數(shù)值模擬在軟件上的應(yīng)用

數(shù)值模擬在軟件上的應(yīng)用第一頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)研究理論分析數(shù)值模擬研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的三種基本方法第二頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日連續(xù)性方程為：三種基本方法的比較方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)實(shí)驗(yàn)研究1.結(jié)果真實(shí)可信2.理論研究和數(shù)值方法的基礎(chǔ)1.受模型尺寸、人身安全、測(cè)量精度等限制2.耗費(fèi)人力、物力、財(cái)力3.周期長(zhǎng)理論分析1.結(jié)果具有普遍性2.指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算1.抽象和簡(jiǎn)化計(jì)算對(duì)象2.非線性方程，很難給出解析結(jié)果數(shù)值模擬1.克服了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析的缺點(diǎn)2.形象地再現(xiàn)流動(dòng)情景程序的編制及資料的收集、整理，很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)與技巧第三頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)值模擬連續(xù)性方程為：連續(xù)性方程：任何流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)：動(dòng)量方程：能量方程：一組非線性偏微分方程獲得這些偏微分方程的精確解析解：很難第四頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日計(jì)算流體力學(xué)（CFD）看作是流動(dòng)基本方程控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖形顯示，對(duì)包含有流體運(yùn)動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所作的分析。CFD的基本思想：把原來(lái)在時(shí)間、空間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(chǎng)（如速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等），用有限個(gè)離散點(diǎn)上的值的集合來(lái)代替，按一定方式建立起關(guān)于這些值的代數(shù)方程（稱為離散方程）并求解之，以獲得物理量場(chǎng)的近似值。第五頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)值解法很好地利用了離散的概念。常用的離散化方法：有限差分法、有限元法和有限體積法。Fluent是基于有限體積法的，是目前CFD應(yīng)用最廣的一種方法，將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)互不重復(fù)的控制體積，將待解的微分方程對(duì)每個(gè)控制體積積分，從而得到一組離散方程。離散化方法第六頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日數(shù)值解法的基本思路與步驟

數(shù)值解法的思路與步驟第七頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日

通俗理解1.建立反映工程問(wèn)題或物理問(wèn)題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，建立針對(duì)控制方程的數(shù)值離散化方法。

2.前處理，建立坐標(biāo)，構(gòu)建幾何體，網(wǎng)格劃分，確定邊界條件的類型。

構(gòu)體和網(wǎng)格劃分技巧3.程序計(jì)算，選取模型，輸入初始條件，確定邊界條件、設(shè)定控制參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)取值；與2有反復(fù)修正的過(guò)程4.后處理，顯示計(jì)算結(jié)果，以圖表展示，判斷分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。第八頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日PHOENICS：世界上第一套計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)與傳熱學(xué)的商用軟件。CFX：第一個(gè)通過(guò)ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的商業(yè)CFD軟件，英國(guó)AEATechnology公司開(kāi)發(fā)，2003年被ANSYS收購(gòu)。Fluent：繼PHOENICS之后的第二個(gè)投放市場(chǎng)的基于有限體積法的軟件，美國(guó)Fluent公司于1983年推出，2006年被ANSYS收購(gòu)。目前功能最全面、適用性最廣、國(guó)內(nèi)使用最廣泛的CFD軟件之一，用C語(yǔ)言編寫(xiě)。STAR-CD，F(xiàn)IDAP等軟件。

常用的CFD軟件第九頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日前處理器：主要負(fù)責(zé)網(wǎng)格的生成。

FLUENT劃分網(wǎng)格的途徑有兩種：用FLUENT提供的專用網(wǎng)格軟件GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分由其他的CAD軟件完成造型工作，再導(dǎo)入GAMBIT中生成網(wǎng)格，如Pro/E、SolidWorks、Solidedge等。求解器：流體計(jì)算的核心，所有計(jì)算在此完成。后處理器：Fluent求解器本身就附帶有比較強(qiáng)大的后處理功能。Origin、Tecplot等也是比較專業(yè)的后處理器，可以把一些數(shù)據(jù)可視化。

Fluent軟件包第十頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日安裝Exceed：Exceed是在Windows環(huán)境下模擬的UNIX軟件，因?yàn)镚ambit必須在UNIX環(huán)境下才可以運(yùn)行。安裝Gambit，拷貝Licence到Gambit.Inc/license目錄下。安裝Fluent，拷貝Licence到Fluent.Inc/license目錄下。如需要卸載，以相反的順序卸載即可。

Fluent軟件包的安裝第十一頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日.dbs文件：Gambit工作文件，若想修改網(wǎng)格，可以打開(kāi)這個(gè)文件進(jìn)行再編輯。.msh文件：Gambit輸出的網(wǎng)格文件。.cas文件：.msh文件經(jīng)過(guò)Fluent處理以后得到的文件。.dat文件：Fluent計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果的數(shù)據(jù)文件。.jou文件：日志文檔，可以編輯運(yùn)行。

Fluent軟件包的文件形式第十二頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日利用Fluent軟件進(jìn)行求解的步驟：（1）運(yùn)行Gambit，確定幾何形狀，構(gòu)造幾何體，輸出.dbs文件（2）生成計(jì)算網(wǎng)格，輸出.msh文件（3）運(yùn)行Fluent軟件，選擇合適的解算器：2D（二維單精度）、3D（三維單精度）、2DDP（二維雙精度）、3DDP（三維雙精度）。（4）輸入網(wǎng)格，即讀入.msh文件（5）檢查網(wǎng)格網(wǎng)格檢查是最容易出的問(wèn)題是網(wǎng)格體積為負(fù)數(shù)。如果出現(xiàn)負(fù)體積，計(jì)算就不可以進(jìn)行。第十三頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日利用Fluent軟件進(jìn)行求解的步驟：（6）選擇解算器的格式Fluent提供3種不同的解格式：分離解、隱式耦合解、顯式耦合解。分離解是按順序解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及組分方程，耦合解是同時(shí)解。隱式和顯式解法的區(qū)別在于線性耦合方程的方式不同。（7）選擇需要解的基本方程層流還是湍流（或者無(wú)粘流）、化學(xué)組分還是化學(xué)反應(yīng)、熱傳導(dǎo)模型等。（8）指定材料物理性質(zhì)（9）指定邊界條件第十四頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日利用Fluent軟件進(jìn)行求解的步驟：（10）調(diào)節(jié)解的控制參數(shù)（松弛因子、限值、一、二階、迭代誤差等）設(shè)定松弛因子：計(jì)算流體力學(xué)中要求解非線性方程，求解過(guò)程中控制變量的變化可以通過(guò)松弛因子來(lái)實(shí)現(xiàn)，來(lái)控制變量在每次迭代中的變化，從而控制收斂的速度并改善收斂的狀況。等于1，相當(dāng)于不用松弛因子；大于1，為超松弛因子，加快收斂速度；小于1，為欠從弛因子，改善收斂的條件。Fluent里面用的是欠松弛，在0～1之間，越小表示兩次迭代值之間變化越小，也就越穩(wěn)定，但收斂也就越慢。第十五頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日利用Fluent軟件進(jìn)行求解的步驟：（11）保存設(shè)置，輸出.cas文件（12）初始化流場(chǎng)需要初始化流場(chǎng)提供一個(gè)初始解。可以從一個(gè)或者多個(gè)邊界條件算出初始解，也可以分別輸入流場(chǎng)的數(shù)值。初始化流場(chǎng)有時(shí)候?qū)τ诤竺嬗?jì)算的影響很大，需要依靠經(jīng)驗(yàn)選擇最佳的邊界，設(shè)定合理的數(shù)值，進(jìn)行初始化。（13）開(kāi)始計(jì)算輸入迭代步數(shù)，報(bào)告步長(zhǎng)等。計(jì)算過(guò)程中，有選擇性地觀察殘差，調(diào)整相關(guān)系數(shù)，使得殘差趨于平穩(wěn)，并達(dá)到規(guī)定的殘差值，保證收斂。收斂是一個(gè)很重要的問(wèn)題，一般達(dá)到收斂，才可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)束。第十六頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日利用Fluent軟件進(jìn)行求解的步驟：（14)檢查結(jié)果速度、溫度、濃度分布的等值線、矢量圖(15)保存結(jié)果，輸出.dat文件(16)根據(jù)需要進(jìn)行后處理，利用Oigin、Tecplot等軟件完善溫度分布圖、速度分布場(chǎng)、煙氣成分場(chǎng)等等。必要的話，可以細(xì)化網(wǎng)格，改變數(shù)值以及物理模型。第十七頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日網(wǎng)格化分

GAMBIT軟件既可以采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，也可以采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)于不同問(wèn)題，可以劃分二維的三角形和四邊形網(wǎng)格，三維的四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、金字塔型網(wǎng)格、楔型網(wǎng)格，以及由上述網(wǎng)格類型構(gòu)成的混合型網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成速度快、質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只適用于形狀規(guī)則的圖形，因此使用的范圍比較窄。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，可以選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，降低了劃分的難度，但是會(huì)減慢收斂速度、降低準(zhǔn)確性。在Gambit中，只有map和submap生成的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余均為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。第十八頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日網(wǎng)格化分GAMBIT提供了以下面網(wǎng)格劃分Type選項(xiàng)。選項(xiàng)詳細(xì)說(shuō)明Map生成一個(gè)普通的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元網(wǎng)格Submap將一個(gè)不可圖示的面分成可圖示區(qū)域并在每個(gè)區(qū)域生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元網(wǎng)格Pave生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元網(wǎng)格TriPrimitive將一個(gè)三側(cè)面分成三個(gè)四邊形區(qū)域并在每個(gè)區(qū)域生成可圖示的網(wǎng)格WedgePrimitive在楔形面的尖部生成三角形網(wǎng)格單元并從尖部向外生成放射狀網(wǎng)格第十九頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日網(wǎng)格化分

如上所述，每個(gè)Elements選項(xiàng)與上面列舉的一個(gè)或者多個(gè)Type選項(xiàng)相關(guān)聯(lián)。下表中顯示了每個(gè)面網(wǎng)格劃分Elements和Type選項(xiàng)之間的關(guān)系。（注意：由“X”標(biāo)記得陰影單元代表允許選項(xiàng)的組合。）ElementsTypeQuadTriQuad/TriMapX

XSubmapX

PaveXXXTriPrimitiveX

WedgePrimitive

X第二十頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日Fluent模擬效果圖

煤粉爐低NOx燃燒器第二十一頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日算例1.冷、熱水混合器內(nèi)部二維流動(dòng)一個(gè)冷、熱水混合器的內(nèi)部流動(dòng)與熱量交換的問(wèn)題。溫度為T=350K的熱水自上部的熱水小管嘴流入，與自下部右側(cè)小管嘴流入的溫度為290K的冷水在混合器內(nèi)進(jìn)行熱量與動(dòng)量的交換后，自下部左側(cè)的小管嘴流出?；旌掀鹘Y(jié)構(gòu)如圖所示。第二十二頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日算例冷、熱水混合后的出流口冷水入口，T=290K,V=10m/s熱水入口，T=350K,V=10m/s第二十三頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日算例冷、熱水混合器內(nèi)的三維流動(dòng)與換熱冷水和熱水分別自混合器的兩側(cè)沿水平切向方向流入，在容器內(nèi)混合后經(jīng)過(guò)下部漸縮通道流入等徑的出流管，最后流入大氣。這是一個(gè)三維流動(dòng)問(wèn)題，所研究的內(nèi)容是混合器內(nèi)的流場(chǎng)、壓力分布和溫度場(chǎng)?；旌掀鹘Y(jié)構(gòu)如圖所示：第二十四頁(yè)，共二十七頁(yè)，2022年，8月28日算例熱水入口