CFD技術(shù)及應(yīng)用實驗指導(dǎo)書

《CFD技術(shù)及應(yīng)用》課堂實驗指導(dǎo)書課程中文名稱：CFD技術(shù)及應(yīng)用課程英文名稱：CFDTechnologyandApplication課程編號：021060400適用專業(yè)：新能源科學(xué)與工程學(xué)時數(shù)：32學(xué)分?jǐn)?shù)：2課程類別：專業(yè)課程應(yīng)開課學(xué)期：第七學(xué)期實驗一：ANSYSICEMCFD網(wǎng)格劃分實驗類型：操作實驗學(xué)時：2實驗要求：1人/組一、實驗?zāi)康?．掌握ANSYSICEMCFD軟件流體網(wǎng)格劃分的步驟和方法；2．掌握ANSYSICEMCFD軟件流體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分思想、方法和適用條件；3．掌握ANSYSICEMCFD軟件流體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法和適用條件。二、實驗內(nèi)容1．ANSYSICEMCFD操作基礎(chǔ)；2．ANSYSICEMCFD結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；3．ANSYSICEMCFD非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；4．ANSYSICEMCFD網(wǎng)格檢查和導(dǎo)出。三、儀器設(shè)備(1)局域網(wǎng)多媒體微機實驗室；(2)ANSYSICEMCFD17.0或ANSYS17.0以上版本的軟件四、實驗原理、方法、手段和步驟1．實驗原理ANSYSICEMCFD是一種專業(yè)的CAE前處理軟件。擁有強大的CAD模型修復(fù)能力、自動中面抽取、獨特的網(wǎng)格“雕塑”技術(shù)、網(wǎng)格編輯技術(shù)以及廣泛的求解器支持能力。同時作為ANSYS家族的一款專業(yè)分析環(huán)境，還可以集成于ANSYSWorkbench平臺,獲得Workbench的所有優(yōu)勢。ANSYSICEMCFD中六面體網(wǎng)格劃分采用了由頂至下的“雕塑”方式，可以生成多重拓?fù)鋲K的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。整個過程半自動化，使用戶能在短時間內(nèi)掌握原本只能由專家進行的操作。采用了先進的O-Grid等技術(shù)。2．實驗方法和步驟(1)熟練ANSYSICEMCFD19.0的工作界面；(2)使用ICEMCFD軟件進行簡單的幾何模型構(gòu)建，并能夠用ICEMCFD軟件導(dǎo)入復(fù)雜的幾何模型；(3)根據(jù)參考教材中二維平面模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分步驟和方法，自己上機操作并熟練掌握；(4)根據(jù)參考教材中三維空間模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分步驟和方法，自己上機操作并熟練掌握；(5)根據(jù)參考教材中二維和三維模型非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分步驟和方法，自己上機操作并熟練掌握。五、實驗結(jié)果處理(1)使用ICEMCFD軟件，采用O-Grid技術(shù)，繪制二維平面模型的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；(2)使用ICEMCFD軟件，采用O-Grid技術(shù)，繪制三維立體模型的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；(3)使用ICEMCFD軟件，繪制二維和三維模型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并導(dǎo)出適用于FLUENT軟件的網(wǎng)格。六、實驗注意事項1．實驗采用教師課堂演示、學(xué)生上機操作的實驗方式；2．上機實驗前，學(xué)生應(yīng)認(rèn)真預(yù)習(xí)有關(guān)的實驗內(nèi)容；3．學(xué)生完成實驗后須撰寫實驗報告；七、預(yù)習(xí)與思考題1．基于ICEMCFD軟件采用O-Grid技術(shù)劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的主要思想是什么?2．ICEMCFD軟件劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的難點在哪里?3．ICEMCFD軟件劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的注意事項有哪些？實驗二：ANSYSFLUENT軟件基本操作實驗類型：操作實驗學(xué)時：2實驗要求：1人/組一、實驗?zāi)康?．掌握ANSYSFLUENT軟件的基本操作流程；2．掌握ANSYSFLUENT軟件模擬工程流體流動和傳熱的基本方法和步驟；3．掌握ANSYSFLUENT軟件的后處理方法。二、實驗內(nèi)容1．ANSYSFLUENT操作基礎(chǔ)；2．ANSYSFLUENT工作流程；3．ANSYSFLUENT模擬工程流體流動問題的基本方法；4．ANSYSFLUENT模擬傳熱問題的基本方法。三、儀器設(shè)備(1)局域網(wǎng)多媒體微機實驗室；(2)ANSYSFLUENT17.0或ANSYS17.0以上版本的軟件四、實驗原理、方法、手段和步驟1．實驗原理FLUENT是用于模擬具有復(fù)雜幾何外形的流體流動和熱傳導(dǎo)的計算機程序，F(xiàn)LUENT軟件采用C/C++語言編寫，從而大大提高了對計算機內(nèi)存的利用率。FLUENT軟件包含基于壓力的分離求解器、基于密度的隱式求解器、基于密度的顯式求解器，多求解器技術(shù)使FLUENT軟件可以用來模擬從不可壓縮到高超音速范圍內(nèi)的各種復(fù)雜流場。FLUENT軟件包含非常豐富、經(jīng)過工程確認(rèn)的物理模型，由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達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，可以模擬高超音速流場、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機械、動/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工等復(fù)雜機理的流動問題。2．實驗方法和步驟(1)熟練ANSYSFLUENT17.0的工作界面；(2)熟悉FLUENT的求解步驟；(3)練習(xí)FLUENT網(wǎng)格導(dǎo)入、檢查和修改的方法；(4)練習(xí)FLUENT求解器、計算模型、材料、邊界條件和控制方法的選擇；(5)練習(xí)FLUENT的后處理方法。五、實驗結(jié)果處理(1)根據(jù)FLUENT網(wǎng)格檢查功能判斷網(wǎng)格的基本信息；(2)歸納總結(jié)FLUENT進行工程流體流動和傳熱問題的基本求解步驟和流程；(3)對比計算模型、材料參數(shù)、邊界條件及控制方法對計算結(jié)果的影響；(4)運用FLUENT軟件進行簡單的后處理操作。六、實驗注意事項1．實驗采用教師課堂演示、學(xué)生上機操作的實驗方式；2．上機實驗前，學(xué)生應(yīng)認(rèn)真預(yù)習(xí)有關(guān)的實驗內(nèi)容；3．學(xué)生完成實驗后須撰寫實驗報告；七、預(yù)習(xí)與思考題1．對比液體和氣體流動時邊界條件選擇的差異性？2．探討不同湍流模型選擇的依據(jù)？3．對比穩(wěn)態(tài)問題和瞬態(tài)問題求解方法的差異性。實驗三：圓管內(nèi)水流的層流流動模擬實驗類型：操作實驗學(xué)時：2實驗要求：1人/組一、實驗?zāi)康?．驗證圓管內(nèi)水流層流時流速成拋物線型分布；2．掌握FLUENT層流模擬的設(shè)置過程；3．掌握圓管內(nèi)水流層流時流速等值線的分布特征；4．掌握軸對稱問題的模擬方法。二、實驗內(nèi)容1．模擬圓管內(nèi)水流層流時流動特征；2．確定圓管內(nèi)水流層流的條件；3．熟練操作FLUENT設(shè)置計算模型、邊界條件、材料參數(shù)和控制方法的設(shè)置過程；4．練習(xí)FLUENT模擬流動問題的數(shù)據(jù)處理和顯示方法。三、儀器設(shè)備(1)局域網(wǎng)多媒體微機實驗室；(2)ANSYSFLUENT17.0或ANSYS17.0以上版本的軟件四、實驗原理、方法、手段和步驟1．實驗原理層流(laminarflow)是流體的一種流動狀態(tài)，它作層狀的流動。流體在管內(nèi)低速流動時呈現(xiàn)為層流，其質(zhì)點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。管內(nèi)流體的平均流速與最大流速之比等于0.5。層流中摩擦阻力及沿程水頭損失均與流速的一次方成正比，流速分布呈拋物線型。圓管層流流速分布如圖1所示。圖1圓管層流時流速的分布特征2．實驗方法和步驟(1)網(wǎng)格讀取和顯示；(2)單位的設(shè)置；(3)模型的設(shè)置：具體包括求解器的定義、層流模擬的選擇；(4)設(shè)置物質(zhì)屬性；(5)設(shè)置邊界條件；(6)設(shè)置求解過程；(7)后處理。五、實驗結(jié)果處理(1)根據(jù)FLUENT網(wǎng)格檢查功能判斷網(wǎng)格的基本信息；(2)歸納總結(jié)FLUENT進行層流流動問題的基本求解步驟和流程；(3)對比計算模型、材料參數(shù)、邊界條件及控制方法對計算結(jié)果的影響；(4)運用FLUENT軟件進行簡單的后處理操作。六、實驗注意事項1．實驗采用教師課堂演示、學(xué)生上機操作的實驗方式；2．上機實驗前，學(xué)生應(yīng)認(rèn)真預(yù)習(xí)有關(guān)的實驗內(nèi)容；3．學(xué)生完成實驗后須撰寫實驗報告；七、預(yù)習(xí)與思考題1．?dāng)?shù)值模擬得到的層流流速分布特征是否與理論分析的一致？2．將圓管內(nèi)的流體改為氣體，對比層流時流速分布特征的差異性；3．雷諾數(shù)的物理意義？實驗四：溫室自然通風(fēng)的FLUENT模擬實驗類型：操作實驗學(xué)時：2實驗要求：1人/組一、實驗?zāi)康?．掌握室內(nèi)自然通風(fēng)問題的求解方法和設(shè)置過程；2．輻射模型的設(shè)置過程；3．對比輻射對溫室自然通風(fēng)的影響；4．通風(fēng)問題的數(shù)據(jù)處理和顯示。二、實驗內(nèi)容1．熟悉室內(nèi)自然通風(fēng)問題的求解方法和設(shè)置過程；2．操作輻射模型的設(shè)置過程；3．熟練操作FLUENT設(shè)置計算模型、邊界條件、材料參數(shù)和控制方法的設(shè)置過程；4．練習(xí)FLUENT模擬通風(fēng)問題的數(shù)據(jù)處理和顯示方法。三、儀器設(shè)備(1)局域網(wǎng)多媒體微機實驗室；(2)ANSYSFLUENT17.0或ANSYS17.0以上版本的軟件四、實驗原理、方法、手段和步驟1．實驗原理由于自然對流問題相對于一般的導(dǎo)熱和對流問題更為復(fù)雜，F(xiàn)LUENT軟件中專門建立了求解自然對流問題的模型。自然對流是由于流體受加熱后密度產(chǎn)生變化引起溫度不同，部分流體在浮力作用下產(chǎn)生的流動現(xiàn)象。FLUENT軟件采用兩種不同的方法來模擬自然對流現(xiàn)象。一是使用瞬態(tài)計算的方法，從初始的壓力和溫度計算封閉區(qū)域中的密度，得到封閉區(qū)域中初始條件下的質(zhì)量。在隨時間步長進行迭代求解時，按照適當(dāng)?shù)姆绞奖ＷC該初始質(zhì)量的守恒條件，這種方法適用于用戶定義的計算區(qū)域中溫差很大的情況。二是使用Roussinesq模型進行穩(wěn)態(tài)計算的方法，其中需要用戶設(shè)置一個恒定的密度，這樣也就對用戶定義的封閉區(qū)域中流體的質(zhì)量進行了設(shè)定，該方法只適用于用戶定義的計算域中溫差很小的情況。2．實驗方法和步驟(1)網(wǎng)格讀取和顯示；(2)單位的設(shè)置；(3)模型的設(shè)置：具體包括求解器的定義、激活重力的作用、激活k-epsilon湍流模型、激活太陽加載模型；(4)設(shè)置物質(zhì)屬性；(5)設(shè)置邊界條件；(6)設(shè)置求解過程；(7)加入輻射計算模型；(8)后處理。五、實驗結(jié)果處理(1)根據(jù)FLUENT網(wǎng)格檢查功能判斷網(wǎng)格的基本信息；(2)歸納總結(jié)FLUENT進行溫室自然