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时间:2018-07-15
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1、计算流体力学实验参考书FLUENT流体工程仿真计算实例操作手册环境学院安全实验室编制2009-3-2272前言计算流体力学(CFD)是根据流体力学和数值计算方法上一门交叉学科,它主要利用计算机作为工作平台,根据所描述的复杂物理现象,运用经典流体力学知识中的质量守恒、动量守恒、能量守恒和传热传质规律和附加的各种模型方程,组成满足符合条件的封闭非线性偏微分方程组,同时确定相应的边界条件,采用Fortran或者C语言编制计算机运行程序,从而得到相应的数值解。目前,计算流体力学应用于各种工业领域,其重要性显而易见
2、为了使学生尽快熟悉计算流体软件FLUENT以及更好的掌握计算流体力学的计算模型,本书编制了几个简单的模型,包括了组分燃烧、管内流动与换热、低速和超音速流动、房间温度场和浓度场、管外流动、混合换热与流动、两相流及其用户自定义等方面的内容。其中概括了二维和三维的模型,描述详细,可根据步骤建模、划分网格和计算以及后处理。本书不可能面面具到并进行详细讲解,但相信读者通过本书的学习,一定会学有所得、学以致用。同时本书在编制中难免有所错误,希望读者指正。272目录1、气体燃烧:燃烧器内甲烷和空气的燃烧(1)2、多组分
3、传输与气体燃烧算例(1)3、管内流动:管内层流流动数值计算(1)4、管外流动:绕流流动问题(1)5、低速流动:蒸汽喷射器内的传热模拟(1)6、超音速流动问题、部分自定义函数(1)7、空调房间温度场、浓度场的模拟(1)8、混合换热与流动问题(1)9、两相流:旋转流动与非旋转流动(1)10、UDF算例(1)272第一章CFD在暖通空调中的应用一、FLUENT简介1.1CFD概述计算流体力学(CFD:ComputaionalFluidDynamics)以计算机为工具,应用各种离散化的数学方法,对流体力学的各类问
4、题进行数值实验、计算机模拟和分析研究,通过计算机数值计算和网像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析,以解决各种工程与科学研究问题。计算流体力学常常与传热学、燃烧学、反应动力学等相结合,运用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组,以便从计算结果中预测出流动、传热、传导、燃烧等过程的细节,CFD可以看作是在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟,是进行“三传”(传热、传质、动量传递)及燃烧、多相流和化学反应研究的
5、核心和重要技术。在实际的应用中,流体力学计算还常常与结构分析、电磁分析结合在一起分析处理复杂系统,如航空航天、船舶、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等众多领域。从高层建筑结构通风到微电机散热,从发动机、风扇、涡轮、燃烧室等旋转机械到整机外流气动分析。1.2FLUENT程序可以求解的问题FLUENT可以求解计算二维和三维问题,在计算过程中,网格可以自适应调整。fluent软件的应用范围非常广泛,主要范围如下:(1)用非结构自适应网格模拟2D或者3D流场,它所使用的非结构
6、网格主要有三角形/五边形、四边形/五边形,或者混合网格;(2)不可压或可压流动;(3)定常状态或者过渡分析;(4)无粘,层流和湍流; (5)牛顿流或者非牛顿流;(6)对流热传导,包括自然对流和强迫对流;(7)耦合热传导和对流;(8)辐射热传导模型;(9)惯性(静止)坐标系非惯性(旋转)坐标系模型;(10)多重运动参考框架,包括滑动网格界面和rotor/statorinteractionmodeling混合界面;272(11)化学组分混合和反应,包括燃烧子模型和表面沉积反应模型;(12)热,质量,动量,湍流
7、和化学组分的控制体源;(13)粒子,液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算,包括了和连续相的耦合;(14)多孔流动;(15)一维风扇/热交换模型;(16)两相流,包括气穴现象;(17)复杂外形的自由表面流动。 1.3FLUENT程序求解问题的步骤利用FLUENT软件进行流体的流动和传热计算的模拟计算的流程一般是,首先利用GAMBIT进行流动区域几何形状的构建、定义边界类型和生成网格,然后将GAMBIT中的网格文件输出用于FLUENT求解器计算的格式,在FLUENT中读取所输出的文件并设置条件对流动区
8、域进行求解计算,最后对计算结果进行后处理。具体利用FLUENT求解问题的步骤如下:(1)确定几何形状生成计算网格(用GAMBIT,也可以读取其他指定程序生成的网格);(2)输入并检查网格; (3)选择求解器(2D或3D);(4)选择求解的方程(层流或是湍流、化学组分或化学反应、传热模型等),确定其他需要的模型; (5)确定流体的材料的物性;(6)确定边界的类型及其边界条件(前者在GAMBIT中确定,但在FLUENT中可以修
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