fluent理论(一)—基本流动

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1、1基本流动本节对ANSYSFLUENT提供的有关流动基本物理模型的数学背景进行了描述。主要包括以下内容：lANSYSFLUENT中的物理模型概述l连续方程及动力方程l用户定义标量（UDS）传输方程l周期流动l漩涡及旋转流动l可压缩流动l无粘流动1.1ANSYS中物理模型概述ANSYSFLUENT提供了广泛的对可压缩流动、不可压缩流动、层流及湍流流动问题的模拟能力。能进行稳态及瞬态流动分析。在ANSYSFLUENT中，广泛的数学模型，能用于复杂几何结构的传输现象（如热传递及化学反应）中。例如使用ANSYSFLU

2、ENT模拟过程装备中的层流非牛顿流体流动；旋转机械及汽车引擎中的共轭热传递问题；锅炉中的煤粉燃烧；压缩机、泵及风扇中的流动；泡罩塔及流化床中的多相流动等。为了对工业设备及过程中的流动与传递现象进行模拟，FLUENT提供了大量的有用特性。包括多孔介质，集总参数（风扇及换热器），周期流动及热传递，旋转及移动参考系模型。移动参考系模型包括模拟单参考系及多参考系能力。时间精确的滑移网格方法，对于模拟多级旋转机械问题特别有用。另外ANSYSFLUENT提供的特别有用的模型为自由表面及多相流动模型，这对于气液、气固、液固

3、及气-液-固流动非常有用。在这些类型的问题中，除离散相模型（DPM）外，FLUENT还提供了VOF，mixtrue，及欧拉模型。离散相模拟利用拉格朗日对分散相（如粒子，液滴，气泡等）轨迹进行计算，包括与连续相的耦合计算。多相流动的例子如明渠流动、喷雾、沉降、分离及气穴等。健壮及精确的湍流模型是ANSYSFLUENT模拟的一个至关重要的部分。湍流模型的提供具有广泛的应用。同时其还包括对其他物理现象的模拟，例如浮力及可压缩性。通过使用扩展的壁面函数及区域模拟，对于近壁区域进行精确模拟。能够模拟大量热传递模式，例如

4、包括或不包括共轭热传递的自然、强制及混合对流模拟。辐射模型及相关的子模型能够用于燃烧模拟。ANSYSFLUENT的一个特殊能力在于提供了大量模型用于模拟燃烧详细，包括涡耗散（EDC）及概率分布函数模型（PDF）。另外一个非常有用的模型能够用于反应流问题中，包括煤及液滴燃烧、表面反应及污染物形成模型。1.1连续及动量方程对于所有流动问题，ANSYSFLUENT求解质量守恒及动量守恒方程。对于涉及到热传递或可压缩问题，一个关于能量守恒的方程需要被求解。对于组分混合或反应的问题，则必须求解组分守恒方程。如果使用了非

5、预混燃烧模型，则还必须求解混合分数守恒方程。当流动为湍流时，则必须求解额外的传输方程。本节主要讨论惯性坐标系中层流流动守恒方程。对于旋转参考系中的数学模型将在第二章中进行描述。关于热传递、湍流模型及组分传输的数学模型也将在后续章节进行讨论。1.1.1质量守恒方程质量守恒方程或连续性方程，可以写成以下形式：（1.2.1）方程（1.2.1）是质量守恒方程的通用形式，且能用于不同压缩流动与可压缩流动中。源项为分散相或其他用户自定义源项附加到连续相的质量。对于2D对称几何结构，连续方程为：（1.2.2）此处为轴向坐标

6、，为径向坐标，为轴向速度，为径向速度。1.1.1动量守恒方程惯性参考性中的动量守恒方程可用式（1.2.3）进行描述。（1.2.3）式中，为静压，为应力张量，及为重力及外部体力（如由分散相相互作用引起的），另外，同时包含了模型相关的源项，如多孔介质及用户自定义源项。应力张量由下式给出：（1.2.4）此时为摩尔粘度，为单位张量，右侧的第二项为体积扩大效应。对于2D对称几何模型，轴向及径向动量守恒方程由以下方程给出：∂∂tρvx+1r∂∂xrρvxvx+1r∂∂rrρvrvx=-∂p∂x+1r∂∂x[rμ2∂vx∂

7、x-23∇⋅v+1r∂∂rrμ∂vx∂r+∂vr∂x+Fx及∂∂tρvr+1r∂∂xrρvxvr+1r∂∂r(rρvrvr)=-∂P∂r+1r∂∂x[rμ∂vr∂x+∂vx∂r]+1r∂∂r[rμ(2∂vr∂r-23∇∙v]+ρvz2r+Fr式中：∇∙v=∂vx∂x+∂vr∂r+vrr为旋转速度。1.2用户自定义标量（UDS）传输方程ANSYSFLUENT能够求解类似于组分质量分数的标量传输方程。在一些燃烧应用或类似于等离子增强表面反应模拟中，可能需要一些额外的标量传输方程。本届提供了一些通过指定用户自定义标

8、量传输放出以提高ANSYSFLUENT标准功能的信息。ANSYSFLUENT允许用户在UDS对话框中定义额外模型标量传输方程。更多的关于在ANSYSFLUENT中建立UDS信息的叙述在第九章。1.1.1单相流动对于任意标量∅k，ANSYSFLUENT求解方程：ρϕK∂t+∂∂xiρuiΦk-Γk∂ϕk∂xi=sϕkk=1,…,N(1.3.1)式中Γk及sϕk为N个标量方程中的每一个扩散系数及源项。注