ansys fluent 培训教材...

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ANSYS FLUENT

培训教材第一节：CFD简介

安世亚太科技（北京）有限公司


什么是 CFD?

CFD是计算流体动力学（Computational fluid dynamics）的缩写，是预测流体流动、传热传

质、化学反应及其他相关物理现象的一门学科。CFD一般要通过数值方法求解以下的控制方

程组

–

质量守恒方程

–

动量守恒方程

–

能量守恒方程

–

组分守恒方程

–

体积力

–

等等

CFD 分析一般应用在以下阶段:

–

概念设计

–

产品的详细设计

–

发现问题

–

改进设计

CFD分析是物理试验的补充，但更节省费用和人力。


CFD如何工作?

ANSYS CFD 求解器是基于有限体积法的

–

计算域离散化为一系列控制体积

–

在这些控制体上求解质量、动量、能

量、组分等的通用守恒方程

–

偏微分方程组离散化为代数方程组

–

用数值方法求解代数方程组以获取流场

解

Fluid region of pipe flow is discretized into a finite set

of control volumes.

Equation VariableContinuity

1X momentum

uY momentum

vZ momentum

wEnergy

h

ControlVolume*

* FLUENT control volumes are cell-centered (i.e. they correspond

directly with the mesh) while CFX control volumes are node-centered

Unsteady Convection Diffusion Generation


CFD 模拟概览

问题定义

1.确定模拟的目的

2.确定计算域

前处理和求解过程

3.创建代表计算域的几何实体

4.设计并划分网格

5.设置物理问题（物理模型、材料属

性、域属性、边界条件 …）

6.定义求解器（数值格式、收敛控

制 …）

7.求解并监控

后处理过程

8.查看计算结果

9.修订模型

Problem Identification1. Define goals

2. Identify domain

Pre-Processing3. Geometry

4. Mesh

5. Physics

6. Solver Settings

Solve7. Compute solution

Post Processing8. Examine results

9.U

pdat

e M

odel


1. 定义模拟目的

你希望得到什么样的结果（例如，压降，流量），你如何使用这些结果？

–你的模拟有哪些选择？

•

你的分析应该包括哪些物理模型（例如，湍流，压缩性，辐射）？

•

你需要做哪些假设和简化？

•

你能做哪些假设和简化（如对称、周期性）？

•

你需要自己定义模型吗？

▪

FLUENT使用UDF，CFX使用

User FORTRAN

计算精度要求到什么级别？

你希望多久能拿到结果？

CFD是否是合适的工具？


2. Identify domain


2. 确定计算域

如何把一个完成的物理系统分割出

来？

计算域的起始和结束位置

–

在这些位置你能获得边界条件吗？

–

这些边界条件类型合适吗？

–

你能把边界延伸到有合适数据的位

置吗？

能简化为二维或者轴对称问题吗？


2. Identify domain

Domain of Interest as Part of a Larger System (not modeled)

Domain of interest isolated and meshed for CFD simulation.


3. 创建几何模型

你如何得到流体域的几何模型？

–

使用现有的CAD模型

•

从固体域中抽取出流体域？

–

直接创建流体几何模型

你能简化几何吗？

–

去除可能引起复杂网格的不必要特征（倒

角、焊点等）

–

使用对称或周期性？

•

流场和边界条件是否都是对称或周期性

的？

你需要切分模型以获得边界条件或者创建域

吗？ Solid model of a Headlight Assembly


4. Mesh

5. Physics

6. Solver Settings


4. 设计和划分网格

计算域的各个部分都需要哪种程度的网格

密度？

–

网格必须能捕捉感兴趣的几何特征，以及

关心变量的梯度，如速度梯度、压力梯

度、温度梯度等。

–

你能估计出大梯度的位置吗？

–

你需要使用自适应网格来捕捉大梯度吗？

哪种类型的网格是最合适的？

–

几何的复杂度如何？

–

你能使用四边形/六面体网格，或者三角

形/四面体网格是否足够合适？

–

需要使用非一致边界条件吗？

你有足够的计算机资源吗？–

需要多少个单元/节点？

–

需要使用多少个物理模型？Pyramid Prism/Wedge

Hexahedron


4. Meshing

5. Physics

6. Solver Settings

Triangle Quadrilateral

Tetrahedron


四边形/六面体还是三角形/四面体网格

对沿着结构方向的流动，四边形/六面体网格和三角形/

四面体网格相比，能用更少的单元/节点获得高精度的结果

–

当网格和流动方向一致，四边形/六面体网格能减

少数值扩散

–

在创建网格阶段，四边形 /六面体网格需要花费更

多人力


四边形/六面体还是三角形/四面体网格

Tetrahedral meshWedge (prism) mesh

对复杂几何，四边形/六面体网格没有

数值优势，你可以使用三角形/四面体

网格或混合网格来节省划分网格的工

作量

–

生成网格快速

–

流动一般不沿着网格方向

混合网格一般使用三角形/四面体网

格，并在特定的域里使用其他类型的

单元

–

例如，用棱柱型网格捕捉边界层

–

比单独使用三角形/四面体网格更

有效


多域（或混合）网格

多域或混合网格在不同的域使用不同的网格类型，例如

–

在风扇和热源处使用六面体网格

–

在其他地方使用四面体/棱柱体网格

多域网格是求解精度、计算效率和生成网格工作量之间的很好的平衡手段

当不同域直接的网格节点不一致时，需要使用非一致网格技术。

Model courtesy of ROI Engineering


非一致网格

对复杂几何体，非一致网格很有用

–

分别划分每一个域，然后粘接

在其他情况下，也使用非一致网格界面技

术

–

不同坐标系之间

–

移动网格

Non-conformalinterface

3D Film CoolingCoolant is injected into a duct from a plenum. The plenum is meshed with tetrahedral cells while the duct is meshed with hexahedral cells

Compressor and ScrollThe compressor and scroll are joined through a non conformal interface. This serves to connect the hex and tet

meshes and also allows a change in reference frame


设置物理问题和求解器

对给定的问题，你需要

–

定义材料属性

•

流体

•

固体

•

混合物

–

选择合适的物理模型

•

湍流，燃烧，多相流等。

–

指定操作条件

–

指定边界条件

–

提供初始值

–

设置求解器控制参数

–

设置监测收敛参数

For complex problems solving a simplified or 2D problem will provide valuable experience with the models and solver settings for your problem in a short amount of time.


4. Mesh

5. Physics

6. Solver Settings


求解

通过迭代求解这些离散的守恒方程直至收敛

以下情况达到收敛：

–

两次迭代的流场结果差异小到可以忽略•

监测残差趋势能帮助理解这个差异

–

达到全局守恒•

全局量的平衡

–

感兴趣的量（如阻力、压降）达到稳定值•

监测感兴趣量的变化.

收敛解的精度和以下因素有关：

–

合适的物理模型，模型的精度

–

网格密度，网格无关性

–

数值误差A converged and mesh-

independent solution on a well- posed problem will provide useful

engineering results!

Solve7. Compute solution


查看结果

查看结果，抽取有用的数据–

使用可视化的工具能回答以下问题:

•

什么是全局的流动类型？

•

是否有分离？

•

激波、剪切层等在哪儿出现？

•

关键的流动特征是否捕捉住了？

–

数值报告工具能给出以下量化结

果：•

力、动量

•

平均换热系数

•

面积分、体积分量

•

通量平衡Examine results to ensure property conservation and correct physical behavior. High residuals may be caused by just a few poor quality cells.


9.U

pdat

e M

odel


修订模型

这些物理模型是否合适？

–

流动是湍流的吗？

–

流动是非稳态的吗？

–

是否有压缩性效应？

–

是否有三维效应？

这些边界条件是否合适？

–

计算域是否足够大？

–

边界条件是否合适？

–

边界值是否是合理的？

网格是否是足够的？

–

加密网格能否提高精度？

–

网格是否有无关性？

–

是否需要提高网格捕捉几何的细节


9.U

pdat

e M

odel


FLUENT 中的物理模型

流动和传热

–

动量、质量、能量方程

–

辐射

湍流

–

雷诺平均模型 (Spalart-Allmaras, k–ε, k–ω, 雷诺应力模型)

–

大涡模拟 (LES) 和分离涡模拟 (DES)组分输运

体积反应

–

Arrhenius

有限速率化学反应

–

湍流快速化学反应

•

涡耗散, 非预混, 预混，局部预混

–

湍流有限速率反应

•

EDC, laminar flamelet, composition PDF transport

–

表面化学反应

Pressure Contours in Near-Ground Flight

Temperature Contours for Kiln Burner Retrofit


FLUENT 中的物理模型

多相流模型

–

离散相模型 (DPM)–

VOF

–

Mixtures–

Eulerian-Eulerian

and Eulerian-

granular–

Liquid/Solid and cavitation

phase

change动网格

–

Moving zones•

Single and multiple reference frames (MRF)

•

Mixing plane model•

Sliding mesh model

–

Moving and deforming (dynamic) mesh (MDM)

用户定义标量输运方程

Pressure Contours in a Squirrel Cage Blower (Courtesy Ford Motor Co.)

Gasoutlet

Oiloutlet

Three- PhaseInlet

WateroutletContours of Oil Volume Fraction

in a Three-Phase Separator


Workbench 2 中的FLUENT CFD

启动ANSYS Workbench

在工具栏中拖动Fluid Flow (FLUENT) 到项目栏里


读入几何

右键点击 Geometry cell A2 然后选择 Import Geometry

读入几何文件 (CAD 模型或者 DesignModeler

.agdb

文件)

你也可以把 FLUENT 和已经存在的 DesignModeler

进程连接起来


生成网格

右键点击 Mesh cell 然后选择 Edit.–

Meshing 工具打开，并读入几何

选择Mesh–

注意因为网格是从FLUENT中打开的，所

以默认优先选择的是 FLUENT


定义边界和域

使用 Named selections定义边界名字

–

选择你想指定名字的面

–

右键选择

Create Named Selection.

–

键入名字然后点击 OK.

有时你需要指定流体域和固体域

–

固体用来计算共轭传热

velocit y inlet


设置并运行 FLUENT

编辑 Setup cell 来设置物理问题

–

边界条件

–

求解器设置

–

求解

–

后处理

求解结束后，结果可以在FLUENT中的post里查看，或者输出到 CFD-Post 中查看

–

等值线、矢量图

–

分布图

–

计算力和力矩

–

非稳态结果的动画


FLUENT 软件演示

启动 FLUENT （假设网格已经生成好了）

–

设置一个简单的问题

–

求解流体流动

–

后处理结果

谢谢www.peraglobal.com.cn

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ANSYS FLUENT

培训教材第二节：求解器基础



FLUENT 用户界面导航

FLUENT用户界面设计为项目树从上至下排列

在项目树中选择要设置的单元，输入窗口在中心打开

–

General

–

Models

–

Materials

–

Boundary Conditions

–

Solver Settings

–

Initialization and Calculation

–

Postprocessing


缩放网格，选择量纲

FLUENT读入网格文件后，

所有的维度默认是以米为单

位的–

如果你的模型不是以米为

单位建立的，你需要缩放–

网格缩放后需要确认一下

计算域的大小。

如果是在 Workbench下读入

网格，不需要缩放。然而，

量纲默认为 MKS 系统

如果需要，可以使用混合的

量纲系统。–

FLUENT 默认使用国际单

位 SI –

在 Set Units 面板中，可以

使用任意的量纲。

Define Units…


文本用户界面TUI

大多数GUI命令都有

对应的

TUI 命令

–

许多高级的命令

只能通过 TUI获得

–

按回车键能显示

当前级的命令– q 键进入上一级

FLUENT 可以在后

台运行或通过历史

记录文件journal运行


鼠标功能

鼠标功能和二维/三维求解器的选择有关，可以在求解器中设定。

缺省设置

–

2D 求解器

•

左键平移

•

中键缩放

•

右键选择

–

3D 求解器

•

左键旋转

•

中键缩放

▪

中键点击确定中心点

•

右键选择

流场探针功能

–

右键点击屏幕视图.

在 Workbench中可以设置另外的鼠标功能

Display Mouse Buttons…


材料属性

FLUENT 提供标准的材料

库，也允许用户创建自己的

材料。

所选择的物理模型决定了哪

些材料可用，以及必须设定

这些材料的哪些属性。–

多相流（多种材料）

–

燃烧（多种组分）–

传热（导热系数）

–

辐射（发射率以及吸收

率）

材料属性可以直接设定为温

度、压力的函数–

和其他变量相关需要用

UDF设定。


材料库

FLUENT 中的材料库

–

提供一系列预先定义的流

体、固体和混合物

–

如需要，可以拷贝材料并修

改其属性

客户定义的材料库

–

在现有的case中创建的新材

料和反应机理，可以在以后

的case中重复使用

–

在 FLUENT中的材料面板里

可以创建、使用、修改材料

属性。


操作条件

在参考压力位置设定的操作

压力，是FLUENT在计算表压

时的参考值

当计算浮力流时，操作温度

设定了参考温度

操作密度是计算密度大范围

变化流动问题的参考值


并行计算

FLUENT 中的并行计算用来运行多个处

理器，以减少计算时间，增加仿真效率–

对大规模网格或者复杂物理问题尤其

有效–

FLUENT 是全并行的，能在大多数硬

件和软件平台上运行，如clusters 或者多核机器上

并行FLUENT 可以使用命令启动，也可

以在启动面板中选择–

例如，启动一个 n-CPU 并行进程，

用下面的命令

fluent 3d –tn

网格可以手工分区，或者用下面不同的

方法自动分区–

非一致网格，滑移网格和壳导热区域

需要逐个来分区


总结

本节课程介绍了CFD仿真中经常用到的许多基础功能

并行计算能减少计算时间，但只针对大规模网格时有效

后续课程会涉及到非稳态问题的求解设置

其他未涉及到的议题（见附录）

–

网格构形的关系

–

在求解器中重新排序网格和编辑网格

–

多面体网格转换

–

基于求解器的网格自适应


附录


FLUENT Journals

FLUENT 可以使用journal 文件以批处理方式

运行

journal 是包括TUI命令的文本文件

FLUENT TUI 允许命令的缩写，如– ls 列表工作目录下的文件– rcd 读入 case 和data 文件– wcd 写 case 和 data 文件– rc/wc 读/写 case 文件– rd/wd 读/写 data 文件– it 迭代

批处理文件中的TUI 命令可以在非交互模式下

自动运行–

TUI 命令 file/read-bc 和

file/write-bc 可以用来读写FLUENT 中的设置到一个文件中

; Read case filerc example.cas.gz; Initialize the solution/solve/initialize/initialize-flow; Calculate 50 iterationsit 50; Write data filewd example50.dat.gz; Calculate another 50 iterationsit 50; Write another data filewd example100.dat.gz; Exit FLUENTexityes

Sample Journal File


读入网格 –

Zones

本例中，有两个域 (fluid-upstream and fluid-downstream).因此， FLUENT 把外壁面劈分为两个面 (wall and wall:001). FLUENT 也把中间的孔劈分为两个面 (plate and plate-shadow).

inlet

outlet

wall

plateplate-shadow

fluid (cell zone)

Default-interior zone(s) can always be ignored.


网格构造信息

网格文件中存储了所有的网格信息。–

节点坐标

–

连接关系–

域的定义

和几何定义类似，网格定义如下：–

Node

边的交叉点 / 网格顶点

–

Edge

面的边（由两个节点定义）–

Face

单元的边界，由一组边定义

–

Cell

域离散的控制体–

Zone

一系列节点、边、面或单元的集合

计算域由以上所有的信息组成–

对纯流动问题，域只包括流体域

–

对共轭换热问题，或流固耦合问题，域还

会包含固体域边界条件设置在面上材料属性和源项设置在单元上

Simple 3D mesh

Simple 2D Mesh

Node

Boundary Face

Cell

Cell Center

Cell Face

Node

Boundary Face

Cell

Edge


网格的重新排序和编辑

网格的重新排序能使得邻近的单元排在一起

–

提高内存读取效率，减少计算带宽

–

可以对整个域或者指定的域进行排序

–

网格每个分区的带宽可以打印出来供参考

在网格菜单中，也可以对面/体做如下编辑：

–

分割域、合并域

–

通过合并重合的面或节点来融合域

–

平移、旋转、镜像面或体域

–

拉伸面形成体域

–

替换体域或删除体域

–

激活体域或冻结体域

Grid Reorder ZonesGrid Reorder Domain

Grid Reorder Print Bandwidth


多面体网格转换

FLUENT GUI 中可以把四面体或混合网格转换为

多面体网格–

生成四面体网格然后在 FLUENT中转换为多

面体网格–

优势

•

提高网格质量•

减少单元数量

•

用户可以控制转换过程–

劣势

•

不支持自适应，不能再次转换•

不支持光顺、交换、合并和拉伸等网格编

辑工具

在网格菜单中有两种选择–

转换除了六面体外所有的网格为多面体网格

•

不能转换有悬挂节点的网格•

六面体核心的网格可以通过单独程序转换

–

只转换高度扭曲的网格为多面体网格

Grid Polyhedra Convert Skewed Cells

Grid Polyhedra Convert Domain

Tet/Hybrid Mesh

Polyhedral Mesh


分布文件和求解结果插值

FLUENT允许通过分布文件和数据插值

对选择的变量在面或体上插值。

–

例如，试验数据或者其他FLUENT 计算结果里的入口速度分布，或者

粗网格的计算结果插值到密网格

上。

分布文件是包含选择变量的点数据文

件，可以通过FLUENT进程读/写

类似的，插值数据文件包括选择变量的

离散数据，可以在FLUETN中读入和写

出。

File Profile…Write

File Profile…Read

File Interpolate…


网格自适应

网格自适应是求解过程中根据需要加密

或粗化网格的技术。–

把满足条件的网格标注并存储起

来。–

如需要，可以显示或更改这些网格

–

点击 Adapt 对这些网格进行自适应

注册这些网格的过程为：–

所有变量的梯度或等值线

–

边界上的所有单元

–

指定形状里的所有单元–

网格体积变化率

–

近壁面网格的y+

下面这些技巧可以帮助实现自适应–

合并注册的适应区

–

显示适应函数的等值线–

显示标注的适应网格

–

给出基于网格尺寸和数量的适应限

制

Refine Threshold should be set to 10% of the value reported in the Max field.


自适应案例-超音速流场

对压力梯度大的区域自适应网格以更好的捕捉通过激波的压力突变

Initial Mesh (Generated by Preprocessor) Pressure Contours on Initial Mesh

Large pressure gradient indicating a shock (poor resolution on coarse mesh)


自适应案例-超音速流场

基于求解结果的网格自适应允许更好的解析弓形激波和膨胀波

Mesh adaption yields much better resolution

of the bow shock.Adapted cells in locations of large pressure gradients

Adapted Mesh (Multiple Adaptions Based on Gradients of Pressure)

Pressure Contours on Adapted Mesh


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ANSYS FLUENT

培训教材第三节：边界条件



定义边界条件

要确定一个有唯一解的物理问题，必须指定边界上的流场变量

– 指定进入流体域的质量流量、动量、能量等

定义边界条件包括:

– 确定边界位置

– 提供边界上的信息

边界条件类型和所采用的物理模型决定了边界上需要的数据

你需要注意边界上的流体变量应该是已知的或可以合理预估的

– 不好的边界条件对计算结果影响很大


流体域

流体域是一系列单元的集合，在其上求解所有激活的方程

需要选择流体材料

– 对多组分或多相流，流体域包含

这些相的混合物

输入的选择项

– 多孔介质域

– 源项

– 层流域

– 固定值域

– 辐射域


多孔介质

多孔介质是一种特殊的流体域– 在 Fluid 面板中激活多孔介质域

– 通过用户输入的集总阻力系数来确

定流动方向的压降

用来模拟通过多孔介质的流动，或者流过其他均匀阻力的物体

– 堆积床

– 过滤纸

– 多孔板

– 流量分配器

– 管束

输入各方向的粘性系数和惯性阻力系数


固体域

固体域是一组只求解导热问题而不求解流动方程的单元集合

只需要输入材料名称

选择项允许输入体积热源

如果临近固体域的单元是旋转周期边界，需要指定旋转轴

可以定义固体域的运动


Fuel

Air

Combustor Wall

Manifold box1Nozzle

确定边界位置-例子

在本例中，入口条件有三个可能的位置:

1. 进气管的上游

• 可以用均匀分布条件

• 考虑混合效应

• 非预混反应模型

• 需要更多单元

2. 喷嘴进口平面

• 非预混反应模型

• 需要精确的入口分布

• 流动仍然是非预混的

3. 喷嘴出口平面

• 预混反应模型

• 需要精确的分布

• 由于进口边界对流场的影响很大，不建议使用

1

23


一般的建议

如果可能，边界的位置和形状能保证流体或者进入流体域，或者流出流体域

– 不是必须的，但这样能更好

的收敛

垂直边界的方向不应该有大的梯度

– 不正确的设置

减少近边界的网格扭曲度

– 否则在计算早期会带来误差

21

Upper pressure boundary modified to ensure that flow always enters domain.


边界条件类型

外部边界

– 通用• Pressure Inlet• Pressure Outlet

– 不可压缩流• Velocity Inlet• Outflow (不建议用)

– 压缩流• Mass Flow Inlet• Pressure Far Field

– 其他• Wall• Symmetry• Axis• Periodic

– 特定• Inlet / Outlet Vent• Intake / Exhaust Fan

内部边界

– Fan– Interior– Porous Jump– Radiator– Wall

域

– Fluid– Solid– Porous media

orificeoutlet

inlet

plate plate-shadow

wall


改变边界条件类型

域和域的类型在前处理阶段定义

要改变边界条件类型：

– 在 Zone 列表中选择域名。

– 在 Type 下拉列表中选择希

望的类型


设定边界条件数据

在 BC 面板中设置

– 设定指定边界的条件:• 在项目树中选择边界条件

• 在 Zone 列表中选择边界名称

• 点击 Edit– 边界条件数据可以从一个面拷贝到其

他面

边界条件也可以通过 UDF和分布文件

定义.

分布文件这样生成:– 从其他CFD模拟写一个分布文件

– 创建一个有格式的文本文件


速度进口

指定速度

– 速度大小，垂直入口

– 方向分量

– 大小和方向

指定入口均匀速度分布。如用UDF或者分布文件，可以指定分布入口条件

速度入口用于不可压流动，不建议用

于压缩流

速度大小可以是负值，意味着出口。


压力进口

压力入口适用于压缩和不可压缩流

– 压力入口被处理为从滞止点到入

口的无损失过渡

– FLUENT 计算静压和入口的速度

– 通过边界的流量随内部求解和指

定的流动方向而改变

需要的输入

– 表总压

– 超音速 / 初始表压

– 入口流动方向

– 湍流量（如是湍流的话）

– 总温 (如果有传热和/或压缩）

Incompressible:

Compressible:


流量入口

流量入口是为可压缩流设计的，但也可以

用于不可压流动

– 调整总压以适合流量入口

– 比压力入口更难收敛

要求的信息

– 质量流量或流率

– 超音速/初始表压

• 如果当地为超音速，取静压，如果

是亚音速，忽略此项。

• 如果初场由此边界设定的化，用于

初场计算

– 总温（在 Thermal 面板）

• 对不可压缩流取静温

– 指定方向


压力出口

适用于压缩和不可压流动

– 如果流动在出口是超音速的，指定的压

力被忽略

– 在外流或非封闭区域流动，作为自由边

界条件

要求输入

– 表压– 流体流入环境的静压。

– 回流量 – 当有回流发生时，起到进口的

作用

对理想气体（可压缩）流动，可以使用无

反射出口边界条件


壁面边界条件

粘性流动中，壁面采用无滑移边

界条件

– 可以指定剪切应力.

热边界条件

– 有几种类型的热边界条件。

– 对一维或薄壳导热计算，可以

指定壁面材料和厚度（细节会

在传热课程介绍）。

对湍流可以指定壁面粗糙度

– 基于局部流场的壁面剪切应力

和传热

壁面可以设置平移或旋转速度


对称面和轴

对称面

– 不需要输入

– 流场和几何都需要是对称的:• 对称面法向速度为零

• 对称面所有变量法向梯度为零

• 必须仔细确定正确的对称面位置

轴

– 轴对称问题的中心线

– 不需要输入

– 必须和X轴正向重合

Symmetry Planes

Axis


周期边界条件

用来减少全局网格量

流场和几何必须是旋转周期对称或平移

周期对称

– 旋转周期对称• 通过周期面的ΔP = 0 • 在流体域中必须指定旋转轴

– 平移周期对称• 通过周期面的ΔP必须有限

• 模型是充分发展条件.• 指定每个周期的平均 ΔP 或质量流量

如果没有在网格阶段定义周期条件，可

以在

FLUENT TUI中用下面命令指定

/mesh/modify-zones/make-periodic

Translationally periodic planes

2D Tube Heat Exchanger

Flow

Rotationally periodic planes


内部边界面

只在单元的面上定义:

– 内部边界面的厚度为零

– 内部边界面上的变量可以突变

用来实现下面一些物理模型:

– 风扇

– 散热器

– 多孔突变区域

• 相比多孔介质模型更易收敛

– 内部面


Case 设置的复制

要复制一个 case 设置:– 通过TUI命令读写边界条件

/file/write-bc 创建一个边界条件文件

/file/read-bc 读入一个边界条件文件

– 可以把二维case 的设置读入到三维 case中

inlet-1

inlet-2outlet-2

outlet-1

fluid

inlet-1

inlet-2

outlet-2

outlet-12D Flow Domain (approximation) Actual 3D Flow Domain


总结

边界域用来控制求解时的外部和内部边界，有许多边界类型用来定义不同的边界信息

实体域用来赋予流体或固体材料

– 选择项包括多孔介质域、层流域、固定值域等

使用对称面和周期边界条件能减少计算量

未介绍的其他边界条件类型见附录

– 远场压力

– 排气扇 / 出风口

– 进风口 / 抽气扇

– 出口


附录


其他边界条件

压力远场条件

– 用来模拟无穷远处的可压缩自由流，输入静压和自由流马赫数

– 只有密度是用理想气体计算时可以使用压力远场条件

压力出口的目标质量流量选项（不能用于多相流）– 固定压力出口的流量（常数或UDF）– 用 TUI可以设置迭代方法

排气扇 / 出风口

– 用指定的压升/压降系数以及环境压力和温度模拟排气扇或出风

口的条件

进风口 / 抽气扇

– 用指定的压降/压升系数以及环境压力和温度模拟进风口或进气

扇的条件

对LES/DES模拟的进口边界，在湍流模型一节中介绍


Outflow

不需要压力或速度信息

– 出口平面的数据由内部数据外插得到

– 边界上加入质量流量平衡

所有变量的法向梯度为零

– 流体在边界为充分发展

outflow 边界针对不可压缩流动

– 不能和压力进口同时使用（必须和速度进口一起使用）

– 不能用于变密度的非稳态流动

有回流时收敛性很差.

– 最终解如有回流，不能使用此条件


多出口模拟

多出口流动可以使用压力出口或outflow– 压力出口 – 要求知道下游压力，FLUENT计算每个出口的流量比

例

– Outflow:• 流量比例由 Flow Rate Weighting (FRW) 计算：

• 出口间的静压变化，以匹配设定的流量分配

Velocity inlet (V, T0 )OR

Pressure inlet (p0 , T0 ) Pressure outlet

Pressure outlet

Velocity inlet (V, T0 )

Outflow (FRW2 )

Outflow (FRW1 )


ANSYS FLUENT

培训教材第四节：求解器设置



概要

使用求解器（求解过程概览）

–

设置求解器参数

–

收敛

•

定义

•

监测

•

稳定性

•

加速收敛

–

精度

•

网格无关性

•

网格自适应

–

非稳态流模拟（后续章节中介绍）

•

非稳态流问题设置

•

非稳态流模型选择

–

总结

–

附录


求解过程概览

求解参数

–

选择求解器

–

离散格式

初始条件

收敛

–

监测收敛过程

–

稳定性

•

设置松弛因子

•

设置 Courant number

–

加速收敛

精度

–

网格无关性

–

自适应网格

No

Set the solution parameters

Initialize the solution

Enable the solution monitors of interest

Modify solution parameters or gridCalculate a solution

Check for convergence

Check for accuracy

Stop

Yes

Yes

No


求解器选择

FLUENT中有两种求解器 –

压力基和密度基。

压力基求解器以动量和压力为基本变量

–

通过连续性方程导出压力和

速度的耦合算法

压力基求解器有两种算法–

分离求解器 –

压力修正和动

量方程顺序求解。

–

耦合求解器 (PBCS) –压力和

动量方程同时求解

Pressure-Based(segregated)

Density-Based(coupled)

Solve Mass Continuity;

Update Velocity

Solve U-Momentum

Solve V-Momentum

Solve W-Momentum

Pressure-Based(coupled)

Solve Turbulence Equation(s)

Solve Species

Solve Energy

Solve Other Transport Equations as required

Solve Mass& Momentum

Solve Mass,Momentum,

Energy,Species


求解器选择

密度基耦合求解器

–

以矢量方式求解连续性方程、动

量方程、能量方程和组分方程

–

通过状态方程得到压力

–

其他标量方程按照分离方式求解

DBCS 可以显式或隐式方式求解

–

隐式 –

使用高斯赛德尔方法求解

所有变量

–

显式: 用多步龙格库塔显式时间积

分法。Enabling pressure-

based coupled solver (PBCS)


如何选择求解器

压力基求解器应用范围覆盖从低压不可压缩流到高速压缩流

–

需要的内存少

–

求解过程灵活

压力基耦合求解器 (PBCS) 适用于大多数单相流，比分离求解器性能更

好–

不能用于多相流（欧拉）、周期质量流和 NITA

–

比分离求解器多用1.5–2倍内存

密度基耦合求解器 (DBCS)适用于密度、能量、动量、组分间强耦合的

现象–

例如: 伴有燃烧的高速可压缩流动，超高音速流动、激波干扰

隐式方法一般优于显式，因为其对时间步有严格的限制

显式方法一般用于流动时间尺度和声学时间尺度相当的情况（如高马

赫激波的传播）


离散化（插值方法）

存储在单元中心的流场变量必须插值到控制体面上

对流项的插值方法有:–

First-Order Upwind

–

易收敛，一阶精度。

–

Power Law

–对低雷诺数流动（ Recell

< 5 ）比一阶格式更精确

–

Second-Order Upwind

–

尤其适用流动和网格方向不一致的四面体/三角形网格，二阶精度，收敛慢

–

Monotone Upstream-Centered Schemes for Conservation Laws (MUSCL)

–

对非结构网格，局部三阶精度，对二次流、旋转涡、力等

预测的更精确

–

Quadratic Upwind Interpolation (QUICK)

–

适用于四边形/六面体以及

混合网格，对旋转流动有用，在均匀网格上能达到三阶精度


插值方法（梯度）

为了得到扩散通量、速度导数，以及高阶离散格式，都需要求解变量的梯度

单元中心的变量梯度由以下三种方法得到:–

Green-Gauss Cell-Based –

可能会引起伪扩散

–

Green-Gauss Node-Based –

更精确，更少伪扩散，建议对三角

形/四面体网格采用

–

Least-Squares Cell-Based –

建议对多面体网格采用，精度和属

性同Node-based

面上的梯度用多级泰勒级数展开求得


压力的插值方法

使用分离算法时，计算面上压力的插值方法有:–

Standard

–

默认格式，对于近边界的沿面法向存在大压力梯度流

动，精度下降（如果存在压力突变，建议改用 PRESTO! ）

–

PRESTO!

–

用于高度旋流，包括压力梯度突变（多孔介质，风

扇模型等）或者计算域存在大曲率的面

–

Linear

–

当其他格式导致收敛问题或非物理解时使用

–

Second-Order

–

用于压缩流，不适用多孔介质、风扇、压力突

变以及VOF/Mixture 多相流

–

Body Force Weighted

–

用于大体积力的情况，如高瑞利数自然

对流或高旋流


压力速度耦合

压力基求解器通过连续性方程和动量方程导出压力方程或压力修正方程

FLUENT中有四种耦合方式

–

Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE)•

默认算法，稳健性好

–

SIMPLE-Consistent (SIMPLEC)•

对简单问题，收敛更快，如层流

–

Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO)•

对非稳态流动或者高扭曲度网格有用

–

Fractional Step Method (FSM)

对非稳态问题•

和 NITA 合用，类似 PISO.


初始化

FLUENT 要求所有的求解变量有初始值

–

更真实的初值能提高收敛稳

定性，加速收敛过程.–

有些情况需要一个好的初值

在特定区域对特定变量单独赋值

–

自由射流（喷射区高速）

–

燃烧问题（高温激活反

应）

–

单元标注（自适应）


FMG 初始化

Full MultiGrid

(FMG) 能用来创建更好的初场。

–

FMG 初始化对包括大的压力梯度和速度梯度的复杂流动有用

–

在粗级别网格上求解一阶欧拉方程

–

可用于压力基或密度基求解器，但限于稳态问题

启动 FMG 初始化

–

压力基求解器: /solve/init/fmg-initialization

–

密度基求解器: 当选择密度基求解器后在 GUI里可见

FMG 在粗网格上用多重网格求解

–通过 TUI 命令来设置 /solve/init/set-fmg-initialization


检查Case

Case Check 功能发现一些常见的错误设置和不一致性

–

提供选择参数和模型的指导

用于可以直接应用或忽略这些建议


收敛性

计算收敛时应该满足:

–

所有离散的守恒方程（动量、能量等）在所有的单元中满足指定

的误差或者结果随计算不再改变

–

全局的质量、动量、能量和标量达到平衡

使用残差历史曲线来监测收敛：

–

一般地，残差下降三个量级表示至少达到定性的收敛，流场的主

要特征已经形成。

–

压力基求解器的能量残差应下降到10-6

–

组分残差应下降到10-5

监测定量的收敛:

–

监测其他关键的物理量

–

确保全局的质量、能量、组分守恒。


监测收敛-残差

残差图显示何时收敛达到指定标准

All equationsconverged.

10-3

10-6


监测收敛-力和面上的变量

除了残差外，也可以监测升力、阻力和力矩系数

边界或其他定义的面上的导出变量或函数（如面积分）


检查全局通量守恒

除了监测残差和变量历史外，也可以检查全局热和质量平衡

净通量差值（Net Results）应该小于通过边界最小通量的1%


残差与收敛

如果监测到求解已经收敛，但计算结果还在改变，或还有大的质量/热量不平衡，这表示求解还未收敛

此时，你应该:

–

减小残差标准或关闭监测残差的窗口

–

继续迭代直至计算收敛

在Convergence Criterion

窗口选择 None关闭监测

残差的窗口


收敛遇到的困难

对一些病态问题，差质量的网格或不合适的求解设置，都可能出现数值不稳定性

–

表现为残差曲线上扬（发散）或不下降

–

发散意味守恒方程的不平衡增加

–

没收敛的结果会误导使用者

解决方法–

确保问题是物理合理的

–

用一阶离散格式计算一个初场–

对压力基求解器，减少发散方程的松弛因子

–

对密度基求解器，减少Courant 数–

重新生成网格或加密质量差的网格

•

注意网格自适应不能提高扭曲度大的网格质量

Continuity equation convergencetrouble affects convergence ofall equations.


修改松弛因子

松弛因子用来稳定压力基求解器的迭代过程

以缺省的松弛因子开始计算

减少动量方程的松弛因子经常有助于收敛

–

缺省值对大多数问题都适用，

需要时你可以改变这些值

–

合适的设置最好通过经验获得

对密度基求解器，对耦合方程组外的方程，松弛因子同样有用


修改 Courant 数

对密度基求解器，即使稳态问题，也存在瞬态项

–

用Courant 定义时间步长

对显式求解器:–

稳定性约束限制了最大Courant 数

•

不能超过 2 （缺省为1）

•

有收敛困难时减少 Courant 数

对隐式求解器:–

Courant 没有稳定性约束限制

•

缺省值为 5.


加速收敛

可以通过以下方法加速收敛:

–

设置更好的初场

•

从前次的计算结果开始（如需要，可以使用file/interpolation）

–

渐次增加松弛因子或Courant数•

过高的值容易引起发散

•

继续迭代是应保存case和date文件

–

控制多重网格求解器设置（一般不推荐）

•

缺省设置一般足够稳定，不建议修改


从已有结果开始计算

已有的计算结果可以作为初场使用

–

使用结果插值（如密网格

计算以粗网格结果为初值

开始）

–

初始化后，新的迭代从目

前数据开始

–

一些建议:

Actual Problem Initial Condition

Heat Transfer Isothermal

Natural convection Low Rayleigh number

Combustion / reacting flow

Cold flow (no combustion)

Turbulence Inviscid (Euler) solution


求解精度

收敛的结果不一定是正确的

–

需要利用其他数据或物理知识对结果进行检查和评价

–

用二阶上风格式获得最终解

–

确保结果是网格无关的:•

用自适应加密网格或重新划分网格来研究网格无关性

如果流场结果看起来不合理:

–

重新考虑物理模型和边界条件

–

检查网格质量，如必要，重新划分网格

–

重新考虑边界条件或域的位置，不充分的边界对结果精度影

响很大


网格质量和求解精度

数值误差和网格梯度及网格面上插值相关

建议:

–

使用高阶离散格式 (二阶上风, MUSCL)

–

尽量让网格和流动方向一致减少伪扩散

–

加密网格

•

足够的网格密度对求解有突变的流动非常有用

▪

随着网格尺寸减少，插值误差也减少

•

对非均匀网格，尺寸变化不要太大

▪

均匀网格的截断误差小

▪

FLUENT 提供基于网格尺寸梯度的自适应

•

减小网格扭曲度和长细比

▪

一般地，避免使用长细比大于5的网格（边界层允许使用更大长细比的

网格）

▪

优化四边形/六面体网格，使其更接近正交

▪

优化三边形/四面体网格，使其更接近等边


网格无关解

当加密网格，结果不再改变时，称为网格无关解。

得到网格无关解的过程:1.

生成一个新的、更密的网格– 回到网格阶段，手动调整网格

– 或者，用自适应.▪

重要: 首先保存 case 和 data文件

▪

创建自适应网格，插值原结果到密网格上。FLUENT提供动态网格自适应，

会根据用户定义的标准自动改变网格

2.

继续计算直至收敛。

3.

比较两次结果的解。

4.

如有必要，重复以上过程

要对某一问题，使用不同网格时，可以使用 TUI 命令file/write- bc 和 file/read-bc 来设置新问题。

–

通过插值能得到更好的初场


总结

压力基和密度基求解器的计算过程是相同的

–

计算直至收敛

–

获得二阶精度的解（建议）

–

加密网格重新计算直至得到网格无关解

两种求解器都提供了提高收敛和稳定性的工具

两种求解器都提供了检查和改善精度的工具

结果的精度取决于合适的物理模型和设定的边界条件



PERA China


ANSYS FLUENT

培训教材第五节：湍流模型



湍流模型简介

湍流的特征

从NS方程到雷诺平均NS模型（RANS）

雷诺应力和封闭问题

湍动能方程（k）

涡粘模型 (EVM)

雷诺应力模型

近壁面处理及网格要求

进口边界条件

总结: 湍流模型指南


湍流的特征

湍流本质是非稳态的、三维的、非周期的漩涡运动（脉动）的，湍流会加强混合、传热和剪切

时空域的瞬间脉动是随机的（不可预测的），但湍流脉动的统计平均可量化为输运机理

所有的湍流中都存在大范围的长度尺度（涡尺度）

对初场敏感


湍流结构

SmallStructures

LargeStructures

Energy Cascade (after Richardson, 1922)

Injection of energy

Dissipation of energy

Dissipating eddiesLarge-scale eddies Flux of energy


如何判断是否为湍流

外流

内流

自然对流

along a surface

around an obstacle

where

where

Other factors such as free- stream turbulence, surface

conditions, blowing, suction, and other disturbances etc. may cause transition to turbulence at lower Reynolds numbers

(Rayleigh

number)

etc.,,, hddxL

(Prandtl

number)


雷诺数的效果

Re > 3.5×106

3×105

< Re < 3.5×106

40 < Re < 150

150 < Re < 3×105

5-15 < Re < 40

Re < 5

湍流涡街，但涡间距离更近

边界层转捩为湍流

分离点前为层流边界层，尾迹为

湍流

层流涡街

尾迹区有一对稳定涡

蠕动流（无分离）


后台阶流

瞬时速度分布

时间平均的速度分布


横风中的射流

左图是抓拍的瞬态羽流图，右图是延时的光滑掉细节（涡）的平均图。

横风中的射流

From Su and Mungal in Durbin and Medic (2008)


时间平均定义为

瞬时场拆分为平均量和脉动量之和，如

对NS方程进行平均，得到雷诺平均的NS方程 (RANS) :

雷诺平均方程和封闭问题

Reynolds stress tensor, Rij


雷诺应力张量

Rij 对称二阶应力; 由对动量方程的输运加速度项平均得来

雷诺应力提供了湍流（随机脉动）输运的平均效应，是高度扩散的

RANS方程中的雷诺应力张量代表湍流脉动的混合和平均带来的光顺


封闭问题

为了封闭 RANS 方程组，必须对雷诺应力张量进行模拟

–

涡粘模型 (EVM) –

基于 Boussinesq假设，即雷诺应力正比于时

均速度的应变，比例常数为涡粘系数（湍流粘性）

–

雷诺应力模型 (RSM): 求解六个雷诺应力项（加上耗散率方程）

的偏微分输运方程组

Eddy viscosity


涡粘模型

量纲分析表明，如果我们知道必要的几个尺度（如速度尺度、长度尺度），涡粘系数就可以确定出来

–

例如，给定速度尺度和长度尺度，或速度尺度和时间尺度，涡粘

系数就被确定，RANS方程也就封闭了

–

只有非常简单的流动才能预测出这些尺度（如充分发展的管流或

粘度计里的流动

对一般问题，我们需要导出偏微分输运方程组来计算涡粘系数

湍动能k 启发了求解涡粘模型的物理机理


涡粘模型

涡粘系数类似于动量扩散效应中的分子粘性

涡粘系数不是流体的属性，是一个湍流的特征量，随着流体流动的位置而改变。

涡粘模型是CFD中使用最广泛的湍流模型

涡粘模型的局限

–

基于各向同性假设，而实际有许多流动现象是高度各向异性的

（大曲率流动，强漩流，冲击流动等）

–

涡粘模型和流体旋转引起的雷诺应力项不相关

–

平均速度的应变张量导出的雷诺应力假设不总是有效的


FLUENT中的湍流模型

RANS basedmodels

一方程模型

Spalart-Allmaras二方程模型

Standard k–εRNG k–ε

Realizable k–εStandard k–ω

SST k–ω4-Equation v2f *

Reynolds Stress Modelk–kl–ω Transition Model

SST Transition ModelDetached Eddy Simulation

Large Eddy Simulation

Increase inComputational

CostPer Iteration

*A separate license is required


Spalart-Allmaras

(S-A) 模型

SA模型求解修正涡粘系数的一个输运方程，计算量小

–

修正后，涡粘系数在近壁面处容易求解

主要应用于气动/旋转机械等流动分离很小的领域，如绕过机翼的超音

速/跨音速流动，边界层流动等

是一个相对新的一方程模型，不需求解和局部剪切层厚度相关的长度

尺度

为气动领域设计的，包括封闭腔内流动

–

可以很好计算有反向压力梯度的边界层流动

–

在旋转机械方面应用很广

局限性

–

不可用于所有类型的复杂工程流动

–

不能预测各向同性湍流的耗散


标准 k–ε 模型

选择 ε 作为第二个模型方程， ε 方程是基于现象提出而非推导得到的

耗散率和 k 以及湍流长度尺度相关:

结合 k 方程, 涡粘系数可以表示为:


标准 k–ε 模型SKE

SKE 是工业应用中最广泛使用的模型

–

模型参数通过试验数据校验过，如管流、平板流等

–

对大多数应用有很好的稳定性和合理的精度

–

包括适用于压缩性、浮力、燃烧等子模型

SKE 局限性:–

对有大的压力梯度、强分离流、强旋流和大曲率流动，模拟精度

不够。

–

难以准备模拟出射流的传播

–

对有大的应变区域（如近分离点），模拟的k 偏大


Realizable k–ε和 RNG k–ε 模型

Realizable k–ε (RKE) 模型

–

耗散率 (ε) 方程由旋涡脉动的均方差导出，这是和SKE的根本不

同

–

对雷诺应力项施加了几个可实现的条件

–

优势:•

精确预测平板和圆柱射流的传播

•

对包括旋转、有大反压力梯度的边界层、分离、回流等现象有更好

的预测结果

RNG k–ε (RNG) 模型:–

k–ε方程中的常数是通过重正规化群理论分析得到，而不是通过

试验得到的，修正了耗散率方程

–

在一些复杂的剪切流、有大应变率、旋涡、分离等流动问题比

SKE 表现更好


标准 k–ω 和 SST k–ω

标准 k–ω (SKW)模型:

–

在粘性子层中，使用稳定性更好的低雷诺数公式。

–

k–ω包含几个子模型：压缩性效应，转捩流动和剪切流修正

–

对反压力梯度流模拟的更好

–

SKW 对自由来流条件更敏感

–

在气动和旋转机械领域应用较多

Shear Stress Transport k–ω (SSTKW) 模型

–

SST k–ω 模型混合了和模型的优势，在近壁面处使用k–ω模

型，而在边界层外采用 k–ε 模型

–

包含了修正的湍流粘性公式，考虑了湍流剪切应力的效应

–

SST 一般能更精确的模拟反压力梯度引起的分离点和分离区大小


雷诺应力模型 (RSM)

回忆一下涡粘模型的局限性:–

应力-应变的线性关系导致在应力输运重要的情况下预测不准，

如非平衡流动、分离流和回流等

–

不能考虑由于流线曲度引起的额外应力作用，如旋转、大的偏转

流动等

–

当湍流是高度各向异性、有三维效应时表现较差

为了克服上述缺点，通过平均速度脉动的乘积，导出六个独立的雷诺应力分量输运方程

–

RSM适合于高度各向异性流，三维流等，但计算代价大

–

目前 RSMs

并不总是优于涡粘模型


边界层一致性定律

近壁面处无量纲的速度分布图

对平衡的湍流边界层来说，半对数曲线的线性段叫做边界层一致性定

律，或对数边界层

y is the normal distance from the wall.

Outer layer

Upper limit of log

law region depends

on Reynolds number

Viscous sublayer

Buffer layer or

blending region

Fully turbulent region (log law region)

Inner layer


近壁面处理

在近壁面处，湍流边界层很薄，求解变量的梯度很大，但精确计算边

界层对仿真来说非常重要

可以使用很密的网格来解析边界层，但对工程应用来说，代价很大

对平衡湍流边界层，使用对数区定律能解决这个问题

–

由对数定律得到的速度分布和壁面剪切应力，然后对临近壁面的网格单

元设置应力条件

–

假设 k、ε、ω在边界层是平衡的

–

用非平衡壁面函数来提高预测有高压力梯度、分离、回流和滞止流动的

结果

–

对能量和组分方程也建立了类似的对数定律

–

优势：壁面函数允许在近壁面使用相对粗的网格，减少计算代价


inner layer

outer layer

近壁面网格要求

标准壁面函数，非平衡壁面函数:–

y+

值应介于 30 到 300–500之间

–

网格尺度递增系数应不大于 1.2

加强壁面函数的选择：

–

结合了壁面定律和两层区域模型

–

适用于雷诺数流动和近壁面现象复杂的

流动

–

在边界层内层对k–ε 模型修正

–

一般要求近壁面网格能解析粘性子层

(y+

< 5, 以及边界层内层有 10–15 层网

格)


近壁面网格尺寸预估

对平板流动，湍流摩擦系数的指数定律为：

壁面到第一层流体单元的中心点的距离 (Δy)可以通过估计壁面剪切层的雷诺数来预估

类似的，对管流可以预估 Δy 为:

(Bulk Reynolds number)

(Hydraulic diameter)


尺度化壁面函数

实际上，很多使用者难以保证 30 < y+

< 30–500

常规的壁面函数是精度的主要限制之一，壁面函数对近壁面网格尺寸

很敏感，而且随着网格加密，精度不一定总是提高。同时，加强的壁面

函数计算代价很高

Scalable Wall Functions–

对 k–ε 模型，尺度化壁面函数假设壁面和粘性子层的边界是一致的，

因此，流体单元总是位于粘性子层之上，这样可以避免由于近壁面网格

加密导致的不连续性 (注意： k–ω, SST 和 S-A 模型的近壁面是自动处

理的，不能使用尺度化壁面函数）

通过 TUI 命令来运行

/define/models/viscous/near-wall-treatment/scalable-wall- functions


近壁面处理总结

对大多数工业CFD应用来说，壁面函数仍然是最合适的处理方法

对 k–ε 系列的湍流模型，建议使用尺度化壁面函数

标准壁面函数对简单剪切流动模拟的很好，非平衡壁面函数提高了大压力梯度和分离流动的模拟精度

加强壁面函数用于对数定律不适合的更复杂的流动（例如非平衡壁面剪切层或低雷诺数流动）


进口边界条件

当湍流通过入口或出口（回流）进入流体域时，必须设置k, ε, ω 及

取决于选择哪个湍流模型。

有四种设置方法:–

直接输入 k, ε, ω, 或雷诺应力分量

–

湍流强度和长度尺度

•

长度尺度和大涡的尺度相关

▪

对边界层流动: l

0.4δ99

▪

对下游流动: l

开口尺寸

–

湍流强度和水力直径（主要适合内流）

–

湍流强大和粘性比（主要适合外流）


例一，钝体平板流

用四种不同的湍流模型模拟了绕过钝体平板的流动

–

8,700 个四边形网格，在回流再附着区和前缘附近加密

–

非平衡边界层处理

N. Djilali

and I. S. Gartshore

(1991), “Turbulent Flow Around a Bluff Rectangular Plate, Part I: Experimental Investigation,”

JFE, Vol. 113, pp. 51–59.

D

000,50Re D

Rx

Recirculation zone Reattachment point

0U



RNG k–εStandard k–ε

Reynolds StressRealizable k–ε

Contours of Turbulent Kinetic Energy (m2/s2)

0.00

0.07

0.14

0.21

0.28

0.35

0.42

0.49

0.56

0.63

0.70


Experimentally observed reattachment point is atx / D = 4.7

Predicted separation bubble:


Standard k–ε (SKE) SkinFriction

CoefficientCf × 1000

SKE severely underpredicts

the size of the separation bubble, while RKE predicts the size exactly.

Realizable k–ε (RKE)

Distance AlongPlate, x / D


例二，旋风分离器

40,000个六面体网格

高阶上风格式

使用 SKE, RNG, RKE and RSM 模型及标准壁面函数

代表性的高旋涡流 (Wmax

= 1.8 Uin

)

0.2 m

Uin

= 20 m/s

0.97 m

0.1 m

0.12 m


例二，旋风分离器

低于0.41米处的切向速度分布


总结-湍流模型指南

成功的选择湍流模型需要判断:

–

流动现象

–

计算机资源

–

项目要求

•

精度

•

时间

–

近壁面处理的选择

模拟进程

–

计算特征雷诺数，判断是否是湍流

–

如果存在转捩，考虑使用转捩模型

–

划分网格前，预估近壁面的y+

–

除了低雷诺数流动和复杂近壁面现象（非平衡边界层）外，用壁面函数方法确定如何准

备网格

–

以 RKE (realizable k-ε) 开始，如果需要，改用 S-A, RNG, SKW, SST 或者 v2f

–

对高度旋涡流动、三维、旋转流动，使用 RSM

–

记住目前没有一个适用于所有流动的高级模型!


模型描述

Spalart

–

Allmaras

直接求解修正的湍流粘性的单方程模型，主要用于气动和封闭腔内流动，可以

选择包括湍动能产生项的应变率以提高对涡流的模拟精度

Standard k–ε 求解 k 和ε的基本两方程模型，模型系数通过试验拟合得到，适合完全湍流，

可以处理粘性加热、浮力、压缩性等物理现象

RNG k–ε 是标准 k–ε模型的修正，方程和系数是分析得到，主要修正了 ε 方程以提高

强应变流动的模拟精度，附加的选项能帮助模拟旋涡流和低雷诺数流动

Realizable k–ε 是标准 k–ε模型的修正，可实现体现在施加数学约束，以服从提供模型性能的

目标

Standard k–ω 求解 k 和 ω的两方程模型，对封闭腔流动和低雷诺数流动有优势，可以选择包

括转捩、自由剪切、压缩流动

SST k–ω 是标准

k–ω模型的修正，通过使用混合函数，在近壁面处使用k–ω 模型，其

他区域使用k–ε模型。也限制了湍流粘性确保

τT ~ k，包括转捩和剪切流选

项，不包括压缩性选项

Reynolds Stress 直接求解输运方程，克服了其他模型的各向同性粘性的缺陷，用于高旋流。对

可以选择适用剪切流的压力-应变的二次关系式flows.

RANS 模型描述


RANS 模型总结

模型总结

Spalart

–

Allmaras

对大规模网格，计算较经济；对三维流、自由剪切流、强分离流模拟较差，适合

不太复杂的流动（准二维），如翼型、机翼、机身、导弹、船身等

Standard k–ε 稳定性好，尽管有缺陷，使用仍很广泛。对包括严重压力梯度、分离、强曲率流

模拟较差，适合初始迭代，预研阶段，参数研究

RNG k–ε 适合包括快速应变的复杂剪切流、中等旋涡流动、局部转捩流（如边界层分离、

钝体尾迹涡、大角度失速、房间通风等）

Realizable k–ε 应用范围类似 RNG. 可能更精确和更易收敛

Standard k–ω 对封闭腔内边界层、自由剪切流、低雷诺数流模拟较好，适合有反向压力梯度和

分离的复杂边界层（外气动和旋转机械），可用于转捩流动。一般预测的分离点

过早。

SST k–ω 优势类似于 k–ω. 由于对壁面距离的敏感，不太适合自由剪切流

Reynolds Stress 物理上是最可靠的RANS 模型，克服了涡粘模型的各向同性假设。需要更多的

CPU时间和内存，由于方程间强耦合性，收敛稍差。适合复杂三维流动，强旋

流等，如旋流燃烧器，旋风分离器等



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ANSYS FLUENT

培训教材第六节：传热模型



概要

能量方程

壁面边界条件

共轭传热

薄壁和双面壁

自然对流

辐射模型

报告-输出


能量方程

能量输运方程:

–

单位质量的能量 E :

–

对可压缩性流体，或者密度基求解器，总是考虑压力做功和动能。对压

力基求解器计算不可压流体，这些项被忽略，可以用下面的命令加入:

– define/models/energy?

Conduction SpeciesDiffusion

ViscousDissipation

ConductionUnsteady Enthalpy Source/Sink


固体域的能量方程

能计算固体域的导热

能量方程:

–

h 显焓:

固体域的各向异性导热系数（压力基求解器）


壁面边界条件

五类热边界条件

–

热流量

–

温度

–

对流 –

模拟外部环境的对流（用户定义换热系数）

–

辐射 –

模拟外部环境的辐射（用户定义外部发射率和辐射温度）

–

混合 –

对流和辐射边界的

结合.

壁面材料和厚度可以定义

为一维或壳导热计算


共轭传热

CHT固体域的导热和流体域的对流换热耦合

在流体/固体交界面使用耦合边界条件

Coolant Flow Past Heated Rods

Grid

Velocity Vectors

Temperature Contours


共轭传热例子

Circuit board (externally cooled)k = 0.1 W/m·Kh = 1.5 W/m2·KT∞

= 298 K

Air inletV = 0.5 m/sT = 298 K

Electronic Component(one half is modeled)k = 1.0 W/m·KHeat generation rate of 2 watts (each component)

Top wall(externally cooled)h = 1.5 W/m2·KT∞

= 298 K

Symmetry Planes

Air outlet


问题设置-热源

在固体域加入热源模拟电子部件的生成热


温度分布

Flowdirection

Convection Boundary1.5 W/m2

K298 K free stream temp.

Convection boundary1.5 W/m2

K298 K free stream tempFront View

Top View (image mirrored about symmetry plane)

Elect. Component

(solid zone)2 Watts source

Board(solid zone)

Air (fluid zone)

298

426

410

394

378

362

346

330

314

Temp.(ºF)

Flowdirection


替代的模拟策略

可替代的策略为模拟壁面为一有厚度面 (Thin Wall model).

这时，不需对固体域划分网格


对固体板划分网格 vs. 薄壁方法

对固体板划分网格

–

在固体域求解能量方程l.

–

板厚度需用网格离散

–

精确的方法，但需要多计算网格

–

由于壁面两侧都有网格，总是应用耦合热边界条件

Fluid zone

Solid zone

Wall zone(with shadow)

Wall thermal resistance directly accounted for in the Energy equation; Through-thickness temperature

distribution is calculated.Bidirectional heat conduction is calculated.


对固体板划分网格 vs. 薄壁方法

薄壁方法

–

人工模型模拟壁面热阻

–

壁面需要必要的数据输入（材料导热系数，厚度）

–

只有对内部边界用耦合边界条件

Fluid zoneWall zone(no shadow)

Wall thermal resistance is calculated using artificial wall thickness and material type. Through-thickness

temperature distribution is assumed to be linear.Conduction is only calculated in the wall-normal

direction unless Shell Conduction is enabled.


壳导热模型

壳导热模型处理板内部的导热

求解器创建额外的导热单元，但不能显示，也不能通过UDF获得

固体属性必须是常数，不能和温度相关

Static Temperature(cell value)

Virtual conduction cells


自然对流

当流体加热后密度变化时，发生自然对流

流动是由密度差引起的重力驱动的

有重力存在时，动量方程的压力梯度和体积力项重写为：:

其中


自然对流 –Boussinesq

模型

Boussinesq

模型假设流体密度是不变的，只是改变动量方程沿着重力

方向的体积力

–

适用于密度变化小的情况 (例如，温度在小范围内变化).

对许多自然对流问题，Boussinesq

假设有更好的收敛性

–

常密度假设减少了非线性.

–

密度变化较小时适合.

–

不能和有化学反应的组分输运方程同时使用.

封闭空间的自然对流问题

–

对稳态问题，必须使用 Boussinesq

模型.

–

非稳态问题，可以使用 Boussinesq

模型或者理想气体模型


自然对流的用户输入

在操作条件面板中定义重力加速度

定义密度模型–

Boussinesq

模型

•

激活重力项.•

设置操作温度 T0

.•

选择 Boussinesq

模型，输入

密度值 ρ0

.•

设置热膨胀系数 β.

–

使用温度变化模型 (ideal gas, Aungier-

Redlich-Kwong, polynomial):•

设置操作密度或

•

让 FLUENT 从单元平均中计

算 ρ0


辐射

当和对流及导热换热相比，

量级相当时，应该考虑辐射效应

–

σ ， Stefan-Boltzmann常数, 5.67×10-8

W/(m2·K4)

要考虑辐射，需求解辐射强度输运方程RTEs–

当地流体对辐射能的吸收，以及边界对辐射的吸收，把RTEs

和能量方程耦合起

来

–

这些方程常常和流动方程分离求解，然而，他们也可以和流动耦合

辐射强度, I(r,s),和方向及空间是相关的

FLUENT中有五个辐射模型

–

离散坐标模型 (DOM)–

离散传输辐射模型 (DTRM)

–

P1 模型

–

Rosseland

模型l–

Surface-to-Surface (S2S)


选择辐射模型

指南：

–

计算代价

•

P1 计算代价小，有合理的精度

–

精度

•

DTRM 和 DOM 精确.

–

光学厚度

•

DTRM/DOM 适合光学厚度小的模型 (αL << 1)

•

P1 适合光学厚度大的模型.

•

S2S 适合零厚度模型

–

散射

•

只有 P1 和 DO能考虑散射

–

颗粒辐射

•

P1 和 DOM 能考虑气体和颗粒间的辐射换热

–

局部热源

•

适合用DTRM/DOM 带足够数量的射线/坐标计算


附录


太阳辐射模型

太阳辐射模型

–

太阳辐射能量的射线追踪算法，

和其他辐射模型兼容

–

允许并行计算（但射线追踪算法

不能并行）

–

仅适用3D特点

–

太阳方向向量

–

太阳强度（方向，散射）

–

使用理论大或气象条件计算方

向和方向强度

–

瞬态情况•

当方向向量是用太阳计算器算出

的化，瞬态计算中太阳方向矢量

会随时间改变

•

设置 “time steps per solar load update”


能量方程源项 –

粘性耗散

粘性耗散引起的能量源项:

–

也称为粘性加热

–

对粘性剪切力大的流体（如

润滑油）和高速可压缩流动

比较重要

–

常常忽略

•

缺省的压力基求解器不包括.

•

密度基求解器一般包括.

–

当 Brinkman 数接近或超过1 时重要


能量方程源项 –

组分扩散

多组分流中因为组分扩散引起的能量源项：

–

包括了由于组分扩散引起的

焓输运效应

–

密度基求解器总包含

–

在压力基求解器中可以不显

示此项


能量方程 –

源项

化学反应流中由于化学反应引起的能量源项

–

所有组分的生成焓

–

所有组分的体积生成率

由于辐射引起的能量源项

相间能量源项:

–

包括连续相和离散相间的传热

–

DPM, 喷雾, 颗粒…


薄壁中的温度分布

薄壁模型应用于法向导热，不生成实际的单元

壁面热边界条件应用于外层

Thermal boundary condition on wall

Static temperature(cell value)

Thin wall(no mesh)

Wall temperature(outer surface)

Wall temperature(inner surface)


薄壁和两侧壁面

薄壁方法中，壁面厚度不需划分网格

在两个区域之间模拟薄层的材料

求解器施加热阻 x/k

边界条件施加在外层面上

Thermal boundary conditions are supplied on the inner surface of a thin

wall

Exterior wall(user-specified thickness)

Fluid or solid cells

Outer surface(calculated)

Inner surface(thermal boundary condition specified here)

x

Interior wall(user-specified thickness)

1k 2k

Interior wall shadow(user-specified thickness)

22 or Tq

11 or Tq

Thermal boundary conditions are supplied on the inner surfaces of

uncoupled wall/shadow pairs




离散坐标模型

Absorption Emission Scattering

在有限的离散立体角度σs上求解辐射输运方程 :

优势:–

守恒方法能保证粗的离散方式上实现热平衡

•

通过更密的离散方式能提高精度

–

综合性的模型:•

考虑了散射、半透明介质、镜面以及波长相关的灰体模型

局限性: –

求解大数量坐标耗费CPU过多


离散传输辐射模型 (DTRM)

主要的假设 –

特定范围角度的离开表面的辐射能用一束射线近似

使用射线跟踪技术，沿着每条射线积分辐射强度

优势:

–

相对简单的模型

–

增加射线数量能提高精度

–

适用大范围的光学厚度

局限性:–

假设所有表面是漫射的.

–

不包括散射.

–

求解大数量的射线耗费CPU过多.


P-1 模型

主要假设 –

对RTE积分后，和方向不再相关，导出入射辐射的扩散方程

优势:–

辐射传热方程更易求解，耗费资源少

–

包括散射效应•

颗粒、液滴和烟灰的影响

–

对光学厚度大的应用（如燃烧）较合理

局限性:–

假设所有面都是漫射的

–

如果光学厚度小的话，可能导致精度损失（取决于几何的复杂

性）

–

对局部热源或汇，预测的辐射热过高


Surface-to-Surface (S2S) 辐射模型

S2S辐射模型用于模拟介质不参与的辐射

–

例如，太空飞船的排热系统、太阳能搜集系统、辐射加热器、汽

车发动机舱散热等

–

S2S 是基于角系数的模型

–

假设没有介质参与

局限性: –

S2S 模型假设所有面是散射的

–

假设是灰体辐射

–

随着表面数量的增加，存储和内存增加很快

•

可以使用面族来减少内存使用

▪

面族不能和滑移网格及悬节点同时使用

–

不能使用于周期性或对称边界条件


输出 –

ANSYS

输出扩展名为 .rfl的 ANSYS 结果文件，读入到ANSYS的顺序为：

1.

在 ANSYS中，到“

General Postproc

Data”及“

File Options”，读入

FLUENT生成的文件

2.

到“

Results Summary ”，点击第一行，能看到ANSYS_56_OUTPUT 窗口显示的几何信息

3.

在 ANSYS 输入窗口，键入下面的命令: SET,FIRST/PREP7ET,1,142后一个命令对应 FLOTRAN 3D 单元，如果你使用二维计算，应改

为：ET,1,141. 4.

在 ANSYS MULTIPHYSICS UTITLITY 菜单，选择 Plot 及 Nodes 或

Elements, 在下拉窗口的Results中，选择包括节点


输出–

ANSYS

通过 GUI 或 TUI输出ANSYS 文件

/file/export/ansys file-name

文件包括坐标、连接关系及下面

的标量：

–

Density, viscosity–

X, Y, Z velocity, pressure, temperature

–

Turbulence kinetic energy, turbulence dissipation rate, turbulent viscosity, effective viscosity

–

Thermal conductivity (laminar, turbulent, effective)–

Total pressure and temperature, pressure coefficient, Mach number, stream function, heat flux, heat transfer coefficient, wall shear stress, specific heat


输出 –

ABAQUS

输出文件（ file.aba）包括坐标、连接关系、选择的载荷、域组、速度、选择的标量等

只对三维模型有效，并且是固体域或固体域的表面

流体域的传热系数不可写出

下面命令对做流固交界面分析有用

file/export/abaqus file-name list-of-surfaces ()

yes|no list-of-scalars q


输出其他格式

NASTRAN/PATRAN

对于 ABAQUS, NASTRAN, 和 PATRAN, 选择要写出的载荷

(Force,

Temperature, and/or Heat Flux) 来分析结构应力

(fluid pressure or

thermal)

如果没有选择面的话，载荷只在边界面上写出

Format

Suppor ted

Versio n

Abaqus 6.3

ANSYS 10

ASCII n/

CGNS 2

NASTR 2001


报告 – Heat Flux

Heat flux 报告:

–

建议检查热平衡以确

保计算收敛

输出 Heat Flux 数据:

–

可以输出壁面的热通量数据

（包括辐射）

file/export/custom-heat-flux

–

文件格式: zone-name nfacesx_f y_f z_f A Q T_w T_c HTC…


报告 –

传热系数

基于壁面函数的传热系数

其中 cP

为比热, kP

是点P处湍动能, T* 无量纲温度:

–

只有湍流并且能量方程开关打开时有用



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ANSYS FLUENT

培训教材第七节：UDF



概要

FLUENT UDF简介

FLUENT 数据结构和宏

两个例子

UDF 支持


简介

什么是UDF?–

UDF 是用户自己用C语言写的一个函数，可以和FLUENT动态链接

•

标准C 函数

▪

三角函数，指数，控制块，Do循环，文件读入/输出等

•

预定义宏

▪

允许获得流场变量，材料属性，单元几何信息及其他

为什么使用 UDFs?–

标准的界面不能编程模拟所有需求:

•

定制边界条件，源项，反应速率，材料属性等

•

定制物理模型

•

用户提供的模型方程

•

调整函数

•

执行和需求函数

•

初始化


可以使用UDF的位置

User-Defined PropertiesUser-Defined BCs

User Defined INITIALIZE

Segregated PBCS

Exit Loop

Repeat

Check Convergence

Update Properties

Solve Turbulence Equation(s)

Solve Species

Solve Energy

Initialize Begin Loop

DBCS

Solve Other Transport Equations as required

Solver?

Solve Mass Continuity;Update Velocity

Solve U-Momentum

Solve V-Momentum

Solve W-Momentum

Solve Mass& Momentum

Solve Mass,Momentum,

Energy,Species

User- defined ADJUST

Source termsSource terms

Source terms

Sourceterms


UDF 数据结构 (1)

在UDF中，体域和面域通过Thread数据类型获得

Thread 是 FLUENT 定义的数据类型

为了在thread (zone)中获得数据，我们需要提供正确的指针，并使用循环宏获得thread中的每个成员(cell or face)

Fluid (cell thread or zone)

Boundary (face thread or zone)

Domain

Cell

Domain

CellsCells

Cell Thread

face Thread face

Thread

FacesFaces


UDF 数据结构(2)

cell_t 声明了识别单元的整型数据类型

face_t声明了识别面的整型数据类型

TypeType VariableVariable Meaning of the declarationMeaning of the declarationDomain *d; d is a pointer to domain threadThread *t; t is a pointer to thread cell_t c; c is cell thread variableface_t f; f is a face thread variableNode *node; node is a pointer to a node.

Boundary face-thread(boundary-face ensemble)

Fluid cell-thread(control-volume ensemble)

Internal face-thread(internal-face ensemble)associated with cell-threads

Nodes


UDF中的循环宏

几个经常用到的循环宏为:–

对域d中所有单元thread循环:

thread_loop_c(ct,d) { }

–

对域d中所有面thread循环: thread_loop_f(ft,d) { }

–

对thread t中所有单元循环：

begin_c_loop(c, t) {…}

end_c_loop (c,t)

–

对面thread中所有面循环

begin_f_loop(f, f_thread) { … } end_f_loop(f, f_thread)

d: a domain pointer ct, t: a cell thread pointerft,f_thread: a face thread

pointerc: a cell thread variablef: a face thread variable

d: a domain pointer ct, t: a cell thread pointerft,f_thread: a face thread

pointerc: a cell thread variablef: a face thread variable


例子 –

抛物线分布的速度入口

在二维弯管入口施加抛物线分布的速度

x 方向的速度定义为

需要通过宏获得入口的中心点，

通过另外一个宏赋予速度条件


第1步 –

准备源代码

DEFINE_PROFILE 宏允许定

义x_velocity函数

–

所有的UDFs

以 DEFINE_ 宏开始

– x_velocity 将在 GUI中出现

– thread 和 nv DEFINE_PROFILE 宏的参

数，

分别用来识别域和变量– begin_f_loop宏通过

thread指针，对所有的面f 循环

F_CENTROID宏赋单元位置向

量给 x[] F_PROFILE 宏在面 f上施加

速度分量

代码以文本文件保存

inlet_bc.c

#include "udf.h"DEFINE_PROFILE(x_velocity,thread,nv){float x[3]; /* an array for the

coordinates */float y;face_t f; /* f is a face

thread index */

begin_f_loop(f, thread){

F_CENTROID(x,f,thread);y = x[1];F_PROFILE(f, thread, nv)

= 20.*(1.- y*y/(.0745*.0745));

}end_f_loop(f, thread)

}

Header file “udf.h” must be included at the topof the program by the #include command


第 2 步 –

解释或编译 UDF编译UDF

把 UDF 源码加入到源文件列表中

点击 Build进行编译和链接

如果没有错误，点击Load读入库文件

如需要，也可以卸载库文件

/define/user- defined/functions/manage

解释UDF

把 UDF 源码加入到源文件列表中

点击 InterpretFLUENT 窗口会出现语言

如果没有错误，点击 Close

Define User-Defined Functions Compiled Define User-Defined Functions Interpreted


解释 vs. 编译

用户函数可以在运行时读入并解释，也可以编译形成共享库文件并和

FLUENT链接

解释 vs. 编译

–

解释

•

解释器是占用内存的一个大型程序

•

通过逐行即时执行代码

•

优势 –

不需要第三方编译器

•

劣势 –

解释过程慢，且占用内存

–

编译

•

UDF 代码一次转换为机器语言

•

运行效率高.

•

创建共享库，和其他求解器链接

•

克服解释器的缺陷

只有在没安装C编译器时使用解释方式


第3 步–

在 FLUENT GUI中hook UDF

打开边界条件面板，选择你要施加UDF的边界

把 Constant 改为 udf x_velocity

宏的名字为 DEFINE_PROFILE 中第一个参数


第4步 –

运行

可以在运行窗口中改变速度分布的更新间隔（默认为1）

–

这个设置控制了流场多久（迭代或时间步）更新一次

运行 calculation


结果

左图为速度矢量图

右图为入口的速度矢量图，注意速度分布是抛物线型的


其他 UDF Hooks

除了边界条件、源项、材料属性外， UDF 还可用于

–

初始化•

每次初始化执行一次

–

求解调整•

每次迭代执行一次

–

壁面热流量•

以传热系数方式定义流体侧的扩散和

辐射热流量

•

应用于所有壁面

–

用户定义表面反应或体积反应

–

Case/ data 文件的读写

•

读入顺序必须和写出顺序一致

–

Execute-on-Demand 功能

•

不参与求解迭代

Define User-Defined Function Hooks


例 2 –

定制初始化

在球内设定初始温度600 K 球中心点位于 (0.5, 0.5, 0.5), 半

径为 0.25, 其余区域为300 K

域指针通过变量传递到UDF

thread_loop_c 宏用来获得所有单元threads (zones),

begin_c_loop 宏获得每个单元thread中的单元

#include "udf.h“

DEFINE_INIT(my_init_function, domain){cell_t c;Thread *ct;real xc[ND_ND];thread_loop_c(ct,domain){

begin_c_loop (c,ct){C_CENTROID(xc,c,ct);if (sqrt(ND_SUM(pow(xc[0]-

0.5,2.),pow(xc[1] - 0.5,2.),pow(xc[2] - 0.5,2.))) < 0.25)

C_T(c,ct) = 600.;else

C_T(c,ct) = 300.;}

end_c_loop (c,ct)}}


DEFINE 宏

DEFINE 宏的例子DEFINE_ADJUST(name,domain); general purpose UDF called every iterationDEFINE_INIT(name,domain); UDF used to initialize field variablesDEFINE_ON_DEMAND(name); an ‘execute-on-demand’ functionDEFINE_RW_FILE(name,fp); customize reads/writes to case/data filesDEFINE_PROFILE(name,thread,index); boundary profilesDEFINE_SOURCE(name,cell,thread,dS,index); equation source termsDEFINE_HEAT_FLUX(name,face,thread,c0,t0,cid,cir); heat fluxDEFINE_PROPERTY(name,cell,thread); material propertiesDEFINE_DIFFUSIVITY(name,cell,thread,index); UDS and species diffusivitiesDEFINE_UDS_FLUX(name,face,thread,index); defines UDS flux termsDEFINE_UDS_UNSTEADY(name,cell,thread,index,apu,su); UDS transient termsDEFINE_SR_RATE(name,face,thread,r,mw,yi,rr); surface reaction ratesDEFINE_VR_RATE(name,cell,thread,r,mw,yi,rr,rr_t); volumetric reaction ratesDEFINE_SCAT_PHASE_FUNC(name,cell,face); scattering phase function for DOMDEFINE_DELTAT(name,domain); variable time step size for unsteady problemsDEFINE_TURBULENT_VISCOSITY(name,cell,thread); calculates turbulent viscosityDEFINE_TURB_PREMIX_SOURCE(name,cell,thread,turbflamespeed,source);

turbulent flame speedDEFINE_NOX_RATE(name,cell,thread,nox); NOx production and destruction rates


几何和时间宏

C_NNODES(c,t); Returns nodes/cellC_NFACES(c,t); Returns faces/cellF_NNODES(f,t); Returns nodes/faceC_CENTROID(x,c,t); Returns coordinates of cell centroid

in array

x[]F_CENTROID(x,f,t); Returns coordinates of face centroid

in array

x[]F_AREA(A,f,t); Returns area vector in array A[]C_VOLUME(c,t); Returns cell volume C_VOLUME_2D(c,t); Returns cell volume (axisymmetric

domain)

real flow_time(); Returns actual timeint time_step; Returns time step numberRP_Get_Real(“physical-time-step”); Returns time step

size


流场变量宏

C_R(c,t); DensityC_P(c,t); PressureC_U(c,t); U-velocityC_V(c,t); V-velocityC_W(c,t); W-velocityC_T(c,t); TemperatureC_H(c,t); EnthalpyC_K(c,t); Turbulent kinetic energy (k)C_D(c,t); Turbulent dissipation rate (ε)C_O(c,t); Specific dissipation of k (ω) C_YI(c,t,i); Species mass fractionC_UDSI(c,t,i); UDS scalarsC_UDMI(c,t,i); UDM scalars

C_DUDX(c,t); Velocity derivativeC_DUDY(c,t); Velocity derivativeC_DUDZ(c,t); Velocity derivative

C_DVDX(c,t); Velocity derivativeC_DVDY(c,t); Velocity derivativeC_DVDZ(c,t); Velocity derivativeC_DWDX(c,t); Velocity derivativeC_DWDY(c,t); Velocity derivativeC_DWDZ(c,t); Velocity derivative

C_MU_L(c,t); Laminar viscosityC_MU_T(c,t); Turbulent viscosityC_MU_EFF(c,t); Effective

viscosityC_K_L(c,t); Laminar thermal

conductivityC_K_T(c,t); Turbulent thermal

conductivityC_K_EFF(c,t); Effective thermal

conductivityC_CP(c,t); Specific heatC_RGAS(c,t); Gas constant


流场变量宏

C_R(c,t); DensityC_P(c,t); PressureC_U(c,t); U-velocityC_V(c,t); V-velocityC_W(c,t); W-velocityC_T(c,t); TemperatureC_H(c,t); EnthalpyC_K(c,t); Turbulent kinetic energy (k)C_D(c,t); Turbulent dissipation rate

(ε)C_O(c,t); Specific dissipation of k (ω) C_YI(c,t,i); Species mass fractionC_UDSI(c,t,i); UDS scalarsC_UDMI(c,t,i); UDM scalars

C_DUDX(c,t); Velocity derivativeC_DUDY(c,t); Velocity derivativeC_DUDZ(c,t); Velocity derivative

C_DVDX(c,t); Velocity derivativeC_DVDY(c,t); Velocity derivativeC_DVDZ(c,t); Velocity derivativeC_DWDX(c,t); Velocity derivativeC_DWDY(c,t); Velocity derivativeC_DWDZ(c,t); Velocity derivative

C_MU_L(c,t); Laminar viscosityC_MU_T(c,t); Turbulent viscosityC_MU_EFF(c,t); Effective viscosityC_K_L(c,t); Laminar thermal

conductivityC_K_T(c,t); Turbulent thermal

conductivityC_K_EFF(c,t); Effective thermal

conductivityC_CP(c,t); Specific heatC_RGAS(c,t); Gas constantC_DIFF_L(c,t); Laminar species

diffusivityC_DIFF_EFF(c,t,i); Effective

species

diffusivity


UDM

对每个单元由用户分配内存

–

定义多达500个变量

–

可以通过 UDFs获得:•

C_UDMI(cell,thread,index);

•

F_UDMI(face,thread,index);

–

数据信息存在 FLUENT data 文件中

Define User-Defined Memory


UDS

FLUENT 可以求解多达50个用户

定义标量的输运方程

–

UDS 变量的数量

–

UDS 在哪个域内求解

–

通量函数

•DEFINE_UDS_FLUX(name,face,thread,index)

–

非稳态函数

•DEFINE_UDS_UNSTEADY(name,cell,thread,index,apu,su)

例子

–

能用来求解磁流体方程

Define User-Defined Scalars


其他宏

还有许多其他宏:

–

湍流模型

–

多相流模型

–

化学反应流

–

动网格

–

输入/输出


UDF 技术支持

由于 UDFs

可能非常复杂, ANSYS 不对用户的UDFs精度及求解稳定性负责

支持限于UDFs

和 FLUENT 求解器间的通讯



PERA China


ANSYS FLUENT

培训教材第八节：物理模型



概要

多相流模型– Discrete phase model– Eulerian model– Mixture model– Volume-of-fluid model

化学反应模型– Eddy dissipation model– Non-premixed, premixed and partially premixed combustion models– Detailed chemistry models– Pollutant formation– Surface reactions

动网格– Single and multiple reference frames– Mixing planes– Sliding meshes– Dynamic meshes– Six-degree-of-freedom solver


多相流模型


简介

相具有可定义的边界，对周围流场有特定的动力响应

相一般分为固体、液体和气体，但也指其他形式：有不同化学属性的材料，但属于同一种物理相（如液-液）

多相流体系统分为一种主流体相和多种次流体相

– 其中一种流体是连续的（主流体）

– 其他相是离散的，存在于连续相中

– 可以有多种次流体相，代表不同尺寸的颗粒

Primary Phase

Secondary phase(s)


多相流体系

– 气泡流 – 连续液体中存在离散的气

泡，如气体吸收器，蒸发设备，鼓

泡设备

– 液滴流 – 连续气体中的离散液滴，

如喷雾器、燃烧器

– 柱塞流 – 连续液体中的大尺度气泡

– 分层 / 自由表面流– 不相溶的流体被

清晰的界面分开，如自由表面流

– 颗粒流 – 连续气体中的离散固体颗

粒，如旋风分离器，空气净化器，

吸尘器

– 流化床 – 流化床反应器

– 泥浆流 – 液体中的固体颗粒，固体

悬浮、沉积、液力输运

气/液液/液

气/固

液/固

Pneumatic Transport,Hydrotransport, or Slurry Flow

Fluidized BedSedimentation

Stratified / Free-Surface Flow

Slug Flow Bubbly, Droplet, orParticle-Laden Flow


FLUENT中的多相流模型

FLUENT 包括四种不同的多相流模型:– Discrete Phase Model (DPM)

– Volume of Fluid Model (VOF)

– Eulerian Model

– Mixture Model

选择合适的模型非常重要

– 取决于流体是分层的还是离散的-两相间的长度尺度界定这个

区别

– Stokes数 (颗粒松弛时间和流体特征时间的比例）也应该考

虑进来


DPM 例子-喷雾干燥

喷雾干燥包括液体以雾状方式喷入加热的容器中，用DPM模拟流动、传热、传质过程

Contours of Evaporated

WaterStochastic Particle Trajectories for Different Initial Diameters

Initial particleDiameter: 2 mm

0.2 mm1.1 mm


欧拉模型的例子 – 三维气泡床

Liquid Velocity Vectors Isosurface of Gas Volume Fraction = 0.175

z = 5 cm

z = 10 cm

z = 15 cm

z = 20 cm


欧拉模型中的粒状选项

当存在高浓度的固体颗粒时，会导致颗粒间高频率的碰撞，此时应选Granular

假设颗粒的行为类似一团密集分子的碰撞行为，对颗粒相使用分子云理论

应用这个理论后，连续相和颗粒相的动量方程都增加了附加应力

– 这些应力 (颗粒 “粘性”, “压力” 等.) 由颗粒

速度脉动强度确定

– 伴随颗粒速度脉动的动能由拟热“pseudo- thermal” 或颗粒温度代表

– 不考虑颗粒的弹性变形

Contours of Solids VolumeFraction for High Velocity

Gas/Sand Production

Gas / Sand

Gas

Gravity


混合模型案例 – 气体鼓泡

用混合模型模拟氮气

喷入混合器中的流

动，用MRF方法模拟

旋转叶片的效应

FLUENT 很好的模拟了

气体的停顿和搅动过

程。

Animation of Gas Volume Fraction

Contours

Water Velocity Vectors on a Central Plane at

t = 15 sec.


VOF 案例 – 汽车油箱晃动

模拟不同加速条件

下，液体在汽车油箱

中的自由液面晃动

模拟显示油箱底部的

挡板可以保持入油口

浸没在油中，如果没

有挡板时，入油口在

某些时间会露出油面

Fuel Tank Without Baffles

t = 1.05 sec t = 2.05 sec

Fuel Tank With Baffles


化学反应流


Temperature in a Gas Furnace

CO2 Mass Fraction

Stream Function

化学反应流的应用

FLUENT 包含了从计算均相反应到非均相反应的多个反应模型

– 炉子

– 锅炉

– 热处理炉

– 燃气轮机

– 火箭发动机

– 内燃机

– CVD, 催化反应

反应流一般预测

– 流动和混合

– 温度

– 组分浓度

– 颗粒和污染


背景知识

模拟燃烧中的化学反应

– 快速化学反应

• 全局化学反应机理（有限速率/涡耗散）

• 平衡/小火焰模型（混合分数）

– 有限速率反应

流动结构– 非预混反应系统

• 可简化为混合系统

– 预混反应系统• 冷态反应物传播到热的生成物中.

Fuel

Oxidizer

Reactor Outlet

Fuel+

OxidizerReactor Outlet

Fuel+

OxidizerReactor

SecondaryFuel or Oxidizer

Outlet


化学

反应

流动结构

PremixedNon- Premixed

Partially Premixed

Fast Chemistry

Eddy Dissipation Model(Species Transport)

Premixed Combustion

Model

Non-Premixed Equilibrium

Model

Partially Premixed Model

Reaction Progress Variable*

Mixture Fraction

Reaction Progress Variable

+Mixture Fraction

Finite-Rate Chemistry

Laminar Flamelet Model

Laminar Finite-Rate Model

Eddy-Dissipation Concept (EDC) Model

Composition PDF Transport Model

FLUENT中反应流模型


污染物模型

NOx 形成模型（预测定性的 NOx 形成趋势）

– FLUENT 包括三种 NOx 产生机理• Thermal NOx• Prompt NOx• Fuel NOx

– NOx 还原模型

– 选择性非催化还原模型 (SNCR) l• 喷入氨水或尿素

烟灰形成模型– Moos-Brookes 模型

– 一步模型，两步模型

– 烟灰对辐射吸收的影响

SOx 形成模型

– 求解SO2, H2S, 或者SO3 方程

– 一般 SOx 预测都作为后处理过程来进行


DPM模型

描述– 颗粒/液滴/气泡的轨迹在拉格朗日坐标系求解– 颗粒和连续相可以进行热、质量、动量的交换– 每一条轨迹代表一组有相同初始属性颗粒的行为– 单个颗粒的互相影响被忽略– 离散相体积分数必须小于10

多个子模型– 离散相的加热/冷却– 液滴的蒸发和沸腾– 可燃固体的挥发分析出和焦炭燃烧– 喷雾模型模拟液滴破碎和聚合– 磨损/增长

应用范围– 颗粒分离、分级、喷雾干燥、浮质沉积、气泡喷射、液体燃料和煤粉燃

烧.


表面反应

对于化学组分沉积到表面的反应，将沉积的组分处理为和气相组分不同的另外一种组分

对每个吸收表面组分求解地点平衡方程

– 可以考虑详细表面反应机理（任意的多步反应，任意数量的气相

组分/沉积组分）

– CHEMKIN 中的表面反应机理可以读入 FLUENT.

– 表面反应可以在壁面或多孔介质中发生

– 可以在不同的表面定义不同的表面反应机理

应用案例

– 催化反应

– CVD（化学沉积）


总结

对反应流动，有四个基础的教程

– 组分传输和气相燃烧

– 非预混燃烧

– 表面化学反应

– 液滴挥发


动网格


动网格简介

许多问题需要考虑平移或旋转的部件

对移动域，有两种基本的模型方法:

– 运动的参考坐标系• 参考坐标系和运动域联系在一起

• 修正控制方程来考虑运动坐标系

– 运动/变形域

• 域的位置和形状在静止坐标系下跟踪

• 求解本质上是瞬态的


运动域的CFD模型方法

单参考坐标系(SRF)

多参考坐标系(MRF)

混合平面法(MPM)

滑移网格

(SMM)

运动坐标系运动域

运动 / 变形网

格 (MDM)


单参考坐标系模型 (SRF)

SRF 把单一的运动域和一个坐标系

连接起来

– 所有的流体域在运动坐标系下定义

– 旋转坐标系引入了附件加速度

为什么要使用运动坐标系?– 在静止坐标系下流场是瞬态的，使

用旋转坐标系后流场可以看做稳态

的

– 优势• 用稳态方法求解*• 边界条件更简单

• 调试更快捷

• 更容易的后处理的分析

CentrifugalCompressor

(single blade passage)

*注意: 在旋转坐标系下有时依然有瞬态现

象，如湍流、周期非平衡、分离、涡脱落

等


多参考坐标系模型 (MRF)

包括有静止域和运动域的多域问题，

此时，单参考坐标系不适合

这类系统可以这样处理：把域分割为

多个域：一些域旋转，一些域静止

域之间通过交界面传递数据

对交界面的处理方式分为以下几种：

– 多参考坐标系模型 (MRF)

– 混合平面模型 (MPM)

– 滑移网格模型 (SMM)

interface

Multiple Component(blower wheel + casing)

稳态（近似）

瞬态（精确）


混合平面模型 (MPM)

MPM方法是对多级轴流和离心旋

转机械的稳态解法

– 也适用于其他一般问题

域有多个单通道、旋转或静止流

体域组成

– 每个域有自己的进口、出口、

壁面和周期边界（每个域是一

个SRF模型）

对每个域求解稳态的 SRF，通过

边界条件链接各个域

– 链接域的边界称为混合平面

– 通过混合平面的变量是周向平

均值，随每步迭代更新• 分布可以是径向或轴向

– 求解收敛后，混合平面将调整

为一般流动条件

Mixing plane(Pressure outlet linked with

a mass flow inlet)

MPM的优势:只需要一个流道，和叶片数量无关


滑移网格模型 (SMM)

旋转机械中，静止部件和旋转部件的相

对运动导致瞬态相互作用，一般分为以

下几种：

– 位差相互作用

(压力波相互作用)– 尾迹相互作用

– 激波相互作用

MRF 和 MPM 模型都忽略了瞬态相互

作用，仅限于瞬态效应小的流动

如果瞬态效应不能忽略，可以使用

SMM方法考虑静止部件和旋转部件的

相对运动

wake interaction

Shockinteraction

potential interaction

StatorRotor


SMM模型如何工作

和 MRF 模型类似的是，计算域分为运动域和静止域，由非一致网格界

面连接

和 MRF 模型不同的是，每个域的网格是时间的函数，随时间改变，这

样使得问题本身就是瞬态的。

另一个和 MRF 模型不同之处是，控制方程有新的动网格形式，在静止

坐标系下求解绝对量

– 没有使用运动坐标系形式（例如，动量方程源项中没有附加加速度的作

用）

– 方程组是通用的运动/变形网格形式的一种特殊情况

• 假设为刚性网格运动和滑移，非一致网格界面

cells at time t cells at time t + Δt

moving mesh zone


动网格方法 (DM)

内部节点位置随着边界的运动自动计算

基本格式

– 弹簧式 (光顺)

– 局部重新划分

– 层铺式

其他方法

– 2.5 D

– 用户定义网格运动

– 内燃机网格运动 (RPM, stroke length, crank angle, …)

– 通过分布或UDF预先定义的运动

– 通过6DOF求解器，把流场求解的气动力和运动耦合起来


动网格方法

层铺法

随着边界的移动，单元层生

成或消失。单元层可以是四

边形/六面体/四面体类型，

适合边界在小范围或大范围

内的线性或旋转运动

局部重划法

随着边界移动，网格扭曲大的区域网格重新划分。适用于三角形/四面体网格类型，

边界运动范围大。

弹簧式

弹簧式适用于小范围的边界变形，单元的连接和数量不变，弹簧式适用于小范围变形的三

角形/四面体网格


动网格模型

FLUENT引入动网格模型来移动边界，并调整网格

例子:

– 内燃机汽缸内的活塞运动

– 容积泵

– 机翼摆动

– 阀门开关过程

– 动脉扩张和收缩


总结

模拟运动部件有五种方法

– 单参考坐标系法

– 多参考坐标系法

– 混合平面法

– 滑移网格法

– 动网格法

前三种方法主要用于稳态，而滑移网格和动网格本质是瞬态的

要激活这些模型，将流体域由固定改为动坐标系或动网格设置

大多数物理模型和动坐标系或动网格法兼容（如多相流、燃烧、传热等）


ANSYS FLUENT

培训教材第九节：瞬态问题



动机

自然界几乎所有流动都是瞬态的– 下列情况可以近似为稳态:

• 忽略瞬态的脉动

• 引入整体的时间平均来消除瞬态影响

CFD中使用稳态方法的好处是

– 更少的计算资源

– 更容易后处理和分析

许多应用要求使用瞬态求解:– 气动（飞机、机车等） – 涡脱落

– 旋转机械 – 动静干涉，失速，喘振, – 多相流– 自由液面，气泡动力学

– 变形域– 内燃机燃烧，投放

– 瞬态换热 – 瞬态加热或冷却

– …...


瞬态流动的根源

自然发生的瞬态流动

– 由于流体中不稳定性的增长或者非平衡的初场引发的瞬态流动

– 例如：自然对流，湍流涡，流动波（重力波、激波）

强迫瞬态流动

– 时间平均的边界条件，源项引起的瞬态流动

– 例子：喷嘴的脉冲，旋转机械的动静干涉

Kelvin-Helmholtz Cloud Instability Buoyant Box Falling Into a Pool of Water


瞬态CFD分析

模拟指定时间内的瞬态流场

– 可以通过以下方法求解:• 稳态解 – 流场不再随时间变化

• 时间周期解 – 流场形态随时间脉动重复出现

– 目标可以简化为分析预定时间间隔的流动

• 自由表面流

• 移动的激波

• 等等

抽取关心的变量

– 特征频率（如：斯德鲁哈尔数）

– 时间平均或/RMS值

– 时间相关的参数（如，热固体的冷却时间，污染物的停留时间）

– 特殊数据（快速傅立叶变换）


瞬态流动模拟流程

激活瞬态求解器

设置物理模型和边界条件

– 允许设置瞬态边界条件–UDF 或分布文件

指定初场

– 最好用有物理意义的初场，如稳态流场

求解器设置，监测设置

设置动画和数据输出选择

选择时间步和最大迭代次数

设定时间步数

计算


激活瞬态求解器

在 General 菜单下选择Transient 按钮:

开始执行迭代前，需要设置附加的控制

– 求解器设置

– 动画

– 数据输出 /自动保存选项


选择瞬态时间步长

在Run Calculation菜单中设置时间步长， t– t 必须小到能解析和时间相关的特征。确定每个时间步的最大迭

代步内能收敛

– 时间步大致可按照下面公式估计:

– 也可以选择能解析流动特征的时间步（在指定脉动周期的情况

下）

指定零时间步时迭代，求解器会仅仅在当前时间步下收敛

对许多瞬态流动，PISO格式有助于加速收敛


瞬态模型选择

自适应时间步长

– 基于局部截断误差自动调整时间步长

– 可以通过 UDF指定

时间平均的统计

– 在使用 LES 时需要使用

在使用密度基求解器时，Courant 数定义了:

– 密度基显式求解器的全局时间步长

– 密度基隐式求解器的伪时间步长

• 真实时间步长仍然必须在迭代面板中

定义


瞬态流动模型 – 动画

必须在计算前设置动画

– 动画帧在计算中写出并存储


创建动画的其他方法

另外一个创建动画的方法是

利用Execute Commands

可以通过文本命令或宏定义

在预定的迭代步或时间间

隔，执行哪些操作

这种方法在创建高质量的动

画结果时有用

– 定义生成动画帧（云图、

矢量图等）并存储文件的

命令.

– 利用第三方软件把这些文

件链接成动画文件(AVI, MPG, GIF, 等)


执行迭代

最通常的时间推进格式是迭代格式

– 求解器在当前时间步收敛然后推

进到下一个时间步

– 当Max Iterations/Time Step 达到

时，或者收敛标准满足时，时间

推进到下一步

– 各时间步依次收敛直至达到总时

间步

必须定义初始化

– 设置流体域的初始质量和流场的

初始状态

非迭代时间推进法 (NITA) 可以用于

更快速的计算时间


收敛行为

瞬态计算的残差图不一定能说明收敛

下图显示了简单问题的瞬态计算残差图

时间步长的选择应该使得在一个时间步内残差下降三个量级

– 这将确保瞬态行为被解析


瞬态模拟的技巧

压力-速度耦合采用 PISO 格式，比标准SIMPLE 格式更易收敛

选择合适的时间步长以至每个时间步长内能收敛三个量级

每个时间步的迭代次数大约20次，减少时间步长比增加每步的迭代次数要好。

记住对瞬态问题，精确的初场和边界条件一样重要，初场一定要符合真实物理条件

在计算前定义希望得到的动画


ANSYS FLUENT

培训教材第十节：后处理



概览

FLUENT结果有两种后处理方式

–

FLUENT 后处理工具 –

集成在FLUENT 中的历史遗留产品

–

ANSYS CFD-Post –ANSYS CFD 产品的新一代后处理工具，可

以单独运行或在Workbench下运行。

两种后处理都包括了分析CFD结果的许多工具

–

等值面

–

速度矢量图

–

等值线图

–

流线图/迹线图

–

二维曲线图

–

动画

可以包括任意用户定义的变量（通过流场函数定义或UDF定义）


FLUENT自带的后处理

FLUENT自动后处理的功

能:–

创建面

–

显示类型

–

着色选项

–

求解数据的显示

–

通量报告和积分计算

后处理函数一般在面上操

作，FLUENT可以自动产

生面，也可以由用户产生


创建面

你可以在Fluent中选择域的一部分生成面，用来可视化流场

创建面的一系列方法:–

Zone surfaces (求解器自动从域中创建)

–

Plane surfaces (指定域中一个特定的平面)

–

Iso-surfaces (对指定变量有固定值的面)

–

Clipping Surfaces (特定角度内的等值面)

–

Point surfaces (域中一个特定的位置)

–

Line and Rake Surfaces (用于显示颗粒迹线)

可以对面改名，删除或移动，写出面上的变量到文件

Iso-Surface of a constant grid coordinate can be created for viewing data within a plane.


后处理着色选项

着色选项允许你控制后处理图片的表现方式:

–

视图和显示选项

–

云图/矢量图的颜色

–

在面上打光

–

注释

–

面操作

–

使用重叠、不同的颜色、打

光、透明等混合的方式

–

动画

Example of scene composition: Overlay of contour and vector plot with transparent walls to show internal details.

Rendering Options


绘图

FLUENT 提供绘制结果数据的工具:–

求解结果的XY图

–

显示脉动频率的历史图–

快速傅立叶变换 (FFT)

–

残差图

可以修改颜色、标题、图标、轴和曲线属性其他数据文件（试验、计算）也可以读入以便比较


报告

通量报告

–

净通量

–

包括辐射在内的总换热

率

面积分

–

由于插值，在用户生成

的面上会有小量的误差

体积分


CFD-Post


启动 CFD-Post

在 ANSYS Workbench下启动

–

在项目树的部件系统中，拖

动CFD-Post–

或者，创建一个单独的

CFD-Post session.

从开始菜单或命令行启动–

Start > Programs > ANSYS 12.0 > ANSYS CFD-Post

也可以在 CFX-Solver Manager 或 CFX Launcher中启动


GUI 布局

Outline tab (“model tree”)

Details view

Additional tabs (various tools)

Various Viewers (3D, Chart, …)


1.

确定位置。数据会在这个位置抽取出来，各种图形也在这个位置产生

2.

如需要，创建变量/表达式

3.

i) 在位置上生成定量的数据

ii) 在位置上生成定性的数据

4.

生成报告

CFD-Post 一般流程


创建位置

在 Insert 菜单或工具栏中创建位置

创建好的位置显示在Outline 树中

控制显示的按钮

双击位置对象可以编辑

右键点击对象可以复制或删除


创建位置

域，子域，边界和网格区域都是位置

–边界和网格区域可以编辑、用变量

着色

–网格区域从网格中提供所有内部或

外部的二维/三维区域

用户创建的位置都罗列在User

Locations and Plots菜单下

报告中含有的项目列表


面(Planes)

–XY Plane, Point and Normal, etc.

–在求解域里，可以创建圆或矩形

点(Point)

–XYZ: 坐标系创建. 通过鼠标拾取

–节点数(Node Number): 一些求解器错误产

生的节点数信息

– 大/ 小变量: 标明大/ 小变量出现的

地方

点云(Point Cloud)

–创建多个点

位置类型


位置类型

Lines

–

两点之间的直线

–

经常用于XY图表制作

Polylines

–

也常用语图表制作

–

从文件中读入点

–

采用边界相交线

–

从contour plot抽取的线


位置类型

体(Volumes)

–

以 Surface构建

•

以选择的所有面构建而成

•

用于网格检查

–

等值体(Isovolume)

•

基于变量


位置类型

等值面

–

某指定变量的面

Iso

Clip

–

Iso

Clip采用复制已有的location，

并一个或多个标准进行约束

•

例如，对出口边界条件将速度

值界定在>= 10 [m/s]和<= 20

[m/s]之间

–

可以约束任何变量, 包括几何变量

Isosurface

of pressure behind a flap valve


涡核心区(Vortex Core

Region)

–

自动甄别涡核心区

旋转面(Surface of Revolution)

–

柱面(Cylinder), 锥面(Cone), 盘面(Disc) 和球面(Sphere)

–

通常是旋转线形成面

•

任何线 (已存在的线, 多义线,

流线, 粒子轨迹) 绕某轴旋转

位置类型


位置类型

User Surface–

多种面创建选项

–

From File: 从text文件中读点数据; 通常从其它case输出这些文件

–

From Contour: 抽取一定的contour值

–

Transformed Surface: 旋转, 平移或缩放

–

Offset From Surface: 面偏移(垂直方向或平移)

User Surface: From Contour Method


•

对所有Location都有类似的Colour, Render 和 View 的设置

•

Colour– 选择变量

– 设置变量范围(Global, Local, User Specified)– 选取色彩显示方式(Colour Map)

•

Render– Draw Faces: 显示固面

– Draw Lines: 显示网格边或网格交线

– 透明处理, 光源设置, 纹理设置…

•

View– 旋转, 平移, 镜像, 缩放

– 选取不同的转换方式

颜色、渲染和视图


其他图形对象

在工具栏中选择insert

Vectors, Contour和Streamlines

Vector Plot–

能plot任何变量; 通常对速度进行plot

–

可以投影矢量，切线方向或垂直方向

Streamlines–

从给定的location开始, 给出流线方向forwards和

/或backwards

–

面流线(surface Streamline)选项可以看出面上

的流动速度

Vector Contour Streamline Particle Track


其他图形对象

Text: 在viewer中加入自己的labels–

可自动显示和改变time step/values, expressions, filenames及dates

Coord

Frame

Legend–

为plot创建Legend

Instance Transform–

对plot进行旋转或平移操作

Text Coord Legend Instance Clip Colour Frame Transform Plane Map


其他图形对象

Clip Plane–

定义面; 用于对所创建的这个面前/后

的几何

Colour Map–

定制色彩图例

Text Coord Legend Instance Clip Colour Frame Transform Plane Map


Viewer 右键菜单

在Viewer中点击右键，显

示出相关的菜单

–

在物体上右键点击(如，边框线,

面)，显示物体的一些选项

–

基于当前的location，还可以插

入新的对象

•

例如. 在面上插入一个向

量

–

在空位置，点击右键，显示当前

视图下的选项

点击坐标轴可以改变视图

方向


变量按钮显示所有可用变量的信息

Derived variables–

通过CFD-Post计算得到 –

这些量不包括在

结果文件中

Geometric variables–

X, Y, Z, Normals

, mesh quality data

Solution variables–

来自结果文件

User Defined variables–

创建新的变量

Turbo variables–

为透平机械算例自动创建的变量

变量按钮


变量按钮

面板显示所选择变量的所有详细信息

–

User Defined variables有不同的显示内容

单位改变为显示单位

可以以表达式代替变量

–

表达式值保留在结果文件中

可以在Hybrid 和Conservative 两种变量显

示方式之间切换

–

仅用于CFX计算结果

–

也能对任何plot的变量在Hybrid和 Conservative之间进行切换


CFX-Solver是基于有限体积法，有限体积

法是基于网格构建的，而并非等同于网格

–

网格节点位于控制体的中心

计算数据是存储于节点，而非“平均的”存储

于控制体

几乎所有wall边界上的半个控制体有非零的

速度

–

这些非零的速度存储在壁面的节点上

–

但是，理论上壁面上的速度值应该为零

守恒变量值 = 控制体积值

混合变量值 = 指定边界条件上的值

混合标量和守恒变量

= Wall = Mesh Node

= Mesh Element

= Control Volume Boundary

= Velocity Profile

= Half Control Volume

Adjacent To Wall


从图片观察的角度, ANSYS CFD-Post采用混合

（hybrid）值为默认值, 这个值不会出现壁面上速度

非零的情况

从计算的角度，守恒（conservative）值为默认值

–

例如检查计算是否正确— 通过壁面的速度为零，相应

的通过壁面相邻控制体的质量流也应为零？！

在大多数情况下，不用选择Hybrid 或 Conservative， CFD-Post 的默认选项往往正确

–

采用定义变量，默认为conservative 值

–

选用hybrid和conservative，变量值的范围将有所不同

混合标量和守恒变量H

ybridC

onservative


变量按钮: 用户自定义变量

在Variables按钮点击右键> New… 创建新

的变量

用户自定义变量有三种方法

通过表达式定义变量，可以定义为其他变量

的函数

–

首先需要在Expressions 按钮处创建表达式.

Frozen Copy 用于Case的比较

Gradient 方法用于计算任何存在的标量变

量的梯度

–

生成新的向量变量


目标: Plot VelRatio

= 0.7的等值

面

这里

7.0VelRatio

VelVelVelRatio local

1. 在 Expressions 按钮处，创建VelRatio表达式:

2. 在Variables按钮处，通过表达式创建新变量

VelRatio using Method = Expression

用户自定义变量举例


3. 通过变量的方式创建Isosurface ，定义VelRatio =0.7

用户自定义变量举例

VelVelVelRatio local

7.0VelRatio•

目标: Plot VelRatio = 0.7的等值面

这里


表达式按钮

Expressions按钮显示全部存在的表达式，也可以

创建新的表达式

–

在表达式上点击右键> New

对新的表达式，在Definition下进行细节定义

–

右击，将显示Functions, Variables 等等，可用

于构建表达式

Plot按钮可用于对表达式进行XY的图示

–

必须限定一个表达式的范围，而另外一个表达式

为定值


函数计算器Function Calculator

–抽取计算结果的工程数据

–具体的函数功能，请查看帮助文档

–这些函数也可用于创建表达式

宏计算器Macro Calculator

–计算预先定义好的宏

–自定义宏

网格计算器Mesh Calculator

–网格质量

计算器按钮


选择机械后处理

Turbo 按钮包含透平机械计算的后处理工具. 详见附件B

自动生成turbo图表 Blade loading chart


创建表格和图表

生成表格(Tables)和图表(Charts)


表格

在工具栏选择tables按钮，或Insert >

Table

–

3D视图将转化到table视图

在Tables里可以显示数据和表达式

Tables可以自动的添加到report中

表格单元可以是表达式或者文本

–

以“=“

开始

–

表达式用于当变量和/或位置变

化时的计算和更新

1. Create Table

2. Create Text Cells

3. Create Expression Cells

4. Use drop-down menus to assist expression creation


沿着线/曲线显示出两个变量之间的

关系

–

首先需要创建线/曲线

–

多义线, 边界交线, 等高线等

Charts可以自动的添加到Report里

Chart Points图表点不需要在空间

上均匀分布

–

数据点常常指线/曲线与网格面

的交点

可以在一个图表里图示多个线

图表


1. Create Curves

2. Create Chart

3. Select Chart Type

4. Create Data Series

(Lines)

图表

5. Select X and Y Axis variables


图表: 类型

Charts的三个类型:–

XY

•

基于 line–

XY –

Transient or Sequence

•

基于 point：表达式 (通常是时间) 与一

个变量

•

典型的用于显示变量在某点的的瞬态

变化计算结果

▪

数据必须是瞬态结果文件

–

Histogram

•

能建立各种数据类型的柱状图

•

X轴变量为离散量，Y轴为频率


图表: 数据系列和轴

每种数据对应于一个位置(line, point,

等.) ，且对于于一个图表里的曲线

采用X 和Y 轴键设置轴上的变量

其余键为变量显示方面的设置

Add new data series


快速傅立叶变换

FFT 可以将原始的压力信号转化为频率信号

Original Signal

FFT of Signal Showing Dominant Frequency


CFD-Post具有报告生成工具，允许通过

定制报告的方式进行快速的报告生成

报告模版：

–

基于结果文件的类型，可以自动选择报告模版

–

在Report 右键进行模版选择

•

也可以自己创建模版或修改已存在的模

版

•

比如加入公司的logo, 加入Charts,

Tables, Plots等到

报告


报告

通过勾选方式，控制报告里显示的

内容

各显示内容可通过双击的方式进行

编辑

Tables和Charts 可以自动加入到报

告里. 其它的项目需要通过手动的

方法添加进去.

–

右键 > 插入新的项目

在项目上右键点击，选择项目的上

下移动


报告: 图片

所有图片将列在视图窗左上角的下拉菜

单中

可以改变视图的角度、大小等等

–

所有改变都会自动保存


报告: 图片

创建图片的时候, 有一个选项为：

Make copies of objects

–

这个选项没有勾选上，仅仅图片里显示

的内容存储于figure中

•

所以当全局目标改变，该图片也

会发生改变

•

用于需要图片自动更新的情况

–

该选项勾选上，图片里当前的内容存储

在figure中，并显示在目录树上

•

全局改变，不会导致figure的改变


报告

点击Report Viewer 按钮，

显示report内容

Report的内容改变后，需

要点击Refresh进行更新

将Report内容保存为 HTML或 Text格式

–

可以将所有2D图片显示为3D图片


时间步选择器

–

瞬态计算结果的现实值为后时刻的结果, 可以

在时间步选择器中选择不同的时间步

动画创建

–

创建MPEGs

快速编辑器

–

对每个项目提供快速的初值改变

探测器

–

视窗中拾取点，显示变量的值

其他工具

Timestep Animation Quick Probe Selector Editor


动画

创建动画的模式： Quick和Keyframe

在Quick动画模式下，仅需选取对象、点击Play 键即可

–

主要的变量作为创建动画的对象

–

有限的控制

Keyframe 模式提供了大量的控制–

创建当前状态的一个影像储存于Keyframe–

创建一系列的影像储存于Keyframes

，代表一系列的不同

状态

•

视图方向, 显示的对象, 时间步的选择, 任何其他的东西都可以不一样

–

动画的创建至少需要两个Keyframes

(一个作为开始一个

作为结束)–

每个Keyframe之间加入 # of Frames数目


典型的动画帧

1.

利用时间步选择器（Timestep Selector）调

整到第一个时间步

2.

创建必要的显示对象

3.

创建第一个Keyframe

4.

导入后一个 timestep

5.

必要时，改变现实对象

6.

创建第二个Keyframe

7.

选择第一个Keyframe ，并设置 # of Frames•

# of Frames指在第一个和第二个Keyframes

•

如果有100 timesteps, 设置# of Frames=98，将有

100 个frames (98 +第一个和后一个) ，意味着

1frame/1timestep

8.

设置Movie选项

9.

回到第一个Keyframe 并点击Play

该例子中，第一个和第二个Keyframes

采用不同的视图位置和面的透明度. 在

Keyframes之间的改变通过插值的方法

逐渐改变


多文件模式

同时对多个文件进行后处理:–

导入文件时，可以选择多个结果文件

–

导入多结构结果文件 (.mres) ，选用

Load complete history as> Separate Cases

–

或导入其它的结果文件同时勾选 Keep current cases loaded

–

每个文件都分别显示在目录树和视图窗

口

•

Sync cameras– 所有视图同步移动

•

Sync objects– 所有指定Locations

和Plots保持一致


结果比较

导入多个结果文件

后，可以选择需要

比较的case–

自动生成不同的变

量和plots

k-SST

Difference Plot


3D Viewer 文件

在CFX Viewer(3D)状态下保存图片 (格式为.cvf

)

在单一视图窗口的情况下，可以旋转、平移、局部放大视图等操作

–

也可以将3D视图文件内嵌如PowerPoints和HTML文件

Zoom


FLUENT 结果

CFD-Post以上所有的特征都可以用于

FLUENT case和data文件

支持所有的网格类型–

多面体网格Polyhedral, 非保形网格non-

conformal, adapted, ...–

2D FLUENT网格抽取为薄的3D区域

–

2D 轴对称网格转化为3D 楔形网格区域

限制:–

在标准的.dat文件中可能不包括一些数据

–

目前非流场数据, 如粒子的位置和轨迹不能在

CFD-Post显示

–

在CFD-Post不能显示模型的设置信息

–

CFD-Post没有并行能力

Polyhedral mesh case

2D to Thin 3D


CFD-Post 能读入输出的文件包括:–

Results Files

•

CFX .res / .mres, ANSYS .rst, FLUENT.dat–

Mesh Files

•

CFX .def / .mdef, ANSYS .cmdb, FLUENT .cas, –

Import

•

Polyline .csv, User Surface .csv, ANSYS surface .cdb–

Export

•

Profile Data .csv, General Formatted Results .csv, ANSYS load file .csv

–

Recorded Session Files (.cse)–

State Files (.cst)–

Macros (.cse)

相关文件


结果

–ANSYS

•

CFD-Post可以读入ANSYS结果，如温

度, 速度, 加速度, 磁力, 应力, 张

力, 和网格变形

读入

–Locations: .csv文件(包含点数据，用于定义

多义线或面)

–ANSYS Surface Mesh (.cdb): 用于输出面上的

数据，用作ANSYS的边界条件

输出

–Profile Boundary Data: 在CFX-Pre中定义初值

–通常格式的结果文件

–ANSYS Load Data: 作为ANSYS的输入.cdb文件

相关文件


Session–

Session文件用于快速的自动复制后处理

–

Session采用CCL录制

State–

保存所有对象的一个状态

–

用于以相同状态处理不同对象

–

不限于特定文件

•

但好是文件的组成有相同的名称

相关文件



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