对低雷诺数流动问题，有较强压力

梯度、强体积力及强三维性问题不

适合

增强壁面

处理

不依赖壁面法则，对于复杂流动，特别是

要求网格密，因而要求计算机处理时间长，内存大

低雷诺数流动很适

12!

VJscousModel

Near'

WallTreatment

qStandardWailFunctions

.ScalableWallFunctions

Non-EquilibriumWallFunctionsEnhancedWallTreatment

User-Defined\7allFunctions

Options

ViscousHeatngCurvatureCorrection

TurbUentVhcosity

none▼

kandtiNumbers

TOPrandtiNumbernone▼

TDRPrandtlNumbernone-

EnergyP「日ndtiNumbernone▼

OKICancel|Help

2.多相流模型

1VO葭型

该模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟两种或三种不能混合的流体。

典型的应用包括流体喷射、流体中大泡运动、流体在大坝坝口的流动、气液界面的稳态和瞬态处

理等。

一般而言VOF主要适用于非稳态的多相流模型，仅对某些特定

问题的多相流模型的稳态问题能够适用。

VO昉法适用于计算空气和水这样不能互相掺混的流体流动，对于分层流和活塞流，最方便的就是选择VO破型。

需要注意的是，对于湍流模型的设置，丫0环能用于无粘流，也不能用大涡模拟［3］。

Geo-Reconstruct格式

Geo-Reconstruct格式（在SolutionMethods中设置）是一种较为精确的追踪自由表面的计算格式，广泛地应用于瞬变流的VOF问题中，但必须注意的要使用该格式VO葭型必须使用显示离散格式（在VO葭型设置选项设置）。

BodyForceFormulation

为提高解的收敛性，对于涉及到表面张力的计算，建议在BodyForceFormulation中勾选ImplicitBodyForce。

这样做由于压力梯度和动量方程中表面张力的部分平衡，从而提高解的收敛性。

［3］李进良，李承曦，胡仁喜.精通FLUENT.6.3流场分析［M］.北京，化学工业出版社，2009:

231-236

MultiphaseModel

Model

Qoff

•■VolumeofFluid

C'

MixtureEulerianWetSteam

\urrberofEuierianPhases

CoupledlevelSet+V口FIILevelSet

VolumeFractionParameters

Sdierne

•Explicit

OIrnplidt

VolumeFractionCutoffle-06

CourantNumber

产|

Default

BodyForceFormulaton

□implicitBodyForce

匚OpenChannelFlow

匚OpenChannelWaveBC

I'

ZonalDiscretizatjori

OKCancelHelp

2Mixture模型

这是一种简化的多相流模型，用于模拟各种有不同速度的多相流，但是假定了在短空间尺度上局部的平衡。

相之间的耦合应当是很强的。

它也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流和各向以相同速度运动的多相流。

典型的应用包括沉降（sedimentation）、气旋分离器、低载荷作业下的多粒子流动、气相容积率很低的泡状流。

MixtureParameters

一般需要勾选MixtureParameters中的SlipVelocity复选框,以此来求解滑移速度模型，因为在多相流中各种组分的速度有很大不

同。

对于求解一个均匀的多相流问题可以选择不做滑移速度的计算,

可以在mixtureparameters选项下将slipvelocity关掉。

Eulerian模型

该模型可以模拟多相分离流及相互作用的相，相可以是液体、气

体、固体。

与在离散相模型中Eulerian-Lagrangian方案只用于离散相不同，在多相流模型中Eulerian方案用于模型中的每一项。

3.固化与熔化模型

FLUEN邛用“始—多孔度（enthalpy-porosity）”技术模拟流体的固化和熔化（Solidification/Melting）过程。

在流体的固化和熔化问题中，流场可以分成流体区域、固体区域和两者之间的糊状区域。

“始—多孔度”技术采用的计算策略是将流体在网格单元内占有的体

积百分比定义为多孔度（porosity）,并将流体和固体并存的糊状区域看作多孔介质区进行处理。

在流体的固化过程中，多孔度从1降

低到0;

反之，在熔化过程中，多孔度则从0升至1。

“始—多孔度”技术通过在动量方程中添加汇项（即负的源项）模拟因固体材料存在而出现的压强降。

“始-多孔度”技术可以模拟的问题包括纯金属或二元合金中的固化、熔化问题、连续铸造加工过程等。

计算中可以计算固体材料与壁面之间因空气的存在而产生的热阻，固化、熔化过程中组元的输运

等等。

需要注意的是，在求解固化、熔化问题的过程中，只能采用分离算法，只能与VOFJI型配合使用，不能计算可压缩流，不能单独设定固体材料和流体材料的性质，同时在模拟带反应的组元输运过程时，无法将反应区限制在流体区域，而是在全流场进行反应计算。

1Parameters定义

在Parameters下面定义MushyZoneConstant（糊状区域常数）。

这个常数的取值范围一般在104到107之间，取值越大沉降曲线就越陡峭，固化过程的计算速度就越快，但是取值过大容易引起计算振荡，因此需要在计算中通过试算获得最佳数值。

2Materials设置

在Materials（材料）面板上，定义MeltingHeat（熔化热）、SolidusTemperature（固相点温度）和LiquidusTemperature（液相点温度）。

如果计算中涉及组元输运过程，则必须同时定义溶剂的融解温度

（MeltingTemperature）,同时需要定义熔化物的液相线相对于浓度

的斜率（SlopeofLiquidusLine）、分配系数（Partition

Coefficient）和固体中的扩散速率（DiffusioninSolid）等参数。

③设置边界条件

除了常规的边界条件设置，对于固化和熔化问题还有一些特殊设

置，其中包括：

在计算壁面接触热阻时设置接触热阻（Contact

Resistance）。

这个参数在Wall（壁面）面板中的ThermalConditions

（热力学条件）下给定。

Shear

Condition（剪切条件）下选择MarangoniStress（Marangoni应力）选项。

如果计算拉出速度，则在边界条件中的速度边界条件将被用于拉

出速度的计算。

口SolidificationandMelting

三、相设置

相设置一般用于多相流的设置，对于相设置，这里主要讲一下

Interaction的设置，如图：

Phases

water-PrimaryPhase

air'

SecondaryPhase

Fit.Interacton,1-

Help

Interaction设置

Interaction设置用来定义两相的相互作用，具有多个选项卡,

如图。

Drag选项卡

针对每对物相，在下拉菜单中选择阻力函数。

其中包括

schiller-naumann模型、morsi-alexander模型、symmetric（对称）模型等用于流体与流体之间阻力计算的模型，也包括wen-yu模型、

gidaspow模型、syamlal-obrien模型等用于液体与固体之间阻力计

算的模型，还包括syamlal-obrien-symmetric模型用于固体与固体

之间的阻力计算。

除此之外，还可以将阻力函数定义为constant（常数），或者选择user-defined（用户定义）由用户自己定义阻力函数。

如果计算中不需要设定阻力，还可以选择none（不计阻力）选项。

阻力设置的相关原理比较复杂，可参考帮助，一般保持默认的schiller-naumann设置不变。

SurfaceTension选项卡

SurfaceTension选项卡用来定义表面张力，如果相包含壁面粘

附，可勾选“WallAdhesion”复选框。

四、CellZoneCondition

FrameMotion选项

对于流体，可以通过FrameMotion选项确定坐标运动方式（如离心泵内部流体的旋转使用运动参考系模型），如图：

Rotation-AxisOrigin指转轴，RotationalVelocity值旋转速

度。

五、边界条件设置

1.速度进口边界条件（VelocityInlet）

速度进口边界条件用进口