fluent在燃烧方面的应用培训课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Fluent,应用,*,fluent在燃烧方面的应用,1.1,计算流体力学概述,1.什么是,CFD？,CFD,即计算流体力学,流体力学分支，,C,omputational,F,luid,D,ynamics，CFD,理论分析流体力学（,A,nalytical,F,luid,D,ynamics，AFD）,实验流体力学（,E,xperimental,F,luid,D,ynamics，EFD）,CFD,已随计算机技术的发展而变得越来越重要。,CFD,是利用计算机模拟真实流动现象,流体在一定的空间区域连续流动,将该区域离散为细小的网格单元,在这些单元内求解描述流动规律的数学方程,采用可视化技术等分析计算得到的流场,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.1,计算流体力学概述,2.为什么需要,CFD？,理论分析（,AFD）,可解决的问题非常有限制,描述流体运动的偏微分方程数学特性非常复杂，迄今为止只有很少数很简单的流动用,AFD,获得了结果,CFD,与实验研究（,EFD）,相比有独特的优势,不需要实验模型、风洞等，可节省大量的时间和经费,可以获得远比实验数据丰富、直观的三维流场结果,可以模拟许多难以进行实验的流动问题,能实现计算机的“虚拟”设计/分析，一定程度代替制造和测试,能认识和探索许多新的流动问题,CFD,技术已有较高的水平，并在发展；同时计算机运算能力每3年提高一倍，两者结合使,CFD,的作用越来越强。,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.2,计算流体力学的发展,CFD,技术产生晚，发展快，地位越来越重要,20世纪初开始的理论基础研究,松弛迭代、,CFL,条件、,Lax,定理等,6070年代初步形成数值计算能力，无粘线性问题计算,面元法，用于飞机和汽车工业,7080年代实现了无粘非线性问题的计算,全速势方程计算，激波装配法，不可压,N-S,方程计算,8090年代取得了,Euler/N-S,方程计算突破,TVD、MUSCL,等高分辨率格式，时间推进的有限体积法,90年代至今，,CFD,技术继续发展,ENO,格式、大涡模拟、直接数值模拟,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,化学工业,生物工程,体育竞赛,F-18,战斗机,X-43,高超音速飞机,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,化学工业,生物工程,体育竞赛,23/1/1999,美国风暴的卫星照片和预测图象,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,化学工业,生物工程,体育竞赛,舰船绕流的,CFD,模拟,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,化学工业,生物工程,体育竞赛,CFD,得到的汽车车身压力分布和气流流线,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,化学工业,生物工程,体育竞赛,水力发电和火电站的流动问题,CFD,模拟,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,化工容器及管道流动问题室内通风等,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,激光手术时眼球内液体流动,目录,本讲,游泳、自行车等竞赛,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Mesh,Wall Shear Stress,罗茨泵,Fluent应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,煤粉炉,Fluent应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,燃烧模拟,Fluent应用,1.3,计算流体力学中的应用,可用于非常广泛的涉及流体运动的领域,航空航天,天气预测,舰船设计,汽车工业,能源工程,其他工业,生物工程,体育竞赛,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,燃烧器模拟,Fluent应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,计算的物理对象:,目录,本讲,流动的分类框架图,不可压流动,(water),可压流动,(air,acoustic),外部绕流,(,airfoil,ship),湍流,Continuum Fluid Mechanics,层流,内部流动,(,pipe,valve),粘性,非粘性,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,数学模型,1,数学模型本身,部分流动的数学模型是准确的（如：无粘流、层流）,部分流动的数学模型本身就是近似的（如：湍流,RANS，LES）,2,数学模型的求解计算,只有少数非常简单的问题有准确的理论分析解（如：平面势流中的点源、点汇等）,绝大多数问题需要采用近似的数值解法，即以离散的解来逼近原来的连续流动。,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,数值解法,1,计算域的离散,将流动空间区域离散为细小的网格单元,2,控制方程的离散,控制流动的方程反应了流体流量、动量、能量的守恒,在控制体内用差分逼近微分，将连续场内微分方程转变为分布在一系列网格单元上的代数方程,使用迭代等方法求解这些代数方程,目录,本讲,控制体,非稳态项,对流项,扩散项,源项,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,目录,本讲,质量守恒方程,动量守恒方程,能量守恒方程,PDF,燃烧模型,辐射方程,第一章 Fluent简介,Fluent应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,描述计算空间域的几何形状，重点是流体机械的造型：,可以采用,Gambit,、,Ug、Pro-E、AutoCad,等造型；,也可以自行编程给出造型。,目录,本讲,第一章 Fluent简介,Fluent应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,目录,本讲,说明流动条件：,流动类型（如：层流或湍流）,来流条件（如：速度、压力）,选择计算的数学模型,辐射方程、能量方程、湍流模型等,第一章 Fluent简介,Fluent应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,流场初始条件：,1，不影响定常结果,2，猜得好的初场可加快计算收敛,流场边界条件：,1，决定流场结果（定常、非定常）,2，包括固壁、入流、出流、远场等,目录,本讲,第一章 Fluent简介,Fluent应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,网格分区和生成（,Gridgen）,目录,本讲,第一章 Fluent简介,Fluent应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,选择设置计算的参数和选项：,如：计算格式、,CFL,数、迭代步数等,CFD,程序计算（,NAPA）：,多层加密计算、判断收敛,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,流场结果后处理,：,通过等值图、流线图、,XY,函数曲线图等手段对流场密度、压力、马赫数等参数和流速、流向等进行分析,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,1.4,计算流体力学的形象理解和关键问题,CFD,主要工作流程,几何描述,说明流动条件,选择计算的数学模型,说明初始条件、边界条件,网格生成,选择数值计算参数,CFD,程序计算,流场结果的可视化分析处理,准确度估计,准确度估计：,1，监测迭代收敛精度、参考点参数波动,2，网格对计算的影响分析,3，与标准实验数据的对比,目录,本讲,第一章,Fluent,简介,Fluent应用,网上,CFD,资源,Fluent应用,为了获得物理问题（各种微分方程）的,唯一解,，必须对计算域边界设定各种参数值.,如各种通量（热通量、质量通量）、运动状况等.,边界条件内容:,定义边界条件的,位置信息,(如进口、固体壁面、对称位置面),确定边界上的各种,参数信息,边界条件的具体内容和计算中采用的物理模型、边界条件的类型密切相关.,必须仔细确定边界条件的参数,直接影响了求解过程和所得到的结果.,第二章 边界条件,Fluent应用,Fuel,Air,Combustor Wall,Manifold box,1,1,2,3,Nozzle,分析流程,1.,来流条件,均匀性,非预混模型,考虑混合效果,2.,喷嘴进口,非预混模型,参数要求高,3.,喷嘴出口,预混模型,参数要求高,第二章 边界条件,Fluent应用,基本原则,设定在流体的进、出口,可以有利于收敛.,在垂直于边界上不应该,存在很大的参数梯度.,导致不同的结果.,减小边界附近的网格,扭曲度.,导致计算早期误差过大.,2,1,第二章 边界条件,Fluent应用,基本的边界类型,外部面,一般,:,Pressure inlet,Pressure outlet,不可压,:,Velocity inlet,Outflow,可压:,Mass flow inlet,Pressure far-field,特殊,:,Inlet vent,outlet vent,intake fan,exhaust fan,其它,:,Wall,Symmetry,Periodic,Axis,单元、区域,Fluid and Solid,相交面,Fan,Interior,Porous Jump,Radiator,Walls,进口,出口,壁面,内部面,孔,第二章 边界条件,Fluent应用,基本流程,Gambit,Boundary Type,Fluid Type,Fluent,Solver,Select Boundary,Set Parameters,第二章 边界条件,Fluent应用,边界条件的定义,Solver,选择求解器,正对求解器选择不同的边界条件定义器,第二章 边界条件,Fluent应用,边界条件的定义,Specify Type,选择边界对应的几何体,默认值：面,选择边界的类型.,鼠标直接选取.,对定义好的边界可以再操作,更改、删除.,第二章 边界条件,Fluent应用,边界条件的定义,Specify Type,选择边界对应的几何体,默认值：体,选择边界的类型.,鼠标直接选取.,对定义好的边界可以再操作,更改、删除.,第二章 边界条件,Fluent应用,边界条件的定义,Define,在,Fluent,中定义边界条件的具体值,各种边界条件的参数,可以重新定义边界类型,第二章 边界条件,Fluent应用,重新定义边界条件,一般边界条件在预处理软件中定义.,可以在,Fluent,中更改:,Define,Boundary Conditions.,选择要更改的几何体,从,Type,中选择新的类型.,第二章 边界条件,Fluent应用,给定边界条件参数,在,BC panels,中直接赋值.,给选定的边界设定:,从,Zone,菜单中选择边界.,点击,Set,按钮,利用,Copy,按钮可以复制边界条件,.,边界条件的内容可以存盘，,也可以读入.,file,write-bc and,file,read,利用,UDFs and Profiles,可以,定义复杂的边界条件,第二章 边界条件,Fluent应用,Velocity Inlet,定义类型:,Magnitude,Normal to Boundary,Components,Magnitude and Direction,默认值为均匀流动,适用于,incompressible flows.,Static pressure,相应分布.,Total pressure,同样,用于,compressible flows,将有可能导致非物理解.,速度设定为负值时，可以用来表示出口.,但是必须要保证流量平衡.,第二章 边界条件,Fluent应用,Pressure Inlet(1),参数确定:,Total,Gauge,Pressure,驱使流体运动的能量,.,Static,Gauge,Pressure,超音速流动时静压;,亚音速时忽略,从该边界初始化时有用,Total Temperature,对于不可压流作为静温,.,Inlet Flow Direction,Incompressible flows:,Compressible flows:,第二章 边界条件,Fluent应用,Pressure Inlet(2),注意的是,Gauge,pressure,必须给定.,Operating pressure,定义:,Define,Operating Conditions,同时适用,compressible,和,incompressible flows.,Fluent,计算时采用,static pressure and velocity,通过压力面的通量由内部条件和流动方向决定.,可以被用作模拟“,Free”,面.,第二章 边界条件,Fluent应用,Mass Flow Inlet,参数确定:,(a)Mass Flow Rate or(b)Mass Flux,(a),给定恒定的流量,(b),利用,profiles/UDF,定义,Static,Gauge,Pressure,超音速有效,该边界初始化有效.,Total Temperature,对于不可压流动为静温.,Inlet Flow Direction,一般用于,compressible;,也可用于,incompressible flows.,Total pressure,由输入变量求得.,和,pressure inlet,相比.收敛性差,第二章 边界条件,Fluent应用,Pressure Outlet,给定,static,gauge,pressure,作为出口处的环境压力.,可以定义径向的压力分布.,Backflow,收敛过程出现,最终结果如此.,方向是垂直于边界,.,适用于,compressible,和,incompressible flows,在超音速条件下，忽略所给定的压力值.,可以被用来模拟自由流.,第二章 边界条件,Fluent应用,Outflow,不需指定任何速度和压力信息.,由内部区域来传递信息.,边界上保持流量平衡.,在,Outflow,面上所有参数梯度为零,近似于充分发展流,适用于,incompressible flows.,不能和,Pressure Inlet,合用;入口只能是,velocity inlet.,不能用来模拟密度随时间变化的问题.,当存在回流时，很难收敛,不能模拟最终结果存在回流的物理问题,.,第二章 边界条件,Fluent应用,可以利用,Pressure Outlet,和,Outflow boundaries.,Pressure Outlet,Outflow:,出口流量定义如下:,m,i,=,FRW,i,/,FRW,i,where 0,FRW 0.,Q,SC,=0,表示相邻网格与选定网格面积,/,体积形同。,3D,举例,Q,SC,i,=V,j=1,/V,i,since j=1 has largest volume ratio,第三章 Gambit建模及网格,低质量网格会引起计算发散或收敛速度慢,.,网格质量限制,:,六面体或四边形网格,:,网格扭曲度不大于,0.85,.,三角形或四面体网格,:,网格扭曲度不大于,0.9,.,所有网格单元,:,体积变化率不大于,2,尽量避免相邻网格体积的急剧变化,.,如果检查网格时出现问题，可能有以下原因,模型存在尖角等过渡剧烈的几何结构。,网格尺寸过大。,网格类型不合适，等等。,第三章 Gambit建模及网格,体网格简介,对于几何结构简单的模型，六面体或楔形网格数量更少，质量更高。,对于几何形状复杂的模型，六面体或楔形网格在质量方面的优势不再明显,而且划分网格花费的时间更长，此时可以选择四面体网格或者混合网格。,第三章 Gambit建模及网格,Fluent应用,六面体网格举例,Hex Map,Hex-Submap,Hex Tet Primitive,Hex Cooper,第三章,Gambit,网格,Hex/Wedge and Tet/Hybrid,Hex/Wedge:Cooper,Tet/Hybrid:HexCore,第三章 Gambit建模及网格,Tet/Hybrid:TGrid,Fluent应用,Hex Meshing Map,Mesh,Mesh,submap face,第三章,Gambit,网格,Hex Meshing Submap,Mesh,Mesh,第三章,Gambit,网格,Hex Meshing Tet Primitive,Mesh,第三章,Gambit,网格,Hex Meshing Cooper,Side Faces(two hidden),Cooper,direction,Source Faces,第三章,Gambit,网格,Cooper Examples,Volume Containing Multiple Holes,source faces,source faces,source faces,Source Faces Not Parallel,source faces,Multiple Source Faces and Multiple Interior Loops,第三章,Gambit,网格,混合网格举例,发动机排气阀网格,不同区域根据结构划分不同网格,.,相对纯六面体或四面体网格，混合网格在效率和质量方面均有加强。,这种网格可以在,gambit,里实现,.,Hybrid mesh for an IC engine valve port,tet mesh,hex mesh,wedge mesh,第三章,Gambit,网格,Fluent应用,Troubleshooting the Cooper Tool,A,B,C,问题,:,源面,A,B,和,C,已经划分了面网格,.Cooper,网格不能划分，如何解决？,第三章,Gambit,网格,Fluent应用,解决办法,:,A,、,B,与,C,面网格不能一一对应，故不能划分,Cooper,网格，将,C,面网格删除即可。,A,B,C,第三章,Gambit,网格,Fluent应用,Troubleshooting the Cooper Tool,Problem:,A brick is split as shown.The Cooper tool fails.Why?What can be done to generate a volume mesh?,A,B,C,第三章,Gambit,网格,Fluent应用,Troubleshooting the Cooper Tool,Solution:,Cooper tool fails because no logical axis exists.If faces A and B are source faces,then face C must be either mappable or submapple.Face C contains a void and can only be paved.Split the volume with a face as shown.Use Face A1 as one source face for volume 1 and use face C2 as one source face for Volume 2.,A1,Volume 1,Volume 2,C1,A,B,C,第三章,Gambit,网格,Fluent应用,Troubleshooting the Cooper Tool,Problem:,The Cooper tool fails because the interior loops on source faces A and B either overlap or are close.,A,B,Interior loops,第三章,Gambit,网格,Fluent应用,Troubleshooting the Cooper Tool,A,B,Interior loops,A1,A2,Solution:,Split source face A as shown.Neither face A1 nor A2 contain closed interior loops.,第三章,Gambit,网格,Fluent应用,Example:,manually change the vertex types,3 Source Faces,如何划分,Cooper,网格,谨记三点,:,改变节点类型，使之可划分结构化或分块结构化网格。,仔细确定源面,.,强制在源面划分结构或分块结构网格,.,S,E,S,E,C,C,E,E,E,E,E,E,第三章,Gambit,网格,Fluent应用,四面体,/,楔形网格,1,Hex Cooper,2,Tet:TGrid,Pyramid,layer,3,Hex/Wedge,Cooper,第三章,Gambit,网格,HexCore Meshing,Flow Volume Inside an,Automobile Manifold,Flow Volume Around a Boat Hull,第三章,Gambit,网格,Fluent应用,Hex-Core Meshing,Geometry:Cylinder,Edit Default:,Mesh.Cartesian.Hexcore_Quad_Surface_Split,第三章,Gambit,网格,Fluent应用,结束！,谢谢！,Fluent应用,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,