【fluent軟件學(xué)習(xí)】計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent培訓(xùn)

1、1計(jì)算流體力學(xué)軟件計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent培訓(xùn)培訓(xùn)第一講第一講 流體力學(xué)基礎(chǔ)流體力學(xué)基礎(chǔ)編輯ppt2學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)目目的的l 對計(jì)算流體力學(xué)原理有初步了解。l 能夠使用商用流體力學(xué)計(jì)算軟件Fluent進(jìn)行簡單地計(jì)算。l 為后續(xù)采用Fluent解決工業(yè)中實(shí)際問題打下基礎(chǔ)。編輯ppt3什么是Fluent？Fluent是一款計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件。如何學(xué)習(xí)Fluent？1. 掌握流體力學(xué)、傳質(zhì)傳熱和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等基礎(chǔ)知識。2. 了解CFD中使用的數(shù)值計(jì)算方法。3. 了解Fluent中各個數(shù)值模型的適用范圍及各參數(shù)含義。4.

2、接下來，可以嘗試使用Fluent進(jìn)行計(jì)算了！編輯ppt4交流學(xué)習(xí)的安排交流學(xué)習(xí)的安排l 第一講 流體力學(xué)基礎(chǔ)、傳熱學(xué)基礎(chǔ)l 第二講 燃燒學(xué)，計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)l 第三講 Fluent介紹l 第四講 Fluent應(yīng)用實(shí)例（1）l 第五講 Fluent應(yīng)用實(shí)例（2）編輯ppt5交流學(xué)習(xí)的安排交流學(xué)習(xí)的安排l 第一講 流體力學(xué)基礎(chǔ)、傳熱學(xué)基礎(chǔ)l 第二講 燃燒學(xué)，計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)l 第三講 Fluent介紹l 第四講 Fluent應(yīng)用實(shí)例（1）l 第五講 Fluent應(yīng)用實(shí)例（2）編輯ppt6什么是流體（什么是流體（FluidFluid）？）？ 固體 在靜止?fàn)顟B(tài)下，能夠抵抗一定的壓力、拉力和剪切力。 流

3、體 在靜止?fàn)顟B(tài)下，能夠抵抗一定的壓力。 靜止時，不能抵抗任何剪切力，在剪切力的作用下，會一直發(fā)生變形，直到剪切力消失。編輯ppt7流體分類流體分類 液體 不能維持自身形狀，但能夠維持自身體積。 不易被壓縮。 氣體 不但不能維持自身形狀，而且不能維持自身體積。 容易被壓縮。編輯ppt8連續(xù)介質(zhì)假設(shè)連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 實(shí)際流體 是由無數(shù)個分子構(gòu)成，分子與分子間存在間隙，且處于不停的運(yùn)動中，因此實(shí)際流體是不連續(xù)的。 連續(xù)介質(zhì)假設(shè) 連續(xù)介質(zhì)假設(shè)認(rèn)為真實(shí)流體所占有的空間可近似看作由“流體質(zhì)點(diǎn)”連續(xù)地?zé)o空隙地充滿著。 換一句話說，就是在我們感興趣的微小尺度內(nèi)，都包含著無數(shù)個流體分子。 局限性 當(dāng)特征尺寸遠(yuǎn)大于分

4、子間隙時，可以認(rèn)為滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè)。實(shí)際上，在一般的工程問題上，均可以滿足。 當(dāng)壓力很低的稀薄氣體中，分子間距很大，能與感興趣的特征尺度相比擬。此時，傳統(tǒng)的流體力學(xué)理論就不適用，必須使用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法。編輯ppt9流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 壓縮性 單位壓力下，流體的密度（或體積）的變化率 其中，K為體積模量 通常，液體的K非常大，例如常溫下水的K為2109Pa，當(dāng)體積減少0.1%時，需要加壓2MPa。因此，工程上可近似水等液體是不可壓縮的。 液體容易被壓縮，近似滿足理想氣體方程編輯ppt10流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 粘度 流體內(nèi)摩擦應(yīng)力的大小與流體的速度梯度成正比 持續(xù)

5、變形的流體才能抵抗一定的剪切力！編輯ppt11流體的主要物理性質(zhì)流體的主要物理性質(zhì) 粘度 ：動力粘度系數(shù) 當(dāng)流體的為常數(shù)時，稱為牛頓流體。 主要受溫度影響，基本不受壓力影響。 一般，液體（如水煤漿、重油）的粘度隨溫度的升高而降低；氣體的粘度隨溫度的升高而升高。編輯ppt12理想流體理想流體 假定流體的粘度為0，則這樣的流體稱為理想流體。 在工程中，一般在邊界層（靠近壁面）以外的區(qū)域，將實(shí)際流體近似成理想流體，帶來的誤差很小。 為什么要提出理想流體？ 簡化計(jì)算。 在數(shù)學(xué)上有很多成熟的、嚴(yán)格的解決理想流體運(yùn)動（勢流）的方法。編輯ppt13理想氣體方程式理想氣體方程式理想氣體方程式 PV=nRTP：

6、壓力；V：體積；T：溫度(K)n: 氣體的摩爾量；R:氣體常數(shù)幸運(yùn)的是，在工程應(yīng)用范圍內(nèi)，實(shí)際氣體采用理想氣體方程式進(jìn)行近似可以達(dá)到足夠的精度。編輯ppt14流體運(yùn)動的描述方法流體運(yùn)動的描述方法 拉格朗日法拉格朗日法 歐拉法歐拉法。編輯ppt15拉格朗日法拉格朗日法 該方法著眼于流體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動情況，描述流體的運(yùn)動形態(tài)。 任意流體質(zhì)點(diǎn)的空間位置，將是質(zhì)點(diǎn)的起始坐標(biāo)(a,b,c) 以及時間t的單值連續(xù)函數(shù)。 采用拉格朗日法時，速度和加速度只需對r進(jìn)行求導(dǎo)即可，比較方便。編輯ppt16歐拉法歐拉法 歐拉法不是著眼于個別流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，而是著眼于整個流場的狀態(tài)，即研究表征流場內(nèi)流體流動特性的各種

7、物理量的矢量場與標(biāo)量場。 區(qū)別 拉格朗日法：將坐標(biāo)原點(diǎn)建立在流體質(zhì)點(diǎn)上，隨流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動。 歐拉法：將坐標(biāo)原理建立在流場中，坐標(biāo)系不再隨流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動而運(yùn)動。 在流體力學(xué)中的應(yīng)用更為廣泛。編輯ppt17歐拉法歐拉法編輯ppt18歐拉法歐拉法 歐拉法中，對加速度的求解與拉格朗日法不同。 由于坐標(biāo)不再在流體質(zhì)點(diǎn)上，因此對加速度必須采用全導(dǎo)數(shù)的方法求得，又稱物質(zhì)導(dǎo)數(shù) 。 以x坐標(biāo)為例： 第1項(xiàng)：固定點(diǎn)上的流體質(zhì)點(diǎn)的加速度，稱當(dāng)?shù)丶铀俣萳ocal acceleration，或者unsteady acceleration 。 第24項(xiàng)：由于流體運(yùn)動空間位置發(fā)生變化產(chǎn)生的加速度，又稱遷移加速度（對流加速度，

8、conversion acceleration）編輯ppt19定常流動與非定常流動定常流動與非定常流動 定常流動 流場內(nèi)的流動情況不隨時間變化而變化。 工程中絕大部分穩(wěn)定運(yùn)行的可采用定常流動來描述。如：鍋爐燃燒、風(fēng)機(jī)運(yùn)行、化工過程 非定常流動 流場內(nèi)的流動情況隨時間變化而變化。 一般研究瞬態(tài)過程時，需要考慮為非定常流動。如鍋爐點(diǎn)火過程、風(fēng)機(jī)啟動等。編輯ppt20伯努利方程伯努利方程 適用條件 理想流體；不可壓縮；定常流動；質(zhì)量力僅為重力。 沿流線流線方向積分（只有同在流線上的點(diǎn)，才能用伯努利方程表示）編輯ppt21伯努利方程伯努利方程 第一項(xiàng)：U2/2g：稱為動壓頭。 第二項(xiàng)：P/g+z：稱為

9、靜壓頭 兩者之和：H0：稱為總壓（total pressure） 物理意義：在流線中的各點(diǎn)，動壓和靜壓之間可以相互轉(zhuǎn)化，速度越大，相應(yīng)的靜壓越小，而總壓保持守恒。 是畢托管等測速裝置的原理。編輯ppt22三大守恒定律三大守恒定律 三大守恒定律指的是：質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律。 是流體力學(xué)的基礎(chǔ)，事實(shí)上，只要能夠得到滿足這三個守恒定律的解，就可以求解任何流體力學(xué)問題。 直接數(shù)值模擬（DNS）即是對這三個守恒定律的直接離散求解，不依賴任何物理模型。 為何要有這么多理論模型（如邊界層、湍流、層流）？ 動量方程是非線性的，難以求解。 直接數(shù)值模擬耗計(jì)算時間和內(nèi)存（目

10、前只能進(jìn)行到cm、1s級尺度），無法解決工程問題 直接數(shù)值模擬無法揭示一些物理規(guī)律編輯ppt23質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律 又稱連續(xù)性方程連續(xù)性方程。 物理意義流入控制體的質(zhì)量-流出控制體的質(zhì)量=控制體自身質(zhì)量的變化量編輯ppt24質(zhì)量守恒定律質(zhì)量守恒定律 微分形式的三維流動連續(xù)性方程 第一項(xiàng)：控制體內(nèi)流體質(zhì)量的改變。 后三項(xiàng)：流入、流出控制體的流體質(zhì)量。 對于不可壓縮流體（為常數(shù)）：編輯ppt25動量守恒定律動量守恒定律 又稱：Navier-Stokes方程（NS方程） 物理意義：對于一微元控制體，滿足牛頓第二定律，即控制體動量的改變量等于所受的外力。編輯ppt26動量守恒定律動量守恒定律 各

11、項(xiàng)物理意義編輯ppt27能量守恒定律能量守恒定律 由傳熱、化學(xué)反應(yīng)和內(nèi)能變化等引起能量交換總和為零。左邊第一項(xiàng)：動能變化左邊第二項(xiàng)：內(nèi)能變化右邊第一項(xiàng)：質(zhì)量力做的功右邊第二項(xiàng)：面積力做的功右邊第三項(xiàng)：熱傳導(dǎo)傳入的能量最后一項(xiàng)：其他（如化學(xué)反應(yīng)）編輯ppt28守恒定律的歸一化守恒定律的歸一化 前面的三大守恒定律其實(shí)可以寫成統(tǒng)一的格式物理意義：三大守恒定律具有相同的含義?？梢杂迷摴矫枋錾鲜鋈笫睾愣桑ú煌?。好處：統(tǒng)一的格式，使數(shù)值計(jì)算的編程更方便。湍流、化學(xué)反應(yīng)等模型也可使用該歸一化的方程進(jìn)行求解，大大方便編程。非穩(wěn)項(xiàng)對流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)源項(xiàng)編輯ppt29守恒定律的歸一化守恒定律的歸一化。編輯ppt

12、30傳熱學(xué)基礎(chǔ)傳熱學(xué)基礎(chǔ) 只要有溫差，就存在傳熱 傳熱的基本形式熱傳導(dǎo)對流輻射編輯ppt31熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)(Conduction)(Conduction) 傅立葉定律 機(jī)理：介質(zhì)不發(fā)生位移，而是依靠微觀粒子的擴(kuò)散運(yùn)動 導(dǎo)熱系數(shù)越大，越容易導(dǎo)熱 金屬是熱的良導(dǎo)體，液體次之，氣體最差。導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)熱量編輯ppt32對流換熱對流換熱(Convection)(Convection) 機(jī)理：冷熱物質(zhì)由于流動而相互滲透引起的熱傳遞。例子：CPU風(fēng)扇。 分類：自然對流（受熱引起浮力）強(qiáng)制對流 牛頓冷卻公式對流換熱系數(shù)編輯ppt33熱輻射熱輻射(Radiation)(Radiation) 機(jī)理：通過電磁波進(jìn)

13、行熱量傳遞。如太陽光照射。 計(jì)算公式 注意：熱傳導(dǎo)和對流均與溫度的1次方成正比，而熱輻射與溫度的4次方次方成正比！ 高溫?fù)Q熱中，熱輻射非常重要！如水冷壁。黑度編輯ppt34專題專題 湍流/層流 邊界層流動 多相流編輯ppt35專題專題 湍流/層流 邊界層流動 多相流編輯ppt36湍流湍流/ /層流層流雷諾實(shí)驗(yàn)雷諾實(shí)驗(yàn) 層流 轉(zhuǎn)折 湍流流速增大水流染料編輯ppt37湍流湍流/ /層流層流 流動可分為兩種截然不同的形態(tài)，層流和湍流湍流。 層流分層、有規(guī)律的流動，液層之間互不干擾發(fā)生在速度較低、粘性較大的情況下 湍流流動速度發(fā)生無規(guī)律的脈動，各層之間流體相互滲透運(yùn)動發(fā)生在流速較高、或粘度較低的情況下

14、編輯ppt38湍流湍流/ /層流層流 層流的本質(zhì)：微小擾動隨時間的進(jìn)行而衰減 湍流的本質(zhì)：微小的擾動隨時間的進(jìn)行而逐步放大。 流動形態(tài)主要受兩種力控制：粘性力粘性力和慣性慣性力力。 粘性力 總是抑制擾動的發(fā)展（想象一下粘稠的膠水） 慣性力 是產(chǎn)生擾動的原因編輯ppt39湍流湍流/ /層流層流 因此，是否發(fā)生湍流取決于粘性力和慣性力粘性力和慣性力的比值的比值。 層流受擾動后 當(dāng)粘性的穩(wěn)定作用起主導(dǎo)作用時，擾動就受到粘性的阻滯而衰減下來，層流就是穩(wěn)定的。 當(dāng)擾動占上風(fēng)，粘性的穩(wěn)定作用無法使擾動衰減下來，于是流動便變成紊流。 流動呈現(xiàn)什么流態(tài)，取決于擾動的慣性作用和粘性的穩(wěn)定作用相互斗爭的結(jié)果。編輯

15、ppt40湍流湍流/ /層流層流 判別層流/湍流的依據(jù)：雷諾數(shù)雷諾數(shù)(Reynolds Number)，簡稱Re數(shù) 定義 是流體力學(xué)中最重要的一個準(zhǔn)則數(shù)！速度、密度和特征尺度的乘積，表征慣性力流體粘度，表征粘性力編輯ppt41湍流湍流/ /層流層流 對于管內(nèi)流動，Re2300，流動轉(zhuǎn)為湍流。 能源領(lǐng)域的實(shí)際問題中，涉及到的流動基本上都屬于湍流。編輯ppt42湍流的數(shù)學(xué)描述 uuu平均速度脈動速度編輯ppt43湍流的數(shù)學(xué)描述 將上次代入到三大守恒定律中，便可求解湍流條件下的流動。 由于未知數(shù)增加了（原方程中并沒有u），方程組便無法封閉。 為了使方程封閉，科學(xué)家們提出了各種湍流模型。其本質(zhì)就是：使

16、包含脈動速使包含脈動速度的守恒方程組封閉度的守恒方程組封閉。編輯ppt44常用的湍流模型 湍流模型大致分為三類湍流輸運(yùn)系數(shù)模型湍流輸運(yùn)系數(shù)模型雷諾應(yīng)力模型雷諾應(yīng)力模型大渦模擬大渦模擬編輯ppt45常用的湍流模型湍流輸運(yùn)系數(shù)模型湍流輸運(yùn)系數(shù)模型 基于Boussinesq假設(shè)：將速度脈動的二階關(guān)聯(lián)量表示成平均速度梯度與湍流粘性系數(shù)的乘積。 物理意義：將湍流作為一種粘性力來看待，稱為湍流粘度。 有零方程模型、單方程模型和雙方程模型 其中雙方程模型在工程中應(yīng)用非常廣泛 Standard k- RNG k- Realizable k-編輯ppt46常用的湍流模型雷諾應(yīng)力模型雷諾應(yīng)力模型（Reynolds

17、-Stress Model）拋棄了湍流輸運(yùn)系數(shù)的概念，直接建立湍流應(yīng)力和其它二階關(guān)聯(lián)量的輸運(yùn)方程。求解雷諾應(yīng)力張量的各個分量的輸運(yùn)方程仍采用湍流輸送模型中的“湍流粘性系數(shù)”編輯ppt47常用的湍流模型大渦模擬大渦模擬（Large-Eddy Simulation）前兩類是以湍流的統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對所有渦旋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。大渦模擬把湍流分成大尺度湍流和小尺度湍流，通過求解三維經(jīng)過修正的Navier-Stokes方程，得到大渦旋的運(yùn)動特性，而對小渦旋運(yùn)動還采用上述的模型。動量、能量、質(zhì)量及其它標(biāo)量主要由大渦輸運(yùn)，流動特性主要在大渦中體現(xiàn)小尺度渦旋受幾何和邊界條件影響較小，并且各向同性編輯ppt48常用

18、的湍流模型 人編輯ppt49專題專題 湍流/層流 邊界層流動 多相流編輯ppt50邊界層 (Boundary layer )邊界層概念邊界層概念Prandt提出：繞固體的流動可分為兩個區(qū)域：(1)物體附近很薄的一層(邊界層)，此處摩擦力其主要作用；(2)該層外的區(qū)域，這里摩擦力可以忽略不計(jì)。事實(shí)上，與主流區(qū)相比，事實(shí)上，與主流區(qū)相比，邊界層極薄邊界層極??！因此忽略邊界層求解出的流場與實(shí)際流場因此忽略邊界層求解出的流場與實(shí)際流場非常接近。非常接近。編輯ppt51邊界層 (Boundary layer ) 一般規(guī)定邊界層外邊界處的速度為外部勢流速度的99%。 根據(jù)Re的不同，邊界層可由層流發(fā)展為湍

19、流邊界層。編輯ppt52邊界層示例Contours of Velocity Magnitude (m/s)FLUENT 6.3 (2d, pbns, lam)Jul 11, 20101.02e+019.68e+009.17e+008.66e+008.15e+007.64e+007.13e+006.62e+006.11e+005.60e+005.09e+004.58e+004.07e+003.56e+003.06e+002.55e+002.04e+001.53e+001.02e+005.09e-010.00e+00V=10m/s放大編輯ppt53邊界層示例Contours of Velocity

20、 Magnitude (m/s)FLUENT 6.3 (2d, pbns, ske)Jul 11, 20101.03e+019.80e+009.28e+008.77e+008.25e+007.74e+007.22e+006.71e+006.19e+005.67e+005.16e+004.64e+004.13e+003.61e+003.09e+002.58e+002.06e+001.55e+001.03e+005.16e-010.00e+00可見，邊界層非常薄。編輯ppt54邊界層示例Velocity MagnitudeFLUENT 6.3 (2d, pbns, ske)Jul 11, 2010Position (m)(m/s)MagnitudeVelocity0.060.040.020-0.02-0.04-0.0612.010.08.06.04.02.00.0 x-coordinate-4編輯ppt55專題專題 湍流/層流 邊界層流動 多相流編輯ppt56多相流多相流 定義：包含多種物相的流體物系。 領(lǐng)域鍋爐內(nèi)流動、燃燒流化床煤粉制備、輸送SNCR還原劑與煙氣混合編輯ppt57多相流多相流 稀相多相流 顆粒相在氣相中的濃度較低 顆粒相主要受氣相影響，而氣相基本不受顆粒相的影響。也就是說，顆粒相的存