計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent簡(jiǎn)介

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent簡(jiǎn)介第1頁(yè)/共66頁(yè)主要內(nèi)容1、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及Fluent概述3、Fluent15.0軟件用戶(hù)界面介紹4、Fluent模擬原理與過(guò)程概覽2、Fluent應(yīng)用領(lǐng)域成果概覽5、Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹第2頁(yè)/共66頁(yè)1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及Fluent概述1.1概念實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)值模擬理論分析研究工程問(wèn)題常用方法：

數(shù)值模擬概念：數(shù)值模擬也叫計(jì)算機(jī)模擬。依靠電子計(jì)算機(jī)，結(jié)合有限元或有限容積等方法，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，達(dá)到對(duì)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題乃至自然界各類(lèi)問(wèn)題研究的目的。第3頁(yè)/共66頁(yè)1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及Fluent概述1.1概念

三者的比較：優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)實(shí)驗(yàn)物理現(xiàn)象和測(cè)試結(jié)果可靠設(shè)備要求高，設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)真實(shí)模擬物理問(wèn)題困難測(cè)試儀器調(diào)試復(fù)雜只能得到有限的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)龐大理論物理概念清晰物理規(guī)律能公式化物理規(guī)律簡(jiǎn)介分析只適用于簡(jiǎn)單的問(wèn)題線性問(wèn)題能得到分析結(jié)果，非線性問(wèn)題分析十分困難計(jì)算適用于線性和非線性問(wèn)題能處理復(fù)雜的問(wèn)題可以得到研究對(duì)象運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程計(jì)算模型和結(jié)果可靠性不易檢驗(yàn)邊界數(shù)值處理復(fù)雜計(jì)算量大，數(shù)據(jù)分散，流動(dòng)規(guī)律不直觀第4頁(yè)/共66頁(yè)1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及Fluent概述1.1概念

三者的比較：數(shù)值模擬發(fā)展迅速，但是無(wú)論今天還是將來(lái)，它發(fā)展到何種程度，都不可能離開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論分析是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，而計(jì)算結(jié)果又必須由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論分析驗(yàn)證。物理問(wèn)題理論分析數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究工程應(yīng)用檢驗(yàn)檢驗(yàn)是否綜合設(shè)計(jì)方法示意圖第5頁(yè)/共66頁(yè)1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及Fluent概述1.1概念目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法和軟件有：有限差分法有限元法有限體積法第6頁(yè)/共66頁(yè)1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及Fluent概述1.1概念目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法和軟件有：有限差分法（FiniteDifferenceMethod,FDM)一種求偏微分（或常微分）方程和方程組定解問(wèn)題的數(shù)值解的方法，簡(jiǎn)稱(chēng)差分方法?；舅枷胧窍劝褑?wèn)題的定義域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，然后在網(wǎng)格點(diǎn)上，按適當(dāng)?shù)臄?shù)值微分公式把定解問(wèn)題中的微商換成差商，從而把原問(wèn)題離散化為差分格式，進(jìn)而求出數(shù)值解。Matlab、FLAC3D/2D等第7頁(yè)/共66頁(yè)1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及Fluent概述1.1概念目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法和軟件有：有限元法（亦稱(chēng)有限單元法）（FiniteElementMethod,FEM)

將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片的表示求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來(lái)表達(dá)。從而使一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題變成離散的有限自由度問(wèn)題。Ansys、Abaqus、ls-dyna、nastran等第8頁(yè)/共66頁(yè)1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及Fluent概述1.1概念目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法和軟件有：有限體積法(FiniteVolumeMethod,FVM)將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周?chē)幸粋€(gè)控制體積；將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量

的數(shù)值。為了求出控制體積的積分，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律，即假設(shè)值的分段的分布的分布剖面。

Fluent、CFX、Star-CD等前處理軟件：Gambit、ICEM、Hypermesh等后處理軟件：Fieldview、Ensight、Tecplot等第9頁(yè)/共66頁(yè)1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及Fluent概述1.1概念理論:傳熱學(xué)流體力學(xué)應(yīng)用數(shù)值方法（插值、迭代）燃燒學(xué)張量分析泛函分析（變分原理）高等數(shù)學(xué)（場(chǎng)論、微分方程）線性代數(shù)（矩陣、行列式）軟件：常用軟件的教程、視頻軟件的HELP文檔實(shí)例操作練習(xí)類(lèi)比：需要學(xué)習(xí)哪些內(nèi)容？第10頁(yè)/共66頁(yè)1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及Fluent概述1.1概念什么是CFD？CFD是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computationalfluiddynamics）的縮寫(xiě)，是預(yù)測(cè)流體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)及其他相關(guān)物理現(xiàn)象的一門(mén)學(xué)科。CFD一般要通過(guò)數(shù)值方法求解以下的控制方程組質(zhì)量守恒方程動(dòng)量守恒方程能量守恒方程組分守恒方程體積力等等CFD分析一般應(yīng)用在以下階段:概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題改進(jìn)設(shè)計(jì)CFD分析是物理試驗(yàn)的補(bǔ)充，但更節(jié)省費(fèi)用和人力。第11頁(yè)/共66頁(yè)1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)及Fluent概述1.1概念什么是CFD？本質(zhì)上是對(duì)控制方程的求解未知函數(shù)ρ,u,v,w,p,T自變量t,x,y,z第12頁(yè)/共66頁(yè)1CFD軟件Fluent簡(jiǎn)介1.1概念CFD商業(yè)軟件FLUENT，是通用CFD軟件包，用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，F(xiàn)LUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在層流與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng)/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。目前與FLUENT配合最好的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格軟件是ICEMCFD。什么是Fluent？第13頁(yè)/共66頁(yè)1CFD軟件Fluent簡(jiǎn)介1.2Fluent用戶(hù)界面（以15.0版本為例）第14頁(yè)/共66頁(yè)1CFD軟件Fluent簡(jiǎn)介1.3Fluent軟件的發(fā)展歷史

1975年謝菲爾德大學(xué)（UK）開(kāi)發(fā)了Tempest1983年美國(guó)的流體技術(shù)服務(wù)公司creature推出Fluent1988年FluentInc.成立1995年收購(gòu)最大對(duì)手FDI公司（FIDAP）1997年收購(gòu)Polyflow公司（粘彈性和聚合物流動(dòng)模擬）2006年被ANSYS收購(gòu)在被ANSYS收購(gòu)后為6.3版本2009年6月發(fā)布12.0版本2010年底發(fā)布13.0版本2011、2013、2015年底分別發(fā)布14.0、15.0、16.0版本第15頁(yè)/共66頁(yè)1CFD軟件Fluent簡(jiǎn)介1.4Fluent軟件的基本功能

可壓縮與不可壓縮流動(dòng)問(wèn)題穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)問(wèn)題無(wú)粘流、層流及湍流問(wèn)題牛頓流體及非牛頓流體對(duì)流換熱問(wèn)題（包括自然對(duì)流和混合對(duì)流）導(dǎo)熱與對(duì)流換熱耦合問(wèn)題輻射換熱慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系下的流動(dòng)問(wèn)題模擬第16頁(yè)/共66頁(yè)1CFD軟件Fluent簡(jiǎn)介1.4Fluent軟件的基本功能

多運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下的流動(dòng)問(wèn)題化學(xué)組分混合與反應(yīng)可以處理熱量、質(zhì)量、動(dòng)量和化學(xué)組分的源項(xiàng)用Lagrangian軌道模型模擬稀疏相（顆粒、水滴、氣泡等）多孔介質(zhì)流動(dòng)一維風(fēng)扇、熱交換器性能計(jì)算兩相流問(wèn)題復(fù)雜表面形狀下的自由面流動(dòng)第17頁(yè)/共66頁(yè)1CFD軟件Fluent簡(jiǎn)介1.5計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的工作流程

建立控制方程確定初始條件和邊界條件劃分計(jì)算網(wǎng)格、生成計(jì)算節(jié)點(diǎn)建立離散方程離散初始和邊界條件給定求解控制參數(shù)求解離散方程顯示和輸出計(jì)算結(jié)果解是否收斂YN第18頁(yè)/共66頁(yè)2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域成果概覽2.1Fluent模擬氣泡的破碎和凝聚

計(jì)算域幾何如下圖所示。采用如圖所示的圓柱形容器。氣泡從底部inlet入口進(jìn)入，從outlet出口流出。幾何尺寸如圖所示。Fluent的附加模型populationbalancemodel可以用于計(jì)算氣泡流的破碎及匯聚。本例使用歐拉多相流配合PBM模型模擬氣泡在流動(dòng)過(guò)程中的破碎及凝聚現(xiàn)象。計(jì)算模型第19頁(yè)/共66頁(yè)2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域成果概覽2.1Fluent模擬氣泡的破碎和凝聚計(jì)算之后可以觀察氣泡粒徑分布云圖等，如圖左所示為氣泡粒徑分布。也可以查看整個(gè)計(jì)算域空間不同粒徑氣泡數(shù)量直方圖分布（右圖）。粒徑分布不同粒徑氣泡數(shù)量分布第20頁(yè)/共66頁(yè)2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域成果概覽2.2Fluent模擬晃動(dòng)實(shí)現(xiàn)原理有兩個(gè)關(guān)鍵：（1）運(yùn)動(dòng)加載（2）VOF模型。這一個(gè)極其簡(jiǎn)化的模型，完全封閉，二維。

1、運(yùn)動(dòng)的加載。利用UDF來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用DEFINE_TRANSIENT_PROFILE宏來(lái)設(shè)置區(qū)域整體運(yùn)動(dòng)。2、選擇模型選擇VOF模型，設(shè)置空氣為主相，水為第二相。結(jié)果模擬結(jié)果第21頁(yè)/共66頁(yè)2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域成果概覽2.3Fluent滑移網(wǎng)格模擬區(qū)域運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：杯子中裝滿(mǎn)水，現(xiàn)在以速度1rad/s延續(xù)1s鐘使杯子傾斜1rad，觀察5s鐘內(nèi)水的變化情況。涉及到內(nèi)容包括：（1）分界面幾何模型的建立。涉及到多幾何體的創(chuàng)建，主要是各部分模型網(wǎng)格的組裝問(wèn)題。（2）區(qū)域運(yùn)動(dòng)的指定。在本例中主要是指定運(yùn)動(dòng)區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度。需要注意的是旋轉(zhuǎn)中心與旋轉(zhuǎn)方向的設(shè)定。（3）多相流的使用。本例中使用的是VOF模型。計(jì)算結(jié)果第22頁(yè)/共66頁(yè)2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域成果概覽2.4隧道排放產(chǎn)生CO的擴(kuò)散本例模擬的是產(chǎn)生的CO氣體在隧道中排放后，CO氣體的擴(kuò)散情況。模擬結(jié)果第23頁(yè)/共66頁(yè)2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域成果概覽2.5發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋冷卻的熱固耦合模擬Fluent可以應(yīng)用于燃燒、熱交換熱對(duì)流領(lǐng)域，如機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)汽油（柴油）的燃燒模擬、發(fā)動(dòng)機(jī)散熱模擬。本例模擬的是發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的冷卻。模擬結(jié)果模型網(wǎng)格劃分第24頁(yè)/共66頁(yè)2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域成果概覽2.6大橋抗風(fēng)性能本例所示是Fluent在建筑行業(yè)的應(yīng)用，可以應(yīng)用于建筑行業(yè)的消防設(shè)計(jì)、建筑風(fēng)場(chǎng)指標(biāo)要求、建筑溫度要求等。下圖所示是模擬橋梁的抗風(fēng)性能模擬。第25頁(yè)/共66頁(yè)2Fluent應(yīng)用領(lǐng)域成果概覽2.7推進(jìn)系統(tǒng)模擬的網(wǎng)格和壓力系數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的網(wǎng)格和壓力系數(shù)分布云圖如下圖所示：模型的網(wǎng)格劃分模型的壓力系數(shù)第26頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.1煤礦綜放工作面高位鉆孔瓦斯治理3.1.1煤礦綜放工作面幾何模型建立

為了方便建模及簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)煤層產(chǎn)狀為水平分布，將采空區(qū)近似為三維矩形梯臺(tái)，并將進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷以及工作面假設(shè)為長(zhǎng)方體。其尺寸分別為：進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷為長(zhǎng)×寬×高=20m×4m×4m；工作面尺寸為長(zhǎng)×寬×高=100m×4m×4m；采空區(qū)尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=150m×100m×80m；裂隙場(chǎng)距離煤層底板高度為35m。

巖石的碎脹系數(shù)取決于巖石的性質(zhì)和所處的位置，為了達(dá)到良好的模擬效果，將矩形梯臺(tái)劃分為15個(gè)區(qū)域。模型如下頁(yè)所示。第27頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.1煤礦綜放工作面高位鉆孔瓦斯治理3.1.1煤礦綜放工作面幾何模型建立未抽采模型三維立體圖未抽采模型三維透視圖第28頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.1煤礦綜放工作面高位鉆孔瓦斯治理3.1.1煤礦綜放工作面幾何模型建立頂板高位鉆孔抽采模型透視圖頂板高位鉆孔抽采模型線框圖

根據(jù)高位鉆孔的布置參數(shù)，頂板高位鉆孔布置在雙U的外U中，開(kāi)孔位置距離回風(fēng)巷平距為20m，開(kāi)孔高度為4m。模擬不考慮鉆場(chǎng)距離工作面的距離，主要分析高位鉆孔影響下的瓦斯運(yùn)移規(guī)律。布置高位鉆孔后的模型圖如下：第29頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.1煤礦綜放工作面高位鉆孔瓦斯治理3.1.2煤礦綜放工作面幾何模型網(wǎng)格劃分未抽采模型網(wǎng)格劃分示意圖頂板高位鉆孔抽采模型網(wǎng)格劃分示意圖對(duì)模型劃分網(wǎng)格，由于網(wǎng)格劃分的數(shù)量和方式對(duì)計(jì)算的速度和結(jié)果有直接的影響，所以對(duì)模型的不同區(qū)域進(jìn)行了分別劃分。未抽采模型劃分了805552個(gè)節(jié)點(diǎn)，778794個(gè)網(wǎng)格。抽采模型劃分了21555437個(gè)節(jié)點(diǎn)，10627904個(gè)網(wǎng)格。如下：第30頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.1煤礦綜放工作面高位鉆孔瓦斯治理3.1.3工作面采空區(qū)瓦斯分布數(shù)值模擬未抽采條件下工作面采空區(qū)的三維立體瓦斯?jié)舛确植既缦聢D所示：工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖第31頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.1煤礦綜放工作面高位鉆孔瓦斯治理3.1.3工作面采空區(qū)瓦斯分布數(shù)值模擬抽采條件下工作面采空區(qū)的三維立體瓦斯?jié)舛确植既缦聢D所示：工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植剂Ⅲw圖第32頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.2采場(chǎng)爆破煙塵分布規(guī)律數(shù)值模擬3.2.1采場(chǎng)爆破煙塵運(yùn)動(dòng)幾何模型

文中采場(chǎng)的幾何模型以西石門(mén)鐵礦南二采區(qū)采場(chǎng)作為研究對(duì)象，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和數(shù)值模擬的需要，將現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后模型及尺寸如下：1）聯(lián)巷和進(jìn)路斷面視為寬3.5m、高3.2m的三心拱，走向長(zhǎng)度各為11m、10m，聯(lián)巷一端連向斜坡道視為進(jìn)風(fēng)側(cè)，另一端通向回風(fēng)井視為回風(fēng)出流側(cè)；2）對(duì)采場(chǎng)工作面簡(jiǎn)化成水平遞進(jìn)開(kāi)采，忽略忽略?xún)?nèi)部空間的障礙物影響；3）巷道、采場(chǎng)四周的壁面、地板和頂板簡(jiǎn)化為具有粗糙度的平面邊界。模型如下頁(yè)所示。第33頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.2采場(chǎng)爆破煙塵分布規(guī)律數(shù)值模擬3.2.1采場(chǎng)爆破煙塵運(yùn)動(dòng)幾何模型建立采場(chǎng)幾何模型第34頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.2采場(chǎng)爆破煙塵分布規(guī)律數(shù)值模擬3.2.2采場(chǎng)爆破煙塵運(yùn)動(dòng)幾何模型網(wǎng)格劃分幾何模型網(wǎng)格劃分示例采用的是適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格——Tet/Hybrid（四面體/混合）網(wǎng)格。整個(gè)模型共有182232個(gè)網(wǎng)格，最大網(wǎng)格體積0.749748m3，最小網(wǎng)格體積1.25278×10-6m3，網(wǎng)格質(zhì)量合格。第35頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.2采場(chǎng)爆破煙塵分布規(guī)律數(shù)值模擬3.2.3采場(chǎng)爆破煙塵運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)采場(chǎng)的風(fēng)流分布可視為一個(gè)穩(wěn)態(tài)的通風(fēng)過(guò)程，計(jì)算過(guò)程中迭代步數(shù)設(shè)為500步。采場(chǎng)爆破煙塵運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果殘差監(jiān)視圖如下圖所示：殘差監(jiān)視圖第36頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.2采場(chǎng)爆破煙塵分布規(guī)律數(shù)值模擬3.2.3采場(chǎng)爆破煙塵運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果采場(chǎng)爆破煙塵運(yùn)動(dòng)模擬結(jié)果流場(chǎng)分布云圖如下圖所示：模擬結(jié)果流場(chǎng)分布云圖第37頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.2采場(chǎng)爆破煙塵分布規(guī)律數(shù)值模擬3.2.3采場(chǎng)爆破煙塵運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果

進(jìn)路巷道中軸面所處截面（Y=4.75m）及與地面距離1m、1.5m、2m的平面（Z=1m、1.5m、2m）流場(chǎng)分布。從圖中可以看出：1）大部分風(fēng)流直接從聯(lián)巷流出，只有少量風(fēng)流流入進(jìn)路到達(dá)采面，風(fēng)速為0.12m/s左右，進(jìn)路后面的聯(lián)巷因并有一部分進(jìn)路風(fēng)流，其風(fēng)速比進(jìn)風(fēng)端風(fēng)速大，達(dá)0.43m/s左右；2）進(jìn)路中靠近出流端風(fēng)流在低處較大，而靠近進(jìn)風(fēng)端風(fēng)流在高處較大，在距離采面不遠(yuǎn)處存在死角區(qū)域，風(fēng)流幾近于零。第38頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.3采空區(qū)滯留干冰數(shù)值模擬研究物理模型第39頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.3采空區(qū)滯留干冰數(shù)值模擬研究數(shù)學(xué)模型：連續(xù)性方程

動(dòng)能方程k

：

擴(kuò)散方程e：動(dòng)量守恒方程能量守恒方程組分輸運(yùn)方程第40頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.3采空區(qū)滯留干冰數(shù)值模擬研究采空區(qū)相關(guān)假設(shè)：1.采空區(qū)是由垮落的矸石和遺煤之間的空隙所構(gòu)成的多孔介質(zhì)，并且由于矸石垮落和遺煤分布的隨機(jī)性，可將采空區(qū)多孔介質(zhì)近似視為各向同性。2.將采空區(qū)氣體視為理想氣體，為不可壓縮氣體。二氧化碳在煤巖層中的滲流運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律，在孔隙中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)符合菲克定律，采空區(qū)中氣體流動(dòng)符合湍流模型。

3.在數(shù)值模擬中忽略注漿、礦井周期來(lái)壓，只考慮采空區(qū)漏風(fēng)、回風(fēng)巷、瓦斯尾巷、高抽巷及注二氧化碳系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)氧氣及二氧化碳分布的動(dòng)態(tài)影響。第41頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.3采空區(qū)滯留干冰數(shù)值模擬研究模擬結(jié)果采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)流線圖第42頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.3采空區(qū)滯留干冰數(shù)值模擬研究采空區(qū)未注入CO2時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果自然堆積區(qū)孔隙率較大，導(dǎo)致漏風(fēng)量也較大，該區(qū)所流經(jīng)的風(fēng)速也比較大，氧氣濃度對(duì)比較高，氧氣濃度一般均在20.6%以上。

載荷影響區(qū)巖體的孔隙率減小，因此該空間的漏風(fēng)量也較自然堆積區(qū)小，氧氣的濃度一般在20.1%~20.5%之間。

壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)冒落巖體在礦壓的作用下已經(jīng)很緊密的靠在一起，漏風(fēng)的影響很小，氧氣的濃度也減低到19.5%以下。第43頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.3采空區(qū)滯留干冰數(shù)值模擬研究放置不同數(shù)量干冰儲(chǔ)存釋放裝置的數(shù)值模擬結(jié)果

一個(gè)裝置兩個(gè)裝置三個(gè)裝置四個(gè)裝置五個(gè)裝置第44頁(yè)/共66頁(yè)3Fluent在礦業(yè)安全中的應(yīng)用介紹3.3采空區(qū)滯留干冰數(shù)值模擬研究放入五個(gè)干冰釋放裝置的數(shù)值模擬結(jié)果

6h12h18h24h2d4d6d8d10d12d14d16d從二氧化碳開(kāi)始釋放到達(dá)到平衡之間，不同時(shí)間點(diǎn)二氧化碳濃度分布曲線。第45頁(yè)/共66頁(yè)4CFD軟件Fluent用戶(hù)界面4.1Fluent啟動(dòng)界面

在開(kāi)始菜單中點(diǎn)擊Fluent15.0后的啟動(dòng)界面如下圖所示Dimension，選擇模型維度；二維模型選擇2D，三維模型選擇3D。選擇不同的模型形式，會(huì)影響到其他的選項(xiàng)。Options，一些選項(xiàng)；如選擇雙精度求解器（DoublePrecision），默認(rèn)為單精度求解器。若在Dimension中選擇了3D，則可以在Option中選擇Meshing模式。如下頁(yè)所示。第46頁(yè)/共66頁(yè)4CFD軟件Fluent用戶(hù)界面4.1Fluent啟動(dòng)界面

在開(kāi)始菜單中點(diǎn)擊Fluent15.0后的啟動(dòng)界面如下圖所示Options，一些選項(xiàng)；如選擇雙精度求解器（DoublePrecision），默認(rèn)為單精度求解器。若在Dimension中選擇了3D，則可以在Option中選擇Meshing模式。如左圖所示。第47頁(yè)/共66頁(yè)4CFD軟件Fluent用戶(hù)界面4.1Fluent啟動(dòng)界面

在開(kāi)始菜單中點(diǎn)擊Fluent15.0后的啟動(dòng)界面如下圖所示DisplayOptions，顯示選項(xiàng)；如讀入網(wǎng)格后顯示網(wǎng)格（DisplayMeshAfterReading）、嵌入圖形窗口（EmbedGraphicsWindows）、Workbench顏色樣式（WorkbenchColorScheme），這三個(gè)選項(xiàng)通常都是默認(rèn)被選中的。ProcessingOptions，選擇串行及并行選項(xiàng)；當(dāng)選擇并行（Parallel）選項(xiàng)后，會(huì)彈出額外的選項(xiàng)。如下圖所示。在Options選項(xiàng)中增加了UseJobScheduler以及UseRemoteLinuxNodes，同時(shí)可以在ProcessingOptions下設(shè)置NumberofProcesses（設(shè)置CPU數(shù)量）模式。第48頁(yè)/共66頁(yè)4CFD軟件Fluent用戶(hù)界面4.2Fluent整體界面

菜單欄主要包括的菜單：File：文件操作菜單。包括文件的讀入、寫(xiě)出、導(dǎo)入、輸出等功能，同時(shí)包含圖形窗口的圖片輸出功能。Mesh：包括網(wǎng)格檢查、網(wǎng)格分割等網(wǎng)格基本操作功能。Define：定義物理模型及邊界條件信息。Solve：定義求解控制參數(shù)及監(jiān)控參數(shù)等。Adapt：主要是為網(wǎng)格自適應(yīng)準(zhǔn)備的菜單，也常常用于Patch操作。Surface：定義面，常用于后處理操作。Display：后處理操作及設(shè)置。Report：后處理數(shù)據(jù)輸出。Parallel：并行計(jì)算設(shè)置。View：視圖設(shè)置。Help：幫助菜單第49頁(yè)/共66頁(yè)4CFD軟件Fluent用戶(hù)界面4.2Fluent整體界面

工具欄各按鈕從左至右依次為：文件打開(kāi)按鈕。包含F(xiàn)ile菜單中的部分內(nèi)容。文件保存按鈕。輸出圖像按鈕。通過(guò)此按鈕可以輸出圖形窗口中的圖形。幫助文檔按鈕。旋轉(zhuǎn)視圖按鈕。平移視圖按鈕。放大視圖按鈕。區(qū)域放大按鈕。Probe按鈕，獲取鼠標(biāo)點(diǎn)擊位置的信息。Fitview按鈕，窗口適應(yīng)按鈕。Setview按鈕，設(shè)置視圖顯示。排列窗口按鈕。圖形窗口分欄按鈕。第50頁(yè)/共66頁(yè)4CFD軟件Fluent用戶(hù)界面4.2Fluent整體界面

樹(shù)形菜單

樹(shù)形菜單如下圖所示。包括四個(gè)主要部分內(nèi)容：Meshing（網(wǎng)格設(shè)置）、SolutionSetup（方案設(shè)置）、Solution（解決方案）、Results（結(jié)果），分別對(duì)應(yīng)CFD操作流程。第51頁(yè)/共66頁(yè)4CFD軟件Fluent用戶(hù)界面4.2Fluent整體界面

樹(shù)形菜單各節(jié)點(diǎn)功能：MeshGeneration：生成網(wǎng)格。只有在啟動(dòng)界面中選擇了MeshingMode才能激活此選項(xiàng)。General：通用參數(shù)設(shè)置。Models：設(shè)置物理模型Materials：設(shè)置材料屬性Phases：設(shè)置相。當(dāng)選擇了多相流模型后，此節(jié)點(diǎn)被激活CellZoneConditions：設(shè)置流體域?qū)傩?，包括設(shè)置流體域材料、流體域運(yùn)動(dòng)方式、源項(xiàng)等BoundaryConditions：設(shè)置邊界條件MeshInterface：設(shè)置網(wǎng)格交界面DynamicMesh：設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)ReferenceValues：設(shè)置參考值。在一些后處理時(shí)需要用到。SolutionMethods：設(shè)置求解算法SolutionControls：設(shè)置求解控制參數(shù)，如亞松弛因子等Monitors：設(shè)置監(jiān)控參數(shù)SolutionInitialization：求解初始化CalculationActivities：設(shè)置計(jì)算過(guò)程中自動(dòng)保存、執(zhí)行腳本、保存動(dòng)畫(huà)等功能RunCalculation：求解計(jì)算GraphicsandAnimations：顯示后處理云圖及動(dòng)畫(huà)等Plots：輸出曲線、圖表等Reports：輸出計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)等第52頁(yè)/共66頁(yè)ANSYSCFD求解器是基于有限體積法的–計(jì)算域離散化為一系列控制體積–在這些控制體上求解質(zhì)量、動(dòng)量、能–偏微分方程組離散化為代數(shù)方程組–用數(shù)值方法求解代數(shù)方程組以獲取流場(chǎng) 解量、組分等的通用守恒方程

Fluidregionofpipeflowis discretizedintoafiniteset ofcontrolvolumes.EquationVariableContinuity1XmomentumYmomentumZmomentum EnergyuvwhControlVolume**FLUENTcontrolvolumesarecell-centered(i.e.theycorresponddirectlywiththemesh)whileCFXcontrolvolumesarenode-centeredUnsteadyConvectionDiffusionGeneration5Fluent工作原理和過(guò)程概覽5.1Fluent工作原理

控制體控制方程的通用形式瞬態(tài)項(xiàng)對(duì)流項(xiàng)擴(kuò)散項(xiàng)源項(xiàng)第53頁(yè)/共66頁(yè)UpdateModel9.問(wèn)題定義

1.確定模擬的目的

2.確定計(jì)算域前處理和求解過(guò)程

3.創(chuàng)建代表計(jì)算域的幾何實(shí)體4.設(shè)計(jì)并劃分網(wǎng)格5.設(shè)置物理問(wèn)題（物理模型、材料屬 性、域?qū)傩?、邊界條件…）6.定義求解器（數(shù)值格式、收斂控 制…）7.求解并監(jiān)控后處理過(guò)程8.查看計(jì)算結(jié)果9.修訂模型

ProblemIdentification1.Definegoals2.IdentifydomainPre-Processing3.Geometry4.5.MeshPhysics6.SolverSettingsSolve7.Computesolution8.PostProcessing

Examineresults5Fluent工作原理和過(guò)程概覽5.2Fluent模擬概覽

第54頁(yè)/共66頁(yè)5Fluent工作原理和過(guò)程概覽5.3定義模擬目的

你希望得到什么樣的結(jié)果（例如，壓降，流量），你如何使用這些結(jié)果？–你的模擬有哪些選擇？

?你的分析應(yīng)該包括哪些物理模型（例如，湍流，壓縮性，輻射）？

?你需要做哪些假設(shè)和簡(jiǎn)化？

?你能做哪些假設(shè)和簡(jiǎn)化（如對(duì)稱(chēng)、周期性）？

?你需要自己定義模型嗎？ ?FLUENT使用UDF計(jì)算精度要求到什么級(jí)別？你希望多久能拿到結(jié)果？CFD是否是合適的工具？ProblemIdentification1.Definegoals2.Identifydomain第55頁(yè)/共66頁(yè)如何把一個(gè)完成的物理系統(tǒng)分割出來(lái)？計(jì)算域的起始和結(jié)束位置–在這些位置你能獲得邊界條件嗎？能簡(jiǎn)化為二維或者軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題嗎？ProblemIdentification1.Definegoals2.IdentifydomainDomainofInterestasPartofaLargerSystem(notmodeled)–這些邊界條件類(lèi)型合適嗎？–你能把邊界延伸到有合適數(shù)據(jù)的位 置嗎？

DomainofinterestisolatedandmeshedforCFDsimulation.5Fluent工作原理和過(guò)程概覽5.4確定計(jì)算域

有興趣的區(qū)域是大系統(tǒng)的一部分有興趣的區(qū)域被分離和網(wǎng)格劃分出第56頁(yè)/共66頁(yè)你如何得到流體域的幾何模型？–使用現(xiàn)有的CAD模型

?從固體域中抽取出流體域？–直接創(chuàng)建流體幾何模型你能簡(jiǎn)化幾何嗎？–去除可能引起復(fù)雜網(wǎng)格的不必要特征（倒 角、焊點(diǎn)等）–使用對(duì)稱(chēng)或周期性？

?流場(chǎng)和邊界條件是否都是對(duì)稱(chēng)或周期性 的？你需要切分模型以獲得邊界條件或者創(chuàng)建域嗎？

SolidmodelofaHeadlightAssemblyPre-Processing3.Geometry4.Mesh5.Physics6.SolverSettings5Fluent工作原理和過(guò)程概覽5.5創(chuàng)建幾何模型

一個(gè)前燈裝配的實(shí)體模型第57頁(yè)/共66頁(yè)計(jì)算域的各個(gè)部分都需要哪種程度的網(wǎng)格 密度？

–網(wǎng)格必須能捕捉感興趣的幾何特征，以及

關(guān)心變量的梯度，如速度梯度、壓力梯 度、溫度梯度等。–你能估計(jì)出大梯度的位置嗎？

–你需要使用自適應(yīng)網(wǎng)格來(lái)捕捉大梯度嗎？

哪種類(lèi)型的網(wǎng)格是最合適的？

–幾何的復(fù)雜度如何？

–你能使用四邊形/六面體網(wǎng)格，或者三角 形/四面體網(wǎng)格是否足夠合適？

–需要使用非一致邊界條件嗎？

你有足夠的計(jì)算機(jī)資源嗎？

–需要多少個(gè)單元/節(jié)點(diǎn)？

–需要使用多少個(gè)物理模型？Pre-Processing.GeometryMeshingPhysicsSolverSettings

Quadrilateral

HexahedronPrism/Wedge

TriangleTetrahedron Pyramid5Fluent工作原理和過(guò)程概覽5.6設(shè)計(jì)和劃分網(wǎng)絡(luò)

第58頁(yè)/共66頁(yè)計(jì)算域的各個(gè)部分都需要哪種程度的網(wǎng)格 密度？

–網(wǎng)格必須能捕捉感興趣的幾何特征，以及

關(guān)心變量的梯度，如速度梯度、壓力梯 度、溫度梯度等。–你能估計(jì)出大梯度的位置嗎？

–你需要使用自適應(yīng)網(wǎng)格來(lái)捕捉大梯度嗎？

哪種類(lèi)型的網(wǎng)格是最合適的？

–幾何的復(fù)雜度如何？

–你能使用四邊形/六面體網(wǎng)格，或者三角 形/四面體網(wǎng)格是否足夠合適？

–需要使用非一致邊界條件嗎？

你有足夠的計(jì)算機(jī)資源嗎？

–需要多少個(gè)單元/節(jié)點(diǎn)？

–需要使用多少個(gè)物理模型？Pre-Processing.GeometryMeshingPhysicsSolverSettings

Quadrilateral

HexahedronPrism/Wedge

TriangleTetrahedron Pyramid5Fluent工作原理和過(guò)程概覽5.7設(shè)計(jì)和劃分網(wǎng)絡(luò)

第59頁(yè)/共66頁(yè)對(duì)給定的問(wèn)題，你需要–定義材料屬性?流體

?固體

?混合物

–選擇合適的物理模型

?湍流，燃燒，多相流等。

–指定操作條件

–指定邊界條件

–提供初始值

–設(shè)置求解器控制參數(shù)

–設(shè)置監(jiān)測(cè)收斂參數(shù)Forcomplexproblemssolvingasimplifiedor2Dproblemwillprovidevaluableexperiencewiththemodelsandsolversettingsforyourprobleminashortamountoftime.對(duì)于復(fù)雜的問(wèn)題，提出一個(gè)簡(jiǎn)化或二維的模型有助于解決問(wèn)題，縮短計(jì)算時(shí)間。Pre-Processing3.Geometry4.5.MeshPhysics6.SolverSettings5Fluent工作原理和過(guò)程概覽5.8設(shè)置物理問(wèn)題和求解器

第60