fluent在燃烧方面的应用ppt课件.ppt

计算流体动力学Computational Fluid Dynamics,Fluent 在燃烧模拟方面的应用,主要内容,第一章 Fluent简介 第二章 边界条件第三章 Gambit建模及网格第四章 燃烧相关设置第五章 后处理, Fluent应用 ,1.1 计算流体力学概述1.什么是CFD？CFD即计算流体力学流体力学分支， Computational Fluid Dynamics，CFD理论分析流体力学（Analytical Fluid Dynamics ，AFD） 实验流体力学（ Experimental Fluid Dynamics ，EFD）CFD已随计算机技术的发展而变得越来越重要。CFD是利用计算机模拟真实流动现象流体在一定的空间区域连续流动 将该区域离散为细小的网格单元在这些单元内求解描述流动规律的数学方程采用可视化技术等分析计算得到的流场,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.1 计算流体力学概述2.为什么需要CFD？理论分析（AFD）可解决的问题非常有限制描述流体运动的偏微分方程数学特性非常复杂，迄今为止只有很少数很简单的流动用AFD获得了结果CFD与实验研究（EFD）相比有独特的优势不需要实验模型、风洞等，可节省大量的时间和经费可以获得远比实验数据丰富、直观的三维流场结果可以模拟许多难以进行实验的流动问题能实现计算机的“虚拟”设计/分析，一定程度代替制造和测试能认识和探索许多新的流动问题CFD技术已有较高的水平，并在发展；同时计算机运算能力每3年提高一倍，两者结合使CFD的作用越来越强。,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.2 计算流体力学的发展CFD技术产生晚，发展快，地位越来越重要20世纪初开始的理论基础研究松弛迭代、CFL条件、Lax定理等6070年代初步形成数值计算能力，无粘线性问题计算面元法，用于飞机和汽车工业7080年代实现了无粘非线性问题的计算全速势方程计算，激波装配法，不可压N-S方程计算8090年代取得了Euler/N-S方程计算突破TVD、MUSCL等高分辨率格式，时间推进的有限体积法90年代至今，CFD技术继续发展ENO格式、大涡模拟、直接数值模拟,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛,F-18战斗机,X-43高超音速飞机,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛,23/1/ 1999 美国风暴的卫星照片和预测图象,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛,舰船绕流的CFD模拟,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛,CFD得到的汽车车身压力分布和气流流线,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程化学工业生物工程体育竞赛,水力发电和火电站的流动问题CFD模拟,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛,化工容器及管道流动问题室内通风等,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛,激光手术时眼球内液体流动,游泳、自行车等竞赛,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛,第一章 Fluent简介,Mesh,Wall Shear Stress,罗茨泵, Fluent应用 ,1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛,第一章 Fluent简介,煤粉炉, Fluent应用 ,1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛,第一章 Fluent简介,燃烧模拟, Fluent应用 ,1.3 计算流体力学中的应用可用于非常广泛的涉及流体运动的领域航空航天天气预测舰船设计汽车工业能源工程其他工业生物工程体育竞赛,第一章 Fluent简介,燃烧器模拟, Fluent应用 ,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题 CFD计算的物理对象:,流动的分类框架图,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题数学模型1, 数学模型本身部分流动的数学模型是准确的（如：无粘流、层流）部分流动的数学模型本身就是近似的（如：湍流RANS，LES）2, 数学模型的求解计算只有少数非常简单的问题有准确的理论分析解（如：平面势流中的点源、点汇等）绝大多数问题需要采用近似的数值解法，即以离散的解来逼近原来的连续流动。,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题数值解法1, 计算域的离散将流动空间区域离散为细小的网格单元2, 控制方程的离散控制流动的方程反应了流体流量、动量、能量的守恒在控制体内用差分逼近微分，将连续场内微分方程转变为分布在一系列网格单元上的代数方程使用迭代等方法求解这些代数方程,第一章 Fluent简介, Fluent应用 , Fluent应用 ,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题,质量守恒方程,动量守恒方程,能量守恒方程,PDF燃烧模型,辐射方程,第一章 Fluent简介,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件、边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计,描述计算空间域的几何形状，重点是流体机械的造型：可以采用Gambit、Ug、Pro-E、AutoCad等造型；也可以自行编程给出造型。,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件、边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计,说明流动条件：流动类型（如：层流或湍流）来流条件（如：速度、压力）选择计算的数学模型辐射方程、能量方程、湍流模型等,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件、边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计,流场初始条件：1，不影响定常结果2，猜得好的初场可加快计算收敛流场边界条件：1，决定流场结果（定常、非定常）2，包括固壁、入流、出流、远场等,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件、边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计,网格分区和生成（Gridgen）,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件、边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计,选择设置计算的参数和选项：如：计算格式、CFL数、迭代步数等CFD程序计算（NAPA）：多层加密计算、判断收敛,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件、边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计,流场结果后处理：通过等值图、流线图、XY函数曲线图等手段对流场密度、压力、马赫数等参数和流速、流向等进行分析,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,1.4 计算流体力学的形象理解和关键问题CFD主要工作流程几何描述说明流动条件选择计算的数学模型说明初始条件、边界条件网格生成选择数值计算参数CFD程序计算流场结果的可视化分析处理准确度估计,准确度估计：1，监测迭代收敛精度、参考点参数波动2，网格对计算的影响分析3，与标准实验数据的对比,第一章 Fluent简介, Fluent应用 , 网上 CFD资源http:/ http:/www.cfd-http:/ercoftac.mech.surrey.ac.ukhttp:/www.nas.nasa.gov/Research/Datasets/datasets.htmlhttp:/www.grc.nasa.gov/WWW/wind/validhttp:/www.engapplets.vt.eduhttp:/www.andrew.cmu.edu/user/sowen/mesh.html,第一章 Fluent简介, Fluent应用 ,为了获得物理问题（各种微分方程）的唯一解，必须对计算域边界设定各种参数值.如各种通量（热通量、质量通量）、运动状况等.边界条件内容:定义边界条件的位置信息 (如进口、固体壁面、对称位置面)确定边界上的各种参数信息边界条件的具体内容和计算中采用的物理模型、边界条件的类型密切相关.必须仔细确定边界条件的参数直接影响了求解过程和所得到的结果.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,Fuel,Air,Combustor Wall,Manifold box,Nozzle,分析流程,1. 来流条件均匀性非预混模型考虑混合效果2. 喷嘴进口非预混模型参数要求高3. 喷嘴出口预混模型参数要求高,第二章 边界条件, Fluent应用 ,基本原则,设定在流体的进、出口可以有利于收敛.在垂直于边界上不应该 存在很大的参数梯度.导致不同的结果.减小边界附近的网格 扭曲度.导致计算早期误差过大.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,基本的边界类型,外部面一般: Pressure inlet, Pressure outlet不可压: Velocity inlet, Outflow可压: Mass flow inlet, Pressure far-field特殊: Inlet vent, outlet vent, intake fan, exhaust fan其它: Wall, Symmetry, Periodic, Axis单元、区域Fluid and Solid相交面Fan, Interior, Porous Jump, Radiator, Walls,进口,出口,壁面,内部面,孔,第二章 边界条件, Fluent应用 ,基本流程,Gambit,Boundary Type,Fluid Type,Fluent,Solver,Select Boundary,Set Parameters,第二章 边界条件, Fluent应用 ,边界条件的定义Solver,选择求解器正对求解器选择不同的边界条件定义器,第二章 边界条件, Fluent应用 ,边界条件的定义Specify Type,选择边界对应的几何体默认值：面选择边界的类型.鼠标直接选取.对定义好的边界可以再操作更改、删除.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,边界条件的定义Specify Type,选择边界对应的几何体默认值：体选择边界的类型.鼠标直接选取.对定义好的边界可以再操作更改、删除.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,边界条件的定义Define,在Fluent中定义边界条件的具体值各种边界条件的参数可以重新定义边界类型,第二章 边界条件, Fluent应用 ,重新定义边界条件,一般边界条件在预处理软件中定义.可以在Fluent中更改:Define Boundary Conditions.选择要更改的几何体从Type中选择新的类型.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,给定边界条件参数,在 BC panels中直接赋值.给选定的边界设定:从Zone菜单中选择边界.点击Set按钮利用Copy按钮可以复制边界条件.边界条件的内容可以存盘， 也可以读入.file write-bc and file read利用 UDFs and Profiles可以 定义复杂的边界条件,第二章 边界条件, Fluent应用 ,Velocity Inlet,定义类型:Magnitude, Normal to BoundaryComponentsMagnitude and Direction默认值为均匀流动适用于 incompressible flows.Static pressure 相应分布.Total pressure 同样用于 compressible flows 将有可能导致非物理解.速度设定为负值时，可以用来表示出口.但是必须要保证流量平衡.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,Pressure Inlet (1),参数确定:Total Gauge Pressure驱使流体运动的能量.Static Gauge Pressure超音速流动时静压; 亚音速时忽略从该边界初始化时有用Total Temperature对于不可压流作为静温.Inlet Flow Direction,第二章 边界条件, Fluent应用 ,Pressure Inlet (2),注意的是 Gauge pressure 必须给定. Operating pressure 定义: Define Operating Conditions同时适用 compressible 和 incompressible flows.Fluent 计算时采用 static pressure and velocity 通过压力面的通量由内部条件和流动方向决定. 可以被用作模拟“Free”面.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,Mass Flow Inlet,参数确定:(a) Mass Flow Rate or (b) Mass Flux(a) 给定恒定的流量(b) 利用 profiles/UDF定义Static Gauge Pressure超音速有效该边界初始化有效.Total Temperature对于不可压流动为静温.Inlet Flow Direction一般用于 compressible; 也可用于 incompressible flows.Total pressure 由输入变量求得.和 pressure inlet相比.收敛性差,第二章 边界条件, Fluent应用 ,Pressure Outlet,给定 static gauge pressure作为出口处的环境压力.可以定义径向的压力分布.Backflow收敛过程出现最终结果如此.方向是垂直于边界.适用于 compressible 和 incompressible flows在超音速条件下，忽略所给定的压力值.可以被用来模拟自由流.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,Outflow,不需指定任何速度和压力信息.由内部区域来传递信息.边界上保持流量平衡.在Outflow面上所有参数梯度为零近似于充分发展流适用于 incompressible flows.不能和 Pressure Inlet合用; 入口只能是 velocity inlet.不能用来模拟密度随时间变化的问题.当存在回流时，很难收敛不能模拟最终结果存在回流的物理问题.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,可以利用 Pressure Outlet 和 Outflow boundaries.Pressure OutletOutflow:出口流量定义如下:mi=FRWi/FRWi where 0 FRW 1. FRW 为 1 表示均匀分布,多通道出口,第二章 边界条件, Fluent应用 ,其它的边界条件,Pressure Far Field模拟 ideal gas law下的流动.通常给定 free-stream Mach number 和静态参数 .Exhaust Fan/Outlet Vent给定压力损失系数（压力降）以及环境参数Inlet Vent/Intake Fan模拟风扇运动.给定压力损失系数（压力降）以及环境参数,第二章 边界条件, Fluent应用 ,壁面 Boundaries,速度：无滑移切向速度和固壁面速度相等.法向速度为零可以定义壁面剪切力.热边界:几种不同的条件包括定义壁面厚度.定义运动的壁面.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,Symmetry and Axis Boundaries,Symmetry Boundary简化计算量.不需任何参数.计算域和几何形状必须对称:对称面上法向速度为零所有的变量法向梯度为零Axis Boundary模拟二维轴对称问题.不需任何参数.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,Periodic Boundaries,减小计算量.计算域为周期性运动区域.周期性旋转:周期面上p = 0.周期性平动:在周期面上允许有限的p . 模拟充分发展流.在Gambit中预先 定义为 translational.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,区域定义: Fluid,Fluid zone = 求解的流体计算域.确定Fluid material.确定各种源项:质量、运动、能量等定义为多孔介质定义旋转等周期性运动.定义各种运动方式.,第二章 边界条件, Fluent应用 ,Porous Media,按照流体区域处理.选择 Porous Zone 项.给定压降参数可以模拟多种物理现象硫化床过滤器多孔平面,第二章 边界条件, Fluent应用 ,区域定义: Solid,只求解热平衡方程.确定固体类型可以定义内部的热源也可定义各种形式的运动状态.,第二章 边界条件, Fluent应用 , Fluent应用 ,第三章 Gambit建模及网格,VertexEdgeFaceVolumeGroup,Boundary LayerEdgeFaceVolumeGroups,Boundary TypesContinuum Types,Coordinate SystemsSize FunctionsG/TurboGeometry CleanupPlugin Tools,Gambit 任务栏,网格划分前你需要知道的问题：,选择何种网格?网格质量要求?网格数量?计算机承受能力?,2D网格,3D网格,第三章 Gambit建模及网格, Fluent应用 , Fluent应用 ,线网格及面网格简介,第三章 Gambit建模及网格, Fluent应用 ,线网格界面PickingTemporary graphicsLinks, DirectionsGrading/SpacingSpecial characteristicsApply and DefaultsInvert and ReverseOptions,第三章 Gambit建模及网格, Fluent应用 ,Specify interval size, no grading, apply without meshing,各种面网格举例,Specify grading only, apply without meshing,Face Mesh Generated Using Quad Pave Scheme(Pave face meshing schemes require an even number of elements on edge meshes),Face Mesh Generated Using Submap Scheme,1,2,Generateface mesh.,3,第三章 Gambit建模及网格,四边形网格举例,Quad: MapQuad: SubmapQuad: Tri-PrimitiveQuad: Pave,第三章 Gambit建模及网格, Fluent应用 , Fluent应用 ,Quad/Tri and Tri 举例,Quad/Tri Map,Quad/Tri Pave,Quad/Tri Wedge,Tri Pave,Face must be split to generate more than one cell across,Triangular cell,Triangular cell,Quad cells,第三章 Gambit建模及网格, Fluent应用 ,网格检查,Display TypePlane/SphereRange显示合格网格比例.显示网格质量分布.查找劣质网格位置Select 2D/3D and element typeSelect Quality Type,第三章 Gambit建模及网格, Fluent应用 ,GAMBIT 有以下几种网格质量检查内容：Aspect RatioDiagonal RatioEdge RatioEquiAngle SkewEquiSize SkewMidAngle SkewSize ChangeStretchTaperVolume其中最重要的是网格扭曲度和体积变化率。,第三章 Gambit建模及网格, Fluent应用 ,网格扭曲度 (QEAS).QEAS = 0 网格质量非常高QEAS = 1 网格质量差，很难收敛,0(best),1(worst),Tri/Tet,Quad/Hex,第三章 Gambit建模及网格, Fluent应用 ,体积变化率 (Qsc). 默认 QSC 0.QSC = 0 表示相邻网格与选定网格面积/体积形同。,3D 举例QSC,i = Vj=1/Vi since j=1 has largest volume ratio,第三章 Gambit建模及网格, Fluent应用 ,低质量网格会引起计算发散或收敛速度慢.网格质量限制:六面体或四边形网格: 网格扭曲度不大于 0.85.三角形或四面体网格: 网格扭曲度不大于 0.9.所有网格单元: 体积变化率不大于 2尽量避免相邻网格体积的急剧变化.如果检查网格时出现问题，可能有以下原因模型存在尖角等过渡剧烈的几何结构。网格尺寸过大。网格类型不合适，等等。,第三章 Gambit建模及网格,体网格简介,对于几何结构简单的模型，六面体或楔形网格数量更少，质量更高。对于几何形状复杂的模型，六面体或楔形网格在质量方面的优势不再明显,而且划分网格花费的时间更长，此时可以选择四面体网格或者混合网格。,第三章 Gambit建模及网格, Fluent应用 , Fluent应用 ,六面体网格举例,Hex MapHex - Submap,Hex Tet PrimitiveHex Cooper,第三章 Gambit网格,Hex/Wedge and Tet/Hybrid,Hex/Wedge: Cooper,Tet/Hybrid: HexCore,第三章 Gambit建模及网格,Tet/Hybrid: TGrid, Fluent应用 , Fluent应用 ,Hex Meshing Map,submap face,第三章 Gambit网格, Fluent应用 ,Hex Meshing Submap,第三章 Gambit网格, Fluent应用 ,Hex Meshing Tet Primitive,第三章 Gambit网格, Fluent应用 ,Hex Meshing Cooper,第三章 Gambit网格, Fluent应用 ,Cooper Examples,Volume Containing Multiple Holes,Source Faces Not Parallel,source faces,Multiple Source Faces and Multiple Interior Loops,第三章 Gambit网格,混合网格举例,发动机排气阀网格不同区域根据结构划分不同网格.相对纯六面体或四面体网格，混合网格在效率和质量方面均有加强。这种网格可以在gambit里实现.,Hybrid mesh for an IC engine valve port,tet mesh,hex mesh,wedge mesh,第三章 Gambit网格, Fluent应用 , Fluent应用 ,Troubleshooting the Cooper Tool,A,B,C,问题:源面 A, B和C 已经划分了面网格. Cooper 网格不能划分， 如何解决？,第三章 Gambit网格, Fluent应用 ,解决办法:A 、 B 与 C 面网格不能一一对应，故不能划分Cooper网格， 将C面网格删除即可。,A,B,C,第三章 Gambit网格, Fluent应用 ,Troubleshooting the Cooper Tool,Problem:A brick is split as shown. The Cooper tool fails. Why? What can be done to generate a volume mesh?,第三章 Gambit网格, Fluent应用 ,Troubleshooting the Cooper Tool,Solution:Cooper tool fails because no logical axis exists. If faces A and B are source faces, then face C must be either mappable or submapple. Face C contains a void and can only be paved. Split the volume with a face as shown. Use Face A1 as one source face for volume 1 and use face C2 as one source face for Volume 2.,第三章 Gambit网格,Troubleshooting the Cooper Tool,Problem:The Cooper tool fails because the interior loops on source faces A and B either overlap or are close.,第三章 Gambit网格, Fluent应用 ,Troubleshooting the Cooper Tool,A,B,Interior loops,A1,A2,Solution:Split source face A as shown. Neither face A1 nor A2 contain closed interior loops.,第三章 Gambit网格, Fluent应用 ,Example: manually change the vertex types,3 Source Faces,如何划分Cooper网格,谨记三点:改变节点类型，使之可划分结构化或分块结构化网格。仔细确定源面.强制在源面划分结构或分块结构网格.,S,E,S,E,C,C,E,E,E,E,E,E,第三章 Gambit网格, Fluent应用 , Fluent应用 ,四面体/楔形网格,1,Hex Cooper,2,Tet: TGrid,Pyramidlayer,3,Hex/WedgeCooper,第三章 Gambit网格, Fluent应用 ,HexCore Meshing,Flow Volume Inside anAutomobile Manifold,Flow Volume Around a Boat Hull,第三章 Gambit网格,Hex-Core Meshing,Geometry: CylinderEdit Default: Mesh.Cartesian.Hexcore_Quad_Surface_Split,第三章 Gambit网格, Fluent应用 ,结束！ 谢谢！, Fluent应用 ,