ANSYS-FLOTRAN分析指南F5-FLOTRAN層流和湍流分析算例

1、No Boundaries ANSYS/FLOTRAN分析指南第五章 FLOTRAN層流和湍流分析算例 一、問題描述 二、分析方法及假定 三、幾何尺寸及流體性質(zhì) 四、分析過程 第1步：進入ANSYS 第2步：設(shè)置分析選擇 第3步：定義單元類型 第4步：生成分析區(qū)域的幾何面 第5步：定義單元形狀 第6步：劃分有限元網(wǎng)格 第7步：生成并應(yīng)用新的工具欄按鈕 第8步：施加邊界條件 第9步：求解層流 第10步：觀察層流分析的結(jié)果 第11步：確定流體粘性如何影響流場特性 第12步：進行湍流分析 第13步：對新的出口區(qū)劃分網(wǎng)格 第14步：施加湍流分析的載荷 第15步：改變FLOTRAN分析選項和流體性 第1

2、6步：進行求解 第17步：將流體速度結(jié)果以向量圖和路徑圖的方式進行顯示 第18步：繪制壓力等值線圖 第19步：退出ANSYS問題描述該算例是一個二維的導(dǎo)流管分析，先分析一個雷諾數(shù)為400的層流情況，然后改變流場參數(shù)再重新分析，最后再擴大分析區(qū)域來計算其湍流情況。該算例所用單位制為國際單位制。分析區(qū)域圖示如下： 分析方法及假定 用FLUID141單元來作二維分析，本算例作了如下三個分析：· 雷諾數(shù)為400的假想流的層流分析· 降低流體粘性后（即增大雷諾數(shù)）的假想流的層流分析· 雷諾數(shù)約為260000的空氣流的湍流分析分析時假定進口速度均勻，并且垂直于進口流場方向上的

3、流體速度為零。在所有壁面上施加無滑移邊界條件（即所有速度分量都為零）；假定流體不可壓縮，并且其性質(zhì)為恒值，在這種情況下，壓力就可只考慮相對值，因此在出口處施加的壓力邊界條件是相對壓力為零。第一次分析時，流場為層流，著可以通過雷諾數(shù)來判定，其公式如下： 第二次分析時，將流體粘性降低到原來的十分之一（雷諾數(shù)相應(yīng)增大）后再在第 一次分析的基礎(chǔ)上重啟動分析對于內(nèi)流來說，當(dāng)雷諾數(shù)達到2000至3000時，流場即由層流過渡到湍流，故第三次分析（空氣流，雷諾數(shù)約為260000）時，流場是湍流。對于湍流分析，上圖所示的導(dǎo)流管的后端應(yīng)加長，以使流場能得到充分發(fā)展。此時，應(yīng)在該次求解之前改變ANSYS的工作名以防

4、止程序在上一次分析結(jié)果的基礎(chǔ)上作重啟動分析。幾何尺寸及流體性質(zhì)進口段長度4 m進口段高度1 m過渡段長度2 m出口段高度2.5 m層流分析時出口段長度6 m湍流分析時出口段長度12 m假設(shè)流體密度1 Kg/m3假設(shè)流體粘性第一次分析0.01Kg/m-s；第二次分析0.001 Kg/m-s空氣密度1.205 Kg/m3空氣粘性1.8135*10-5 Kg/m-s進口速度2.0 m/s出口壓力0 nt/m2分析過程如下：第1步：進入ANSYS參見ANSYS Operation Guide第2步：設(shè)置分析選擇1進入Main Menu>Preference2點取FLOTRAN CFD項3點取OK

5、第3步：定義單元類型1進入Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete2點取Add3在彈出菜單的左框中點取FLOTRAN CFD，右框中點取2D FLOTRAN 1414點取OK5點取Close第4步：生成分析區(qū)域的幾何面該步定義三個面：分別表示進口和出口的兩個矩形面，以及一個表示過渡段的面。1生成進口段，進入Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Rectangle>By Dimensions2在彈出菜單中的相應(yīng)區(qū)域輸入以下值：X1處輸入0

6、 X2處輸入2 Y1處輸入0 Y2處輸入13點取Apply4生成出口段，再在上面彈出菜單中輸入以下值：X1處輸入6 X2處輸入12Y1處輸入0 Y2處輸入2.55點取OK6在工具欄（Toolbar）窗口中點取SAVE_DB7進入Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>Lines>Tan to 2 Lines8點取左側(cè)矩形的上面一條線作為第一條切線，再在點取菜單中點取OK9點取該線的右端點作為第一切點，再在點取菜單中點取OK10點取右側(cè)矩形的上面一條線作為第二條切線，再在點取菜單中點取OK11點取該線的左端點作為第二切點，再在點取菜

7、單中點取OK12在點取菜單中點取Cancel。所生成的結(jié)果線是一條界于兩個矩形之間的光滑曲線13進入Main Menu>Preprocessor>-Modeling-Create>-Areas-Arbitrary>Through KPs14分別點取界于兩個矩形之間的光滑曲線上的兩個端點，再點取左側(cè)矩形的右下角和右側(cè)矩形的左下角15 點取OK16在工具欄窗口中點取SAVE_DB第5步：定義單元形狀1進入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesher Opts2將Midside node placement域改為No Mid

8、side nodes，點取OK3在彈出菜單中點取QuadOnly4點取OK5進入Utility Menu>Plot>Lines6進入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Lines->Picked Lines7點取進口區(qū)（左側(cè)矩形面）的上下兩條直線8在點取菜單中點取Apply9在彈出菜單的No. of element divisions域中輸入1210在彈出菜單的Spacing ratio域中輸入-211點取Apply12點取過渡區(qū)（中間面）的上下兩條線，并點取Apply13在彈出菜單的No. of

9、 element divisions域中輸入914在彈出菜單的Spacing ratio域中輸入115點取Apply16 點取出口區(qū)（右側(cè)矩形面）的上面一條直線，并點取Apply17在彈出菜單的No. of element divisions域中輸入13并在Spacing ratio域中輸入0.418點取Apply19點取出口區(qū)（右側(cè)矩形面）的下面一條直線，并點取Apply20在彈出菜單的Spacing ratio域中輸入2.521點取Apply22點取剩下的四條垂線，并點取OK23在彈出菜單的No. of element divisions域中輸入10并在Spacing ratio域中輸入-

10、224點取OK25在工具欄窗口中點取SAVE_DB第6步：劃分有限元網(wǎng)格1進入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>Areas>Free2在點取菜單中點取Pick All第7步：生成并應(yīng)用新的工具欄按鈕在做類似于該例的分析時，定義一些諸如能“自動選擇出與某條線相關(guān)的所有節(jié)點”、“關(guān)閉座標(biāo)系符號的顯示”等的工具欄按鈕是非常有助于方便地建立模型的。這一步的目的就是建立兩個分別實現(xiàn)上述功能的工具欄按鈕1進入Utility Menu>Menu Ctrls>Edit Toolbar2在彈出菜單中的*ABBR后輸入ns1,ns

11、ll,13點取Accept4在彈出菜單中的*ABBR后輸入tri,/triad,off5點取Accept，然后點取Close6在工具欄中點取剛生成好的TRI按鈕，之后進入Utility Menu>Plot>Replot，此時，在圖形窗口中，原來的座標(biāo)系符號就會消失了。第8步：施加邊界條件在模型的進口處加X方向速度為2、其它方向速度為零的進口速度條件；在所有壁面處加兩個方向速度都為零的速度條件，在出口處加零壓力邊界條件1進入Utility Menu>Plot>Nodes2進入Utility Menu>Select>Entities3在彈出菜單中選擇“Nodes

12、”和“By Num/Pick”，并點取OK4在彈出的選擇菜單中選擇“Box”5按住鼠標(biāo)左鍵，在模型左側(cè)進口邊的所有節(jié)點周圍拉出一個方框6點取OK7進入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity>On Nodes8點取Pick All9在彈出菜單的VX域輸入2，VY域輸入010點取OK11進入Utility Menu>Plot>Lines12進入Utility Menu>Select>Entities13在彈出菜單中選擇“Lines”和“By

13、Num/Pick”，之后點取OK14在圖形窗口中點取表示上下六個壁面的六條線，之后點取選擇菜單中的OK15在工具欄菜單中點取NSL按鈕，以選取上面六條線上的全部節(jié)點16進入Utility Menu>Plot>Nodes17進入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Velocity>On Nodes18點取Pick All19在彈出菜單的VX域和VY域都輸入020點取OK21進入Utility Menu>Select>Everything，然后再進入Uti

14、lity Menu>Plot>Nodes22進入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Pressure DOF>On Nodes23在彈出的選擇菜單中選擇“Box”，按住鼠標(biāo)左鍵，在模型右側(cè)出口邊的所有節(jié)點周圍拉出一個方框24在彈出菜單中將壓力值設(shè)為零25點取OK26進入Utility Menu>Select>Everything27在工具欄中點取SAVE-DB第9步：求解層流該步首先建立流體性質(zhì)，然后設(shè)置執(zhí)行控制，并開始求解1進入Main Menu&g

15、t;Solution>FLOTRAN SetUp>Fluid Properties2將彈出菜單的“Density”域設(shè)為“Constant”，點取OK3將恒值密度設(shè)為1.0，恒值粘性設(shè)為0.014點取OK5進入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Control6在彈出菜單的“Global iterations”域輸入207點取OK8進入Main Menu>Solution>Run FLOTRAN，開始進行求解第10步：觀察層流分析的結(jié)果1進入Main Menu>General Postproc&g

16、t;-Read Results->Last Set2進入Main Menu>General Postproc>Plot Results>Vector Plot>Predifined3在彈出菜單中選擇“DOF solution”和“Velocity V”4點取OK5進入Utility Menu>PlotCtrls>Device Options6將向量模式(vector mode (wire frame)設(shè)為“ON”，之后點取OK7進入Utility Menu>PlotCtrls>Style>Edge Options8在彈出菜單的“Edg

17、e tolerance angle”域輸入19將“Element Outline for non-contour/contour plots”域設(shè)為“Edge Only/All”10將“Replot upon OK/Apply”域設(shè)為“Replot”11點取OK第11步：確定流體粘性如何影響流場特性諸如空氣和水等常見流體的粘性都低于上例中的假想流體粘性。將該粘性縮小10倍將響應(yīng)增大雷諾數(shù)。在本步中，返回FLOTRAN的輸入步，改變粘性值，重新求解。分析將從上面結(jié)束處重新開始，并執(zhí)行附加的20次總體迭代。1進入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>F

18、luid Properties2點取OK3將粘性值改為0.0014點取OK5進入Main Menu>Solution>Run FLOTRAN，開始進行求解6可進行與上面第10步類似的結(jié)果觀察第12步：進行湍流分析從低粘性分析的結(jié)果可以看出，回流區(qū)已延伸到出口邊界之后，若希望流體在出口之前得到充分發(fā)展，則必須給其更多的空間，對于空氣則尤其更應(yīng)如此，因其粘性比上面的0.001還低。下面所進行的本算例的第二部分，就是緊接著上面的層流分析來作一個空氣的湍流分析，此時要延長問題的求解區(qū)域并對延長部分重新劃分網(wǎng)格、重新施加邊界條件、并激活湍流模型。在求解之前，還必須改變工作名（Jobname）

19、。1刪除壓力邊界條件，進入：Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Delete>Fluid/CFD>Pressure DOF>On Nodes，并在彈出菜單中選擇“Pick All”2進入Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Rectangle>ByDimensions3輸入下面的座標(biāo)值：X1處輸入12X2處輸入24Y1處輸入0Y2處輸入2.54點取OK5融合關(guān)鍵點，進入Main Menu>Preprocesso

20、r>Numbering Ctrls>Merge Items6將彈出菜單的“Type of item to merge”域設(shè)為“All”，然后點取OK，忽略隨后彈出的警告信息7進入Utility Menu>Plot>Lines第13步：對新的出口區(qū)劃分網(wǎng)格1進入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Lines->Picked Lines2點取新的出口區(qū)的最右側(cè)的一條垂線，并點取OK3在彈出菜單的No. of element divisions域中輸入104在彈出菜單的Spacing rat

21、io域中輸入-25點取Apply6點取新出口區(qū)的上下兩條線7點取OK8在彈出菜單的No. of element divisions域中輸入20并在Spacing ratio域中輸入19點取OK，并在工具欄中點取SAVE-DB10進入Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>Areas>Free11點取新的出口區(qū)，并點取OK12進入Utility Menu>Plot>Nodes，圖形顯示節(jié)點第14步：施加湍流分析的載荷1進入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads-&g

22、t;Apply>-Fluid/CFD->Velocity>On Nodes2在彈出的選擇菜單中選擇“Box”3按住鼠標(biāo)左鍵，在還未施加邊界條件的上壁面節(jié)點周圍拉出一個矩形框，然后在還未施加邊界條件的下壁面節(jié)點周圍拉出一個矩形框4點取OK5在彈出菜單的VX域和VY域都輸入06點取OK7進入Main Menu>Preprocessor>-Loads->-Loads->Apply>-Fluid/CFD->Pressure DOF>On Nodes8在彈出的選擇菜單中選擇“Box”9在新的模型右側(cè)出口邊的所有節(jié)點周圍拉出一個方框10點取OK1

23、1在彈出菜單中將壓力值設(shè)為零12點取OK第15步：改變FLOTRAN分析選項和流體性質(zhì)1進入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Solution Options2將彈出菜單的“Laminar or turbulent”域設(shè)為“Turbulent”3點取OK4進入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Execution Control5在彈出菜單的“Global iterations”域輸入606 點取OK7進入Main Menu>Solution>FLOTRAN SetUp>Flui

24、d Properties8將彈出菜單的“Density”域設(shè)為“AIR”9點取OK10確認所用的流體性質(zhì)是AIR，并點取OK第16步：進行求解1進入Utility Menu>File>Chang Jobname2在彈出的警告信息菜單中點取Close3在彈出的修改工作名的菜單中輸入“turb”作為新的工作名4點取OK5進入Main Menu>Solution>Run FLOTRAN，開始進行求解第17步：將流體速度結(jié)果以向量圖和路徑圖的方式進行顯示1進入Main Menu>General Postproc>-Read Results->Last Set2進入Main Menu>General Postproc>Plot Results>Vector Plot>Predifined3在彈出菜單中選擇“DOF solution