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FLOTRAN特性、功能和分析步驟

第一章

第1頁目標用

FLOTRAN單元描述問題現(xiàn)象討論

FLOTRAN單元特性解釋

CFD術語介紹控制方程討論求解算法主要顧客注意事項概述May15,2023第2頁FLOTRAN模擬FLOTRAN模擬流體流動和熱傳輸求解流體守恒方程（質(zhì)量和動量守恒）成果為流動分布和壓力場對于流體區(qū)域也可求解能量方程對于能量方程，分析域可同步具有流體和非流體單元自由度(DOF)速度:VX,VY,VZ壓力:PRES湍流(假如需要):ENKE,ENDS物質(zhì)濃度:SP01…SP06May15,2023第3頁二維基本形狀三維基本形狀三維過渡形狀FLOTRAN單元類型和形狀二維:Fluid141(三角形和四邊形)三維:Fluid142(六面體、四周體、五面體和楔形體)

五面體是四周體和六面體之間所必需過渡單元

單元為線性(無中節(jié)點)May15,2023第4頁二維直角坐標系(x-y)或極坐標系(r-θ)

軸對稱坐標系(有關X軸或Y軸)三維直角坐標系圓柱坐標系:VR,V

必須平行ANSYSXY平面VX(VR);VY(V

);VZ(VZ)rP(r,

)原點yx原點問題域

May15,2023第5頁問題域-幾何學在選定坐標系中方程得到簡化能夠利用周期性分界限固定坐標系和旋轉坐標系構造化網(wǎng)格或非構造化網(wǎng)格ALE公式使在問題域中預先變化成為也許.ALE公式激活UX,UY,UZ自由度.用此功能施加位移和速度邊界條件。May15,2023第6頁問題域-坐標系FLOTRAN坐標系設置-命令如下二維:et,1,141,,,1有關Y軸對稱et,1,141,,,2有關X軸對稱et,1,141,,,3極坐標三維:et,1,142,,,3:柱坐標也能夠通過菜單設置AccessedthroughPREP7ElementType>Add/Edit/Delete>OptionsFLOTRANSetupMenu>FlowEnvironment>CoordinateSystemMay15,2023第7頁CFD術語我們提供下列定義….

CFD（計算流體動力學）

MachNumber（馬赫數(shù)）

Turbulentflow（湍流）

Incompressiblefluid（不可壓縮流）

Compressiblefluids（可壓縮流）

Conjugateheattransfer（共軛熱傳導）

Distributedresistance（分布阻力）

Periodicboundaries（周期性邊界條件）

Multiplespeciestransport（多組份傳輸）

Newtonianandnon-Newtonianfluids（牛頓和非牛頓流）FreeSurface（自由表面）May15,2023第8頁CFD術語

定義CFD計算流體動力學(CFD)取得描述流體運動一組方程式數(shù)值解科學（藝術）偏微分方程被離散化成一系列代數(shù)方程形式完全耦合系統(tǒng)中矢量X包括了所有自由度。離散網(wǎng)格里中變量是被逐漸求解.在某些實例中，矩陣近似算法會對中間步驟產(chǎn)生影響。May15,2023第9頁CFD術語

定義湍流根據(jù)Webster新學院字典，湍流定義為“在給定點處速度（壓力、溫度、組份濃度等）大小和方向不規(guī)則變化流體流動”。湍流是一種在剪力作用下，速度，壓力，溫度和濃度不停變化流動形式這些剪切力使原本有序流動變?yōu)橛酗@著混亂旋渦，流動事實上在不停變化流動實際是不停變化，湍流標準上是一種瞬態(tài)現(xiàn)象。能夠通過時間平均求穩(wěn)態(tài)解.May15,2023第10頁湍流當通過時間平均,速度波動為零。波動計算一般是不也許湍流模式用來確定在平均流動上波動影響隨時間波動速度2340123456時間(秒))速度(mm/s)實際速度(mm/s)平均速度(mm/s)May15,2023第11頁湍流(續(xù))

FLOTRAN缺省用k-ε二方程模型當雷諾數(shù)表白出現(xiàn)湍流時,可選

k-ε湍流模型應被激活

雷諾數(shù)是一種表達慣性力與粘性力比率無量綱參數(shù).它定義為:式中，ρ是密度、V是特性速度、μ是動態(tài)粘性、DH

是特性長度或直徑,對于內(nèi)流一般是水力直徑.May15,2023第12頁湍流(續(xù))對應于層流和湍流雷諾數(shù)范圍能夠在流體動力學課本、文獻、或手冊中找到。如下是某些例子:May15,2023第13頁CFD術語

定義馬赫數(shù)馬赫數(shù)流體速度除以聲速.在一般情況下：注：

M>1時為超音速，M<1為亞音速我們在計算之前應估計馬赫數(shù)大小，方便決定是否激活可壓縮流選項。May15,2023第14頁CFD術語

定義不可壓縮流不可壓縮流這包括到動量方程中有關項。假如密度為常數(shù)，這些項為零，能夠從方程式中略去。這適用于大壓力變化只造成較小密度變化流體。

密度變化主要是溫度梯度函數(shù)而不是壓力梯度函數(shù)。流體流動主要是不可壓縮，甚至在自然對流情況下。May15,2023第15頁CFD術語

定義可壓縮流可壓縮流指是流體密度隨壓力和溫度變化而變化(一般在高速情況下)。靜溫變?yōu)樗俣群蜏箿囟群瘮?shù)。

當最大馬赫數(shù)大于0.3時需考慮可壓縮選項.(當然，對許多應用，當馬赫數(shù)達0.7，仍然可用不可壓縮選項.)需要有描述密度狀態(tài)方程。對許多氣體，該方程為抱負氣體準則:May15,2023第16頁可壓縮流選項在可壓縮/熱力學問題中，根據(jù)總能量方程求得總溫。靜穩(wěn)從下式求得在超音速流中，經(jīng)常產(chǎn)生激波(速度和氣體性質(zhì)發(fā)生突變).在激波附近區(qū)域加密網(wǎng)格將有助于求解.May15,2023第17頁CFD術語

定義共扼傳熱共軛傳熱對于求解域有流體和固體能量方程式解算（例如流固耦合溫度分布）。這些問題一般是“病態(tài)”，即矩陣方程求解很困難….May15,2023第18頁CFD術語

定義分布阻尼分布阻尼不需要建立詳細幾何模型而模擬流體動力影響。分布阻力與構造分析中梁單元相同。例如流體流過鰓網(wǎng)、多孔介質(zhì)、或小障礙物。大型模擬中參數(shù)能夠通過查手冊或者FLOTRAN模擬計算得到有特性情況無特性情況May15,2023第19頁CFD術語

定義周期性邊界條件周期性邊界條件兩個邊界邊界條件完全相同但未知。耦合所有自由度。May15,2023第20頁CFD術語

定義多組份傳輸多組份傳輸此功能使顧客在幾個流體混合時跟蹤組份集中程度，由于對流場只能進行單個動量方程求解，故不能模擬化學反應.因此，不能模擬由于密度變化引發(fā)兩種流體分離.May15,2023第21頁CFDTerminology

CFD術語

定義牛頓流和非牛頓流牛頓流應力與應變率之間為線性關系。牛頓流不“記憶”過去設置和變形。

非牛頓流

流體粘性是速度與速度梯度函數(shù).一般牛頓流包括空氣和水一般非牛頓流

包括血液、聚和物、泥漿等May15,2023第22頁

FLOTRAN單元（續(xù)）流體是單相，但也可為多達六種不一樣流體或組份混合物可用單元141和142模擬固體和流體熱傳輸，但FLOTRAN單元不能與其他ANSYS單元混合使用守恒法則提供列式基礎:質(zhì)量守恒動量守恒能量守恒對多組份問題還要求解傳輸方程May15,2023第23頁質(zhì)量守恒討論

FLOTRAN分析中質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒方程（或連續(xù)方程）與動量守恒方程組合得到一種壓力方程。上述連續(xù)方程式用下標形式表達(反復下標表達對該項求和)。對二維直角坐標系有:May15,2023第24頁擴散項對流項時間有關項源項動量守恒討論

FLOTRAN分析中動量方程應用FLOTRAN求解完備

Navier-Stokes方程:May15,2023第25頁動量守恒（續(xù)）附加源項(?i)（例如侖滋力）能夠存在Navier-Stokes方程對于在直角坐標系下二維穩(wěn)態(tài)常數(shù)性質(zhì)流體能夠再寫為:May15,2023第26頁討論FLOTRAN分析中能量守恒方程應用對不可壓縮流，能量方程簡化為運輸方程:比熱能夠變化非流體區(qū)域密度必須為常數(shù)非流體傳導率能夠為各向異性，也可隨溫度變化能量守恒May15,2023第27頁討論FLOTRAN可壓縮流能量守恒方程應用.對可壓縮流，能量方程以總溫求解.粘性功、動能和粘性耗散項在高速情況下將較顯著.粘性功項動能項粘性耗散可壓縮流總能量方程May15,2023第28頁討論FLOTRAN傳輸方程在多組份分析中應用傳輸方程只基于對流和擴散過程求解每個組份質(zhì)量百分比在這些方程中，Yi是第i個組份質(zhì)量百分比，Di

是第i個組份在混合體中質(zhì)量耗散系數(shù).注:為確保

N個組份質(zhì)量系數(shù)在任何位置和為1,事實上只有

N-1個方程式求解.組份傳輸方程May15,2023第29頁FLOTRAN分析功能瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)流漸變、突變與時間有關邊界條件層流或湍流顧客選擇不可壓縮流或可壓縮流牛頓流或非牛頓流可選用PowerLaw、Carreau、Bingham模式允許顧客可編程模式亞音速、跨音速、或超音速流動May15,2023第30頁FLOTRAN分析功能(續(xù))內(nèi)流或外流強迫流或浮力驅(qū)動流可變密度不可壓縮算法強迫、自由或混合對流換熱共軛熱傳輸分布阻力/風扇模型有表面張力自由表面(二維)ALE公式變化問題域添加處理措施來修改網(wǎng)格May15,2023第31頁FLOTRAN求解算法特點依次求解控制方程迭代矩陣求解器-對稱和非對稱迭代求解器與

ANSYS其他模塊中求解器是分離內(nèi)存內(nèi)求解-通過只存放非零矩陣項使內(nèi)存要求最小等階辦法(速度-壓力)-等階插值函數(shù)簡化了邊界條件確實定和成果插值流線迎風法-處理非線性對流項缺損辦法.這是一種花費不大,有界且穩(wěn)定辦法.(流線迎風

PetrovGalerkin法（SUPG）是一種更精確不過穩(wěn)定性差一點辦法).May15,2023第32頁FLOTRAN分析決策制定你必須自己決定流體特性并隨后驗證這些決定.流體性質(zhì)隨溫度變化主要嗎?穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)?層流還是湍流?“可壓縮”效應主要嗎?需建立多大問題求解區(qū)域?何處網(wǎng)格最密?雖然CFD技術不停發(fā)展將有助于這些決定自動化，但仍然需要工程師理解什么是最主要May15,2023第33頁處理次序幾何:利用ANSYS生成(PREP7)或者..輸入CAD程序(用接口產(chǎn)品!)確定流場被正確輸入網(wǎng)格盡也許用網(wǎng)格映射.必須刪除部分網(wǎng)格.ICEMCFD網(wǎng)格容易輸入到ANSYS.邊界條件假如也許盡也許用固體模型邊界條件FLOTRAN執(zhí)行穩(wěn)定性參數(shù)和必要重新起動后處理May15,2023第34頁T壁面=20°CT進口H=1P=0絕熱壁面q"=0密度=r=998kg/m3粘性=m=1.0(10-3)kg/m-s聲速=a=1480m/s例A:V進口=0.1m/s,T進口=95°C例B:V進口=1m/s,T進口=25°C例A和B:

考慮水流過一水道練習對下面例子A到D回答下列問題：1.層流還是湍流?2.可壓縮流還是不可壓縮流?3.性質(zhì)隨溫度變化主要嗎?